谷物水分儀采樣機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)研究與參數(shù)優(yōu)化

陳陽(yáng) 胡志超 吳惠昌 于昭洋 王申瑩

摘要：針對(duì)目前谷物水分儀相關(guān)研究較少且測(cè)量精度不高等問(wèn)題，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)水分儀采樣機(jī)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化。首先利用實(shí)驗(yàn)室電烘箱法對(duì)水稻各個(gè)水分梯度的實(shí)際值進(jìn)行標(biāo)定，運(yùn)用水分測(cè)定值與實(shí)際值相對(duì)比的方法，以平均相對(duì)誤差為指標(biāo)，分別對(duì)輸送輥螺距、碾壓輥花紋以及電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行了單因素試驗(yàn)；在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用 L9（34） 正交表進(jìn)行了正交試驗(yàn)，得出3因素的主次因素順序與最佳因素排列組合。研究表明：影響水分值測(cè)定的主次因素順序是電機(jī)轉(zhuǎn)速、碾輥花紋和輸送輥螺距。電機(jī)轉(zhuǎn)速225 r/min、碾壓輥花紋為網(wǎng)紋m0.4、輸送輥螺距 8 mm 時(shí)為單因素試驗(yàn)最優(yōu)值。最佳因素組合是C2B3A1，即電機(jī)轉(zhuǎn)速為225 r/min、碾輥花紋為網(wǎng)紋m0.4、輸送螺距為8 mm。

關(guān)鍵詞：水分儀；采樣機(jī)構(gòu)；水分測(cè)定；參數(shù)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：S237 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

文章編號(hào)：1002-1302（2016）08-0443-04

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化特別是農(nóng)業(yè)機(jī)械化收獲水平的提高，人們對(duì)谷物干燥機(jī)械化的需求越來(lái)越大，谷物干燥機(jī)械化對(duì)于谷物的搶收以及陰雨天干燥具有非常重要的作用。谷物水分在線檢測(cè)是谷物干燥機(jī)械化中必不可少的環(huán)節(jié)，但由于我國(guó)谷物水分在線檢測(cè)技術(shù)的不完善，每年有大量的糧食因水分過(guò)高而霉變浪費(fèi)，每年損失高達(dá)300億～600億元，而采樣機(jī)構(gòu)是水分檢測(cè)儀的重要組成部分，采樣機(jī)構(gòu)工作的可靠性與結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理性會(huì)直接影響水分在線檢測(cè)的精確程度。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于谷物水分在線檢測(cè)采樣機(jī)構(gòu)缺乏系統(tǒng)的研究，水分在線檢測(cè)設(shè)備主要還是依賴進(jìn)口，針對(duì)以上問(wèn)題本研究提出的谷物水分檢測(cè)采樣機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)研究與參數(shù)優(yōu)化對(duì)于我國(guó)谷物水分在線檢測(cè)具有一定的參考意義[1-4]。

1試驗(yàn)方案

1.1采樣機(jī)構(gòu)組成與工作原理

谷物水分儀采樣機(jī)構(gòu)由采樣室和檢測(cè)室組成，2室用隔板隔開(kāi)，保證2室工作獨(dú)立、穩(wěn)定。圖1為簡(jiǎn)化后的采樣機(jī)構(gòu)的示意圖。其底座長(zhǎng)184 mm、寬140.5 mm、高 20 mm。輸送輥縱向軸長(zhǎng)50 mm，碾壓輥直徑55 mm。工作時(shí)，利用谷物烘干機(jī)內(nèi)提升機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)使物料飛濺到輸送輥上，輸送輥為嚙合異向雙螺桿結(jié)構(gòu)，利用輸送輥的嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)把物料平穩(wěn)均勻地送入喂料口，物料沿導(dǎo)料槽滑入2碾壓輥之中，當(dāng)物料被碾壓時(shí)雙碾壓輥被導(dǎo)通，電信號(hào)傳入中央處理器并按照特定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行水分值的計(jì)算[5]。

