基于電特性的新疆駿棗含水率的試驗(yàn)研究

李大偉，陳　超，蘭海鵬，弋曉康

(1.塔里木大學(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾　843300；2.新疆阿拉爾質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，新疆 阿拉爾　843300)

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基于電特性的新疆駿棗含水率的試驗(yàn)研究

李大偉1，陳超2，蘭海鵬1，弋曉康1

(1.塔里木大學(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾843300；2.新疆阿拉爾質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，新疆 阿拉爾843300)

摘要：為探究新疆地區(qū)紅棗含水率的檢測(cè)方法，運(yùn)用TH2828S型LCR測(cè)量?jī)x對(duì)紅棗電特性與含水率的變化進(jìn)行測(cè)定，分析了紅棗含水率不同頻率下電特性變化，并建立紅棗含水率電特性參數(shù)模型。以整顆紅棗為試驗(yàn)對(duì)象，在電源電壓1V及縱向壓力(0.1kg)下測(cè)試了低頻段(200～1 000Hz)紅棗含水率電特性參數(shù)變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：在含水率55.85%以下，紅棗含水率與復(fù)阻抗Z呈負(fù)相關(guān)，通過(guò)電特性參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)紅棗含水率檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：檢測(cè)方法；含水率；電特性參數(shù)；紅棗

0引言

紅棗系鼠李科植物，具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和藥用價(jià)值，素有“維生素王”之美稱[1]。新疆地區(qū)地廣人稀，紅棗種植面積大，紅棗含水率的高低直接影響棗農(nóng)的經(jīng)濟(jì)利益。目前，基于國(guó)內(nèi)外對(duì)紅棗含水率及其電特性方面的關(guān)系研究甚少，因而本文對(duì)新疆地區(qū)駿棗的電學(xué)特性進(jìn)行研究，對(duì)紅棗深加工具有一定的理論指導(dǎo)意義。

自20世紀(jì)50年代第1篇關(guān)于谷物的介電特性[2]的研究報(bào)道以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的電特性進(jìn)行了深層研究。1988年，日本學(xué)者加藤宏朗在10～13MHz頻率范圍內(nèi)對(duì)水果研究，發(fā)現(xiàn)介電常數(shù)和水果內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，且測(cè)量結(jié)果和所選頻率密切相關(guān)[3]。1994年，Nelson 和Lawrence等利用電容測(cè)量法在1～5MHz頻段對(duì)單個(gè)大豆進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)介電常數(shù)隨果蔬種類不同而不同[4]。國(guó)內(nèi)研究起步相對(duì)較晚，張立彬等(1996)[5]在10～100kHz用破壞法對(duì)金帥蘋(píng)果進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著測(cè)量頻率的增大，蘋(píng)果果肉介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因子減小，但等效阻抗增大。鮑一丹等(2006)[6]利用介電特性對(duì)不同頻率下不同含水率的大豆的損耗角正切、等效電阻、等效電容等參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)大豆的最佳測(cè)試頻率是1kHz。蘭海鵬等[7]對(duì)成熟期的庫(kù)爾勒香梨進(jìn)行了電學(xué)研究，結(jié)果表明：在電壓0～1V的測(cè)量范圍內(nèi)，在測(cè)量頻率≤1kHz時(shí)，電感隨著香梨的成熟度增大而增大；當(dāng)測(cè)試頻率≥1kHz時(shí)，電感和電容則表現(xiàn)出無(wú)規(guī)則波動(dòng)。郭文川等[8]在1～1 000kHz范圍內(nèi)對(duì)薏米的含水率、溫度、相對(duì)介電常數(shù)、頻率之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)相對(duì)介電常數(shù)隨著信號(hào)頻率的增大而減小，隨著測(cè)量溫度和含水率的增大而增大。

由微觀世界可知：生物組織由細(xì)胞組成，細(xì)胞由細(xì)胞內(nèi)液、細(xì)胞外液及細(xì)胞膜組成。由于細(xì)胞內(nèi)液和外液含水率比較高，水又是極性分子，具有導(dǎo)電的性能，所以可以把細(xì)胞外液和內(nèi)液等效為電阻，而細(xì)胞膜的絕緣性較高，等效為電容。所以，在交變電流的作用下，細(xì)胞可以等效為電阻和電容的串聯(lián)或并聯(lián)模型，水果等生物組織呈現(xiàn)出一定的電學(xué)特性。基于以上理論，探究紅棗的含水率與各電參數(shù)的關(guān)聯(lián)性，可以為紅棗含水率的快速檢測(cè)提供新的思路和方法。

