介電特性在糧食水分檢測中的應(yīng)用

尹麗妍 吳文福 張亞秋

(吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，長春 130022)

介電特性在糧食水分檢測中的應(yīng)用

尹麗妍 吳文福 張亞秋

(吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，長春 130022)

針對介電特性在糧食水分檢測中的廣泛應(yīng)用，全面介紹了影響糧食介電特性的5個因素，包括糧食含水率、空氣濕度、測試頻率、溫度和容重，其中含水率影響介電特性的變化最大，這是以介電特性作為檢測糧食水分的主要原因;另外分別介紹了這些影響因素對介電特性的影響情況。系統(tǒng)地闡述了國內(nèi)外對介電特性在糧食水分檢測研究中的發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了介電特性在非常規(guī)條件下——如糧食真空干燥中的應(yīng)用，并指出目前糧食介電特性在水分檢測研究中存在的問題和今后的發(fā)展趨勢。

介電特性 糧食 水分檢測 真空干燥

糧食水分的檢測方法概括起來可分為無損檢測和有損檢測兩大類。利用介電特性來檢測糧食水分是無損檢測重要方法之一。糧食是介于導(dǎo)體和絕緣體之間的電介物質(zhì)，在外電場作用下呈現(xiàn)出一定的介電特性。近年來，對糧食介電特性的研究非常廣泛，它對糧食水分的無損和快速檢測的實現(xiàn)有著重要的意義。而對物料介電特性的研究主要包括對相對介電常數(shù)、損耗因數(shù)和損耗角正切的研究，其中相對介電常數(shù)反映了物質(zhì)儲存電場能量的能力，符號ε″;損耗因數(shù)反映物質(zhì)消耗電場能量的能力，符號ε″;損耗角正切反映物質(zhì)能量損失特性，是電容和電阻的綜合反映，符號tanδ［1］。

1 糧食介電特性的影響因素

1.1 糧食的含水率和環(huán)境空氣濕度

水分是影響糧食介電特性的重要因素，糧食中的水分可分為自由水和結(jié)合水。其中結(jié)合水不參加導(dǎo)電，但電特性分析時它仍保持強極性分子的介電特性［2］。在低水分情況下，糧食中的水基本都是結(jié)合水，在高水分下，自由水占主導(dǎo)地位。從電磁理論分析，糧食的介電特性是由糧食的各種成分及其分子結(jié)構(gòu)的電特性所共同決定的，但大量試驗測量表明，失去自由水的干燥糧食，相對介電常數(shù)很小，因此糧食的介電特性主要取決于自由水水分含量［3］。在低頻下，自由水的介電常數(shù)接近80，而結(jié)合水的介電常數(shù)為4.5到5.0［4］，可安全儲存谷物的介電常數(shù)一般為2～3，不同水分的糧食經(jīng)過電容傳感器，由于自由水含量不同，使電容傳感器內(nèi)介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生變化［5］，這就為通過對介電特性的測定而確定糧食含水量提供了理論根據(jù)，可實現(xiàn)快速檢測。

另外空氣濕度對介電特性也有一定影響，在干燥過程中，由于糧食內(nèi)部水分的排出，使得傳感器周圍的空氣濕度加大，介電常數(shù)變大［6］，使得測量結(jié)果偏大，需要在計算水分的數(shù)學(xué)模型中引入空氣濕度因素對糧食水分進行補償。

1.2 外加電場的測試頻率和溫度

介電常數(shù)隨測試頻率的增加而降低，這是因為糧食中的極性水分子在施加激勵信號后，偶極子就會伴隨電場的轉(zhuǎn)動而取向，伴隨頻率的增加，偶極子由于趕不上電場的變化而產(chǎn)生時間延遲，表現(xiàn)為介電常數(shù)的減小。損耗角正切則隨頻率增加而可能增加或減小，這要根據(jù)不同作物或含水率而定［1］。

對于同一含水率的樣品，電容量受溫度變化的影響較大，溫度越高，電容量變大，導(dǎo)致ε'變大，不同溫度下，ε'－M(水分)曲線的上升速率不同，ε″和tanδ與溫度的正負相關(guān)性取決于當時的頻率、含水率［7－9］。試驗過程中須在不同溫度下測量介電特性的變化，從而進行溫度補償。