1.2試驗(yàn)儀器與材料

試驗(yàn)材料主要有：（1）PDPF2000型水分儀，搭載DC12V電機(jī)，水分測(cè)量范圍：10%～40%，溫度：0～50 ℃。（2）高速粉碎機(jī)，高速均勻地粉碎物料，盡量避免受空氣中水分的影響，所用型號(hào)是JFSD-100Ⅱ。（3）恒溫烘箱，選用電熱鼓風(fēng)干燥箱，由恒溫調(diào)節(jié)器控制，保證物料在恒溫條件下干燥，所用的型號(hào)為HG101，南京實(shí)驗(yàn)儀器廠生產(chǎn)，最高溫度300 ℃，加熱功率2 kW。（4）UTP3000電子天平，最大稱量質(zhì)量6 kg，最小稱量質(zhì)量0.5 g。（5）基于電阻式測(cè)量的食品干燥控制系統(tǒng)一套，實(shí)現(xiàn)對(duì)水分儀的在線控制與數(shù)值顯示，在實(shí)現(xiàn)100粒水稻水分檢測(cè)后自動(dòng)終止水分儀工作并顯示平均水分值?！糒M〗（6）選用谷物為武粳13號(hào)水稻，具體物理參數(shù)[6]見(jiàn)表1。（7）直流電機(jī)調(diào)速器，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的調(diào)速功能。（8）其他試驗(yàn)材料：樣品盒若干，藥勺1把，標(biāo)簽紙等。

1.3試驗(yàn)方法

目前谷物直接烘干有很多方法，如烘干箱法、快速失重法、減壓法、紅外加熱法等。根據(jù)GB/T 3543.6—1995《谷物水分檢測(cè)規(guī)程》，本試驗(yàn)利用電烘箱法測(cè)量樣品的水分。試驗(yàn)方法如下：將一批水稻樣品分組，按照不同的烘干時(shí)間制備不同水分梯度的水稻樣品，利用實(shí)驗(yàn)室烘干箱法測(cè)出各組樣品的真實(shí)水分值，再利用本試驗(yàn)的水分儀對(duì)制備后的水稻進(jìn)行水分測(cè)定。以水分值的平均相對(duì)誤差為指標(biāo)，根據(jù)其設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及工作原理，對(duì)輸送輥螺距、碾壓輥花紋和電機(jī)轉(zhuǎn)速3因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)；再以單因素試驗(yàn)為基礎(chǔ)，變換不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)，比較測(cè)得的水分值與真實(shí)水分值并加以數(shù)據(jù)分析[7-9]。

1.4試驗(yàn)準(zhǔn)備

（1）樣品盒質(zhì)量：取2個(gè)干凈的樣品盒置于105 ℃烘干箱內(nèi)烘30～60 min后取出置于干燥室冷卻，待溫度降至室溫時(shí)測(cè)出其質(zhì)量，再將其置入烘干箱內(nèi)烘30 min，至2個(gè)稱量的質(zhì)量結(jié)果差值小于0.005 g時(shí)，視為樣品盒恒質(zhì)量[10]。

（2）水分梯度的制備：將一批水稻樣品按5組、每組2份進(jìn)行組別編號(hào)，之后均勻平攤在樣品盒內(nèi)，置于（103±2） ℃烘干箱中干燥，樣品編號(hào)與烘干時(shí)間見(jiàn)表2。每組樣品烘干結(jié)束后取出放入干燥室內(nèi)，冷卻至室溫后對(duì)其進(jìn)行稱質(zhì)量[11]。

注：每組中一份用于真實(shí)水分值的檢測(cè)，另一份用于水分儀檢測(cè)。[FK）]

（3）真實(shí)水分值的測(cè)量：上述步驟后，各取出每組中用于真實(shí)水分檢測(cè)的水稻樣品，利用高速粉碎機(jī)進(jìn)行磨碎，磨碎細(xì)度達(dá)到水分檢測(cè)規(guī)程要求之后（至少有50%的磨碎成分可通過(guò)0.5 mm篩孔金屬絲篩，而留在1.0 mm篩孔金屬絲篩子上的不超過(guò)10%），再次放入烘干箱內(nèi)，使箱溫在5～10 min內(nèi)回升至（103±2） ℃時(shí)開(kāi)始計(jì)算時(shí)間，烘4～8 h后取出，待冷卻至室溫時(shí)進(jìn)行稱質(zhì)量[12]。根據(jù)烘干前后失去的質(zhì)量由式（1）計(jì)算出水稻水分的百分比，檢測(cè)結(jié)果如圖2。

[JZ（]X=[SX（]m1-m2〖〗m1-m0[SX）]×100%。[JZ）][JY]（1）

式中：X為樣品真實(shí)水分值（%）；m0為樣品盒恒質(zhì)量（g）；m1為水分制備后樣品及盒質(zhì)量（g）；m2為磨碎烘干后樣品及盒質(zhì)量（g）。