1試驗(yàn)材料、系統(tǒng)與方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用新鮮的紅棗來(lái)源于新疆阿拉爾塔里木大漠棗業(yè)基地，選用駿棗，2014年9月采摘，挑選果實(shí)新鮮、大小均勻、色澤基本一致，以及完全成熟的原料作為試驗(yàn)材料；用保鮮袋封裝存儲(chǔ)于攝氏5℃的冰箱里，以備試驗(yàn)。

1.2試驗(yàn)系統(tǒng)

本試驗(yàn)采用接觸式無(wú)損檢測(cè)方法，采用紅棗的縱向直徑直接接觸上下平行銅板(銅板直徑均為10mm)的接觸方式，測(cè)試系統(tǒng)為T(mén)H2828S型LCR測(cè)量?jī)x。夾持紅棗的夾具通過(guò)雙絞屏蔽線與電極板連接，兩電極板之間的間距可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)屏蔽箱外縱向螺桿進(jìn)行調(diào)節(jié)；當(dāng)兩極板間放入紅棗，兩極板與紅棗之間的夾持力度可以通過(guò)GWT-1型果品物理特性檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)，最后測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)LCR上的顯示屏直接顯示出。其它儀器設(shè)備：先行者CP3102型電子天平(精度為±0.01g)；TH2828S型LCR測(cè)量?jī)x；GWT-1型果品物理特性檢測(cè)儀；GZX-9140MBE型電熱鼓風(fēng)干燥箱。電特性試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　電特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

1.3試驗(yàn)方法

取大小適中，質(zhì)量為32.10g的單粒紅棗，測(cè)量條件為空氣濕度30% ，溫度20℃。設(shè)定測(cè)試電壓為1V，縱向夾持力0.1kg，測(cè)量在電源頻率(200、400、600、800、1 000Hz)、濕基含水率(61.99%、55.85%、48.26%、39.96%、28.78%)下紅棗的9個(gè)電參數(shù)的變化值，每組電參數(shù)測(cè)試3次取平均值作為試驗(yàn)的測(cè)量值。采用EXCEL和origin8.5.1軟件對(duì)試驗(yàn)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析，得出含水率在不同測(cè)試條件下與電參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性。

2數(shù)據(jù)處理與分析

測(cè)試因子水平編碼表及表考核指標(biāo)編碼表，如表1和表2所示。

表1　測(cè)試因子水平編碼表

2.1紅棗電學(xué)特性的判定

結(jié)合圖2和圖3中電抗X和阻抗角θ的變化可知：在夾持力度0.1kg下，紅棗的電抗X均在0值以下，由X=Xc+Xl(其中，Xc<0)的關(guān)系知紅棗呈容性的電學(xué)模型。同時(shí)從圖3可以看出：阻抗角θ一直處于0°以下，根據(jù)公式tanθ=X/R，驗(yàn)證了紅棗呈容性的電學(xué)模型。

表2　考核指標(biāo)編碼表

圖2　不同頻率下紅棗的電抗X隨含水率變化曲線

圖3　不同頻率下紅棗的阻抗角θ

2.2紅棗電學(xué)模型的確立

從圖4可以看出：當(dāng)紅棗含水率在55.85%時(shí)的復(fù)阻抗幾乎為0的條件下，假設(shè)紅棗模型為電阻和電容并聯(lián)模型。從圖5和圖6中可以看出：并聯(lián)等效電阻Rp和串聯(lián)等效電阻Rs均趨于0，并聯(lián)模型中電容被短接。在并聯(lián)等壓分流的情況下由公式U=I·Xc可知：當(dāng)流過(guò)電容的電流為0，并聯(lián)容抗值趨于無(wú)窮，與圖4中此時(shí)復(fù)阻抗Z接近于0不符；當(dāng)電阻和電容的串聯(lián)模型時(shí)，電源電壓不變，串聯(lián)等效電阻值在含水率為55.85%時(shí)趨于0，由于復(fù)阻抗也趨于0，那么串聯(lián)等效容抗必趨于0。根據(jù)容抗公式Xc=1/WC可知,此時(shí)串聯(lián)等效電容值會(huì)比較大，與圖7中所測(cè)量的串聯(lián)等效電容值相符合，可以得出紅棗模型為電阻和電容的串聯(lián)模型。