1.3 容重(物料密度)

容重即單位容積內(nèi)物料的質(zhì)量。糧食容重的不同，致使顆粒間的空隙不一樣，也就是計算介電常數(shù)時空氣介電常數(shù)所占的比例發(fā)生變化，所以不同容重的糧食測量會產(chǎn)生測量誤差。Shahab Sokhansanj［10］以3.4%～24.2%含水率的整粒加拿大紅硬冬小麥為研究對象，測試頻率為1、18、300和2450 MHz，建立了關(guān)于介電常數(shù)和容重求水分的方程式，發(fā)現(xiàn)容重對小麥的介電常數(shù)影響較大，而對介電損耗影響較小。Nelson［11］在研究顆粒狀作物介電特性與容重的關(guān)系后，得出顆粒狀物料的介電常數(shù)平方根和立方根是容重的線性函數(shù)。試驗過程中對同一樣品需重復(fù)多次確保糧食容重的差別不大，從而減小測量誤差。

2 介電特性用于糧食水分檢測的研究進展

2.1 國外研究現(xiàn)狀

國外學(xué)者對介電特性的研究以Nelson、Kandala和Trabelsi Samir為代表，他們在介電特性方面做過大量的試驗研究，研究包括利用平行板技術(shù)研究了1～5 MHz間單粒玉米的阻抗，證明了介電常數(shù)與含濕量之間的關(guān)系，介電常數(shù)隨玉米含水率的升高而變大，并開發(fā)了單粒玉米的射頻阻抗而計算含濕量的樣機［12］;在頻率為2.45、11.5、22 GHz下，提出了用無線電頻率對微粒物料的濕度和容積密度分別進行在線檢測的方法，發(fā)現(xiàn)介電常數(shù)和損耗因數(shù)都分別與容重和水分呈正線性相關(guān)［13－14］;利用介電光譜檢測10 MHz到1.8 GHz范圍內(nèi)硬紅冬小麥的介電特性，發(fā)現(xiàn)介電常數(shù)和介電損耗角都隨頻率的增加而減少，隨含水率和溫度的增加而增加［15］;通過介電常數(shù)的標度函數(shù)來檢測顆粒狀物料的水分而不考慮容積密度影響，開發(fā)出適用于工業(yè)生產(chǎn)的水分傳感器［16］;頻率在2～18 GHz，溫度在－80～10℃條件下，對紅冬小麥做了結(jié)合水介電特性的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)每種小麥樣品在單一頻率、－20℃下其介電常數(shù)和損耗因數(shù)都隨溫度線性增大［17］;以小麥、燕麥、玉米和大豆、有殼和無殼的花生為研究對象，認為介電常數(shù)和損耗因數(shù)二者與容重的比值間存在正線性相關(guān)關(guān)系［18－20］;研究小麥、玉米等在2～13 GHz的介電特性，發(fā)現(xiàn)介電常數(shù)和損耗因子隨頻率增大降低并隨密度、含水率和溫度增大而線性增大［21］;做了在5～15 GHz頻率范圍內(nèi)室溫條件下，小麥中非平衡水的介電反應(yīng)的研究，發(fā)現(xiàn)在初始階段介電常數(shù)和損耗因數(shù)都存在明顯的陡降［22］。

Berbert P A和Stenning B C［23］研究在線檢測冬小麥水分，得出在0.5 MHz其水分與(ε'－1)/ε″線性相關(guān)，而(ε'－1)/ε″與物料流速相關(guān);Berbert P A等［24］對用于檢測菜豆含水率的三種介電模型進行了研究，發(fā)現(xiàn)三個模型都與菜豆的密度有關(guān)，但公式在菜豆收獲后期的操作中在預(yù)測含水率上沒有產(chǎn)生預(yù)期的效果;Kandala C V［25］以黃玉米為研究對象，在1～5 MHz頻率范圍內(nèi)，利用平行極板電容系統(tǒng)測量電容、阻抗和相位差，得到含水率與電容、阻抗和相位差的三元二次關(guān)系，電容越大，含水率越高，阻抗和相位差對含水率的影響通過具體情況而定，該方法可用于測量如花生類的帶殼堅果。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