由圖2可知，水稻含水率并非隨著時(shí)間的增加呈線性遞減的關(guān)系，在烘干1 h時(shí)，水稻含水率有所下降，該階段水稻處于預(yù)熱狀態(tài)，水分子活動(dòng)并不劇烈，所以水分降幅不大；隨著烘干時(shí)間的增加，在2～4 h時(shí)，水分子受熱運(yùn)動(dòng)加劇，水稻中大部分水分在該階段蒸發(fā)出來(lái)，含水率明顯下降；在4～5 h階段，水分干燥速率減緩[13-14]。

2單因素試驗(yàn)

2.1輸送輥螺距ds

輸送輥螺距ds對(duì)采樣的單粒性、水分儀工作的穩(wěn)定性與水分值計(jì)算的精確性有著顯著影響，為了研究輸送輥螺距對(duì)水分檢測(cè)的影響，試驗(yàn)中分別設(shè)置了8、10、12 mm 3種不同螺距的螺桿（如圖3從左到右所示），以水分值作為指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)式2計(jì)算得出每組檢測(cè)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)水分?jǐn)?shù)據(jù)之間的平均相對(duì)誤差與最大相對(duì)誤差，比較3組數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果得出最佳輸送螺距。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

式中：σ[TX-5]為平均相對(duì)誤差；Δ為絕對(duì)相對(duì)誤差；l為實(shí)際值；n為測(cè)量值個(gè)數(shù)。

由表3知，當(dāng)螺距為8 mm時(shí)，平均相對(duì)誤差σ[TX-5]與最大相對(duì)誤差σmax分別為0.446%和0.68%，且σ[TX-5]<[σ]=0.5%，符合規(guī)定的水分儀檢測(cè)誤差標(biāo)準(zhǔn)，在以上3組試驗(yàn)結(jié)論中參數(shù)為 8 mm 螺距輸送時(shí)誤差最小。由試驗(yàn)過(guò)程可以看出，螺距越大，輸送速度越快，在單位喂入量一定的情況下，大螺距輸送在進(jìn)料口處易出現(xiàn)物料擁堵、進(jìn)料不連續(xù)且單次多粒進(jìn)料的情況，采樣單粒性較差，反之，8 mm小螺距進(jìn)料連續(xù)且單粒性較好，致使檢測(cè)所得水分值最為接近實(shí)際水分值。

2.2碾壓輥花紋

谷物的碾壓是采樣過(guò)程中一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)，而碾壓的充分性是碾壓過(guò)程中一個(gè)較為顯著的工作指標(biāo)。所謂碾壓充分性是指水稻顆粒在碾壓過(guò)程中保持穩(wěn)定且受壓面為水稻顆粒整體，碾壓之后稻殼與稻米保存完整，碾壓厚度均勻且一

4結(jié)論

在不同水分梯度的水稻樣品制備中，本研究根據(jù)不同的烘干時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)水分梯度的形成，避免了以往試驗(yàn)中直接對(duì)樣品噴水法中因水分吸收不完全所帶來(lái)的試驗(yàn)誤差。由水分梯度折線圖可知，水稻干燥中，水分下降的速率是由慢及快再到慢的一個(gè)過(guò)程，在前2 h的干燥中水分降幅不大，3～4 h 時(shí)水分蒸發(fā)速率加快，之后趨于平緩。

本研究分別對(duì)輸送輥螺距、碾壓輥花紋及電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行了單因素試驗(yàn)，3個(gè)因素均對(duì)測(cè)定水分值的平均相對(duì)誤差具有一定的影響。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，輸送輥為8 mm時(shí)，采樣機(jī)構(gòu)的采樣單粒性最佳，測(cè)得水分值的相對(duì)誤差最小；碾輥花紋為網(wǎng)紋時(shí)，碾壓充分性最佳，水分測(cè)定的相對(duì)誤差最小；電機(jī)轉(zhuǎn)速為225 r/min時(shí)，輸送與碾壓效果組合達(dá)到最優(yōu)，測(cè)得水分的相對(duì)誤差最小。

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)以上3個(gè)因素進(jìn)行了正交試驗(yàn)并利用極差分析得出在電機(jī)轉(zhuǎn)速為225 r/min、碾輥花紋為網(wǎng)紋、輸送螺距為8 mm時(shí)水分測(cè)定更加接近真實(shí)值并利用驗(yàn)證試驗(yàn)驗(yàn)證了最優(yōu)組合的正確性與科學(xué)性。

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