圖5　不同頻率下紅棗的并聯(lián)等效電阻Rp隨含水率變化曲線

圖6　不同頻率下紅棗的串聯(lián)等效電阻Rs隨含水率變化曲線

圖7　不同頻率下紅棗的串聯(lián)等效電容Cs隨含水率變化曲線

2.3電參數(shù)與含水率關(guān)系的確定

分析串聯(lián)模型中即圖4、圖6和圖7中的復(fù)阻抗Z、串聯(lián)等效電阻Rs、串聯(lián)等效電容Cs與含水率的關(guān)系。

由圖6可知：當(dāng)含水率大于55.85%時(shí)，各頻率下的串聯(lián)等效電阻Rs隨著含水率的減少而降低，當(dāng)含水率小于55.85%時(shí)，各頻率下串聯(lián)等效電阻Rs隨著含水率的減小趨于平緩，可以得出串聯(lián)等效電阻Rs和含水率的相關(guān)性不大。

圖7中各頻率下的串聯(lián)等效電容Cs在含水率48.26%～61.99%之間呈無(wú)規(guī)則變化，而在48.26%以下幾乎重合成一條直線，波動(dòng)趨近于0。原因是影響電容值的主要是紅棗自由水中的極性分子，隨著紅棗含水率的下降，極性分子越來(lái)越少，導(dǎo)致串聯(lián)等效電容Cs在含水率48%以下時(shí)最終趨向于0。 由此可知：串聯(lián)等效電容Cs和含水率的相關(guān)性不大。

圖4中各頻率下的復(fù)阻抗Z在含水率55.85～61.99%范圍內(nèi)隨著含水率的降低而減少，呈正相關(guān)性，當(dāng)含水率小于55.85%時(shí)復(fù)阻抗Z隨著含水率的降低而增大，可以得出復(fù)阻抗和紅棗含水率有很強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性。

2.4頻率對(duì)復(fù)阻抗Z的影響

由圖4可知：當(dāng)紅棗含水率大于55.85%時(shí)，頻率對(duì)一定含水率下的復(fù)阻抗Z影響不明顯；當(dāng)紅棗含水率小于55.85%時(shí)，隨著頻率的升高，復(fù)阻抗Z呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這是由于頻率升高，紅棗中的極性分子的變化跟不上外加電場(chǎng)的變化，最終導(dǎo)致電容C的下降。由公式Xc=1/WC和Z=R+Xc驗(yàn)證可知，試驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致。

3結(jié)論

運(yùn)用TH2828S型LCR測(cè)量?jī)x對(duì)紅棗電特性與含水率的變化進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果表明：紅棗的電學(xué)模型符合為電阻和電容串聯(lián)模型；紅棗的復(fù)阻抗Z與含水率的關(guān)聯(lián)性較大，在頻率1 000Hz以內(nèi)，可以用復(fù)阻抗來(lái)檢驗(yàn)紅棗的含水率，即在含水率55.85%以下，復(fù)阻抗隨著含水率的減少而增大；頻率會(huì)對(duì)復(fù)阻抗Z有一定的影響，且在含水率55.85%以下，復(fù)阻抗Z隨著電源頻率的升高而呈下降趨勢(shì)。本研究可為進(jìn)一步研究紅棗的電學(xué)特性提供一定的借鑒和參考，并為紅棗含水率的快速檢測(cè)奠定了理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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Experimental Research on the Electrical Characteristics of Xinjiang Junzao Moisture

Li Dawei1, Chen Chao2, Lan Haipeng1,Yi Xiaokang1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering,Tarin University,Alar 843300,China; 2.Xinjiang Alar Bureau of Quality and Technical Super Vision, Alar 843300,China)

Abstract：To explore the detection of moisture in Xinjiang jujube, paper uses TH2828S type LCR meter changes in the electrical properties of dates and water content were measured to analyze the different electrical characteristics change dates moisture frequency, and the establishment of the moisture content of electricity dates characteristic parameters of the model. Dates with whole pieces of test subjects, the power supply voltage 1V and longitudinal pressure (0.1kg) tested the low frequency (200Hz ～ 1000Hz) dates moisture variation of electrical parameters, test results show that: the moisture content of 55.85% or less, dates water content and the complex impedance Z is negatively correlated electrical parameters can be achieved by dates moisture detection.

Key words：detection; moisture content; electrical parameter

文章編號(hào)：1003-188X(2016)07-0212-04

中圖分類號(hào)：S125

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：李大偉(1987-)，男，山西長(zhǎng)治人，碩士研究生，(E-mail)6647341@163.com。通訊作者：弋曉康(1976-)，男，陜西華縣人，副教授，博士，(E-mail)yxkcn@163.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31260288)

收稿日期：2015-06-26