沈以煦［26］研究了利用變 Q值法測量水稻、小麥、油菜籽3種物料介電特性，研究發(fā)現(xiàn)介電常數(shù)與物料含水率呈線性相關(guān)，且當含水率一定時，物料的介電常數(shù)隨頻率的下降增大，損耗角正切隨頻率的增大呈下降趨勢，隨含水率的減小其下降趨勢減緩。徐保江等［27］對水稻、玉米和大豆的含水率進行了測試，得出了物料的介電特性與含水率之間的函數(shù)關(guān)系主要與物料的品種有關(guān)，由于介電常數(shù)隨含水率的增大而增大，使電壓比(空氣為介質(zhì)時的電壓和物質(zhì)為介質(zhì)時的電壓)也隨含水率的增加而變大。程衛(wèi)東［28］根據(jù)介質(zhì)介電常數(shù)變化引起電容式傳感器振蕩頻率的變化來測量谷物水分，建立在定流量條件下谷物水分同電容傳感器振蕩頻率、谷物溫度相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，認為水分與電容傳感器電容值的變化互為單值函數(shù)，并做了溫度補償。李振濤等［29］研究了糧食水分傳感器電容變化量與糧食水分、溫度、緊實度及糧食品種的關(guān)系，測試結(jié)果表明，當溫度升高時，電容量將增大，檢測電路的輸出電壓隨之升高;糧食水分越大，糧食的緊實程度越小。郝曉莉等［30］通過對水稻、玉米和大豆3種物料介電特性的研究，得出了空氣為介質(zhì)和物料為介質(zhì)電阻兩端的電壓比與物料含水率之間的關(guān)系，若測出未知含水率物料的電壓比，利用方程可得出相應(yīng)的含水率。劉嫣紅等［31］以水稻、玉米、小麥為研究對象，研制了一種電容式谷物水分傳感器，認為谷物含水率較低時，該傳感器的測量結(jié)果非常穩(wěn)定，對于高水分谷物，測量結(jié)果波動較大，影響精度。阮歡［32］等研制了一種電容式稻谷含水率測試儀，該測量儀的測量精度在很大程度上取決與激勵頻率的大小，并得出100 MHz的激勵頻率下稻谷含水率與峰值電壓的單調(diào)關(guān)系最優(yōu)。

由以上分析可知，國內(nèi)外學(xué)者在利用物料介電特性在檢測水分方面的應(yīng)用已取得了一定的理論和應(yīng)用成果，且在不斷地深入研究，但尚缺乏非常規(guī)條件下(如真空等條件下)利用介電特性對糧食水分測控的分析。

3 介電特性在真空干燥技術(shù)中的應(yīng)用

干燥是糧食收獲后的重要單元操作，干燥條件的好壞直接影響到干燥后糧食的品質(zhì)，對糧食的質(zhì)量及后序的深加工起著決定性的作用。目前，我國干燥機大多采用的是熱風(fēng)干燥機，存在干燥速度慢、干燥后品質(zhì)差等缺點，而真空干燥技術(shù)除能降低使水分蒸發(fā)的溫度，使糧食在低溫條件下就能達到較好的干燥效果外，還因為壓力梯度的存在可以加快干燥速度，減少干燥時間，并具有環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點。低溫真空干燥技術(shù)在糧食干燥方面的應(yīng)用是該技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的新突破［33］。

而糧食真空連續(xù)干燥屬非常規(guī)條件下的生物多孔介質(zhì)的傳熱和傳質(zhì)過程，其過程的測控是該項技術(shù)推廣應(yīng)用的瓶頸之一。對糧食真空干燥過程實時測控的研究，可從真空條件下生物多孔介質(zhì)的介電特性研究出發(fā)，揭示介電特性參數(shù)與介質(zhì)溫度、真空度等的關(guān)系，可提出糧食水分在線檢測、滾動預(yù)測和實時控制的方法，目前尚未見直接相關(guān)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的報道。

從2008年起，本項目組展開了對糧食低溫真空干燥介電特性的研究，研究發(fā)現(xiàn)由于真空度的介入，使其與常規(guī)下的介電特性不同。在真空環(huán)境下，隨真空度的變化，使真空箱內(nèi)空氣稀薄程度不同，真空環(huán)境下壓強的變化很容易影響到真空箱內(nèi)的偶極子，引起偶極子間碰撞頻率的變化，從而導(dǎo)致介電常數(shù)的變化。在真空干燥糧食水分測控中，利用介電特性的變化規(guī)律，進行非線性補償和溫度補償，以實現(xiàn)介電特性在新技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

4 利用介電特性研究谷物水分的發(fā)展趨勢

針對國內(nèi)外對谷物介電特性的研究技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀，認為將出現(xiàn)如下的發(fā)展趨勢。

(1)提高電容式谷物水分傳感器測試的準確性和重復(fù)性。開發(fā)多品種、工作穩(wěn)定、適應(yīng)性強、操作方便、控制精度高的糧食水分檢測系統(tǒng)，并推廣應(yīng)用。通過國內(nèi)外現(xiàn)狀的分析發(fā)現(xiàn)，盡管前人在介電特性水分測量方面研究比較多，但方法缺乏標準化，應(yīng)建立糧食介電特性研究成果數(shù)據(jù)庫，使眾多研究成果的測量方法標準化，并不斷積累和改善。

(2)利用非線性、智能理論發(fā)展具有自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)能力的實際測量過程來描述和谷物水分變化的數(shù)學(xué)模型，以方便實際干燥過程的監(jiān)測、預(yù)測和控制。研究有效的數(shù)據(jù)融合技術(shù)，通過對多個物理量檢測并利用大量的試驗數(shù)據(jù)，找出多因素間的數(shù)學(xué)模型，使檢測水分值更準確。利用計算機建立系統(tǒng)辨識，減小誤差，實現(xiàn)高智能化檢測。

(3)拓展到非常規(guī)條件下的物料介電特性的分析，如在真空干燥等過程中，建立非常態(tài)、新環(huán)境下的介電特性與糧食水分的關(guān)系，并建立干燥過程中非破壞性、連續(xù)性控制模型。

5 結(jié)論

目前，糧食介電特性應(yīng)用的研究領(lǐng)域正在拓寬，研究品種不斷增多，測試方法和手段日益完善，測試頻率范圍不斷擴大?；诮殡娞匦缘睦碚摲治龊蛯嶋H應(yīng)用已趨向成熟化，但目前的研究僅限于對常規(guī)狀態(tài)下物料介電特性的研究，可利用現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)實現(xiàn)介電特性對非常規(guī)下糧食水分的無損快速檢測的深入研究，如真空干燥過程中，由于真空度影響因素的存在，使介電特性的變化規(guī)律發(fā)生變化，需要重新建立介電特性和水分的關(guān)系，實現(xiàn)真空干燥下的糧食水分的動態(tài)檢測。

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Applying Dielectric Properties in Determination of Grain Moisture

Yin Liyan Wu Wenfu Zhang Yaqiu
(Schools of Biological and Agricultural Engineering，Jilin University，Changchun 130022)

Aiming at the wide application of dielectric properties in detecting grain moisture content，this paper introduces five influencing factors on grain dielectric properties，including grain moisture，air humidity，measuring frequency，temperature，and bulk density.Moisture is the main influencing factor and this is the reason for detecting grain moisture by using dielectric properties.The influences of these factors on the dielectric properties are introduced.The research progress in applying dielectric properties for determining grain moisture is summarized.Moreover，application of dielectric properties in grain vacuum drying is introduced.Problems existing in domestic research in this fields and development trend in the future in China are discussed.

dielectric properties，grain，moisture determine，vacuum drying

S126 文獻標識碼:A 文章編號:1003－0174(2010)11－0119－05

國家自然科學(xué)基金(30871443)

2009－10－15

尹麗妍，女，1983年出生，博士，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能控制理論與技術(shù)

吳文福，男，1965年出生，教授，博士生導(dǎo)師，農(nóng)業(yè)機械測試與控制技術(shù)、智能機械