自動化棉包回潮率檢測技術(shù)初探

文/賈冬 吳志勇 謝代梁 徐志鵬

1 棉花回潮率檢測技術(shù)概述

棉花回潮率是指棉花中所含的水分與干纖維重量的百分比，回潮率過高不僅會增加棉花重量，而且會使棉花的性能指標(biāo)發(fā)生變化。因此在棉花的生產(chǎn)和流通中，回潮率檢驗(yàn)都是非常重要的環(huán)節(jié)[1-2]。

棉花回潮率的檢測方法可以分為直接法和間接法兩大類。直接法是通過烘干等方法獲得干燥的棉花樣品，并稱量干燥前后的重量計(jì)算得到回潮率，檢測準(zhǔn)確度高，但檢測過程費(fèi)時(shí)，需要天平、烘箱等試驗(yàn)設(shè)備，只適宜于實(shí)驗(yàn)室使用，不能滿足棉花收購現(xiàn)場的使用要求[3]；間接法是通過檢測與水分有關(guān)的物理量（例如電導(dǎo)率、介電常數(shù)等），間接地測定水分含量，一般速度較快，操作便利，典型的棉花水分間接測量方式有微波法、紅外線法、CCD（黑白攝像）法、電容法和電阻法等[4-6]。

在國外市場上比較常見的是日本棉花水分測試儀，采用高周波原理研制而成，具有測量水分范圍寬、體積小、重量輕、操作簡便等特點(diǎn)，可在現(xiàn)場快速測定被測物水分，但高周波的強(qiáng)穿透性使儀器的使用受到了一定的限制。韓國開發(fā)出了K-331K型便攜式棉花水分測定儀，它采用高頻率原理制成，但其售價(jià)昂貴，制約了在國內(nèi)的推廣普及。1998年由美國軋棉實(shí)驗(yàn)室研制的一種新型電阻式水分測試儀，具有快速準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，而且成本不高[7]。

我國從1901年就開始棉花回潮率的檢驗(yàn)與監(jiān)督工作。但我國棉檢儀器的研制比較遲，解放前只有幾種比較簡單的測定棉花水分雜質(zhì)等指標(biāo)的烘箱、顯微鏡、天平等，而且大部分都依賴進(jìn)口。1951年就研制成功了快速的棉花水分電測儀，傳統(tǒng)的“手估目測法”逐漸被電測器法取代。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是新型傳感器及元器件不斷涌現(xiàn)，儀器的技術(shù)水平得到了提高。近年來又研制出一批新型的棉花水分測量儀，包括Y412A、Y412B等型號，以及在此基礎(chǔ)上研制出的新型微機(jī)原棉水分測定儀BD-M6等型號，在檢測精度和速度上都有較大的提高[8-9]。

2 棉包回潮率自動檢測裝置的提出

目前在我國棉花收購、交接檢驗(yàn)部門廣泛使用手動式電阻型棉花水分測量儀器，該儀器主要由直流穩(wěn)壓電源、直流電壓變換、含水測量、溫差測量四部分電路組成，它的原理是測定棉纖維的電阻大小，間接地測定原棉的含水率：原棉含水率高時(shí)，其電阻值低，電流大；相反原棉含水率低時(shí)，其電阻值高，電流小。影響棉纖維的導(dǎo)電性能的主要因素除了含水率，還有溫度、密度和外加電壓等，為了消除溫度、密度和外加電壓等因素對測量含水率的影響，必須將棉纖維的密度和外加電壓固定，并附加溫度補(bǔ)償電路。

電阻法回潮率測定儀通常由兩個(gè)探測器和主機(jī)構(gòu)成（圖1所示），在檢測時(shí)由檢定人員將兩個(gè)探測器分別插入棉包，然后通過搭扣連接兩個(gè)探測器開始測試，測試結(jié)果通過主機(jī)以數(shù)字顯示以及語音播報(bào)等形式給出。其優(yōu)點(diǎn)是測試精度高，速度快，采用電池供電，具有較好的便攜性。

圖1 MBS-Z棉包回潮率測定儀

依據(jù)規(guī)定，棉花入庫時(shí)現(xiàn)場檢驗(yàn)人員需要按批隨機(jī)選取10%（19包）的棉包測試回潮率。在棉花集中入庫的季節(jié)，檢驗(yàn)人員每天需要測試80甚至上百批棉包，此外現(xiàn)場棉包擺放通常為3層6包一個(gè)單元，檢測第一層與第二層時(shí)需要彎腰操作。通過多個(gè)棉花倉庫走訪以及與檢定人員交流得知，目前的人工檢測方式存在以下一些問題：（1）探測器插入過程阻力大，而棉花倉庫現(xiàn)場溫度在冬天可低至－30℃以下，檢定人員勞動強(qiáng)度過高，很難適應(yīng)長時(shí)間連續(xù)檢定；（2）探測器兩次插入過程位置差異大，有較強(qiáng)的隨機(jī)性，偏差可達(dá)5cm甚至更高，導(dǎo)致檢測數(shù)據(jù)可信度下降；（3）插入過程探測器方向無法精確控制，探針方向偏離時(shí)插入阻力會顯著增大，且容易導(dǎo)致探針斷裂；（4）檢測數(shù)據(jù)需要人為逐個(gè)記錄，不能與棉包信息化系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，既增加了人力成本，也容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)記錄、輸入過程的偏差。

針對人工檢測方式的問題，本文提出一種棉包回潮率自動檢測裝置，以電阻法回潮率測定儀為基礎(chǔ)，針對新疆地區(qū)復(fù)雜的室外工況以及棉花倉庫現(xiàn)場供電不便等情況，設(shè)計(jì)能適應(yīng)低溫工況的電池供電伺服運(yùn)動系統(tǒng)，整合數(shù)據(jù)處理單元，實(shí)現(xiàn)檢測位置與插入深度的精確定位，極大降低檢測人員的勞動強(qiáng)度，并提高檢測結(jié)果的一致性。

3 棉包回潮率自動檢測裝置初步方案

自動檢測裝置總體構(gòu)成如圖2所示，主要由以下幾個(gè)單元構(gòu)成：（1）回潮率測定儀，由手動操作版本改造而來；（2）機(jī)架與伺服運(yùn)動機(jī)構(gòu)，包括能實(shí)現(xiàn)檢測高度調(diào)節(jié)的升降軸以及控制探測器進(jìn)出的水平軸；（3）信息處理單元，實(shí)現(xiàn)包括條碼讀取以及檢測數(shù)據(jù)記錄、與檢測數(shù)據(jù)庫的交互等功能；（4）中心控制單元，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各單元的協(xié)同工作；（5）電池供電單元。

圖2 自動檢測裝置總體構(gòu)成圖

伺服運(yùn)動機(jī)構(gòu)升降軸和水平軸主要參數(shù)如表1所示，機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3所示，在底部配置有萬向滾輪，檢測時(shí)將該裝置推至棉包正面，選擇棉包檢測層數(shù)后升降軸將檢測位置調(diào)整至對應(yīng)的棉包，然后依次啟動兩個(gè)水平軸的電機(jī)將探測器插入棉包，獲取檢測數(shù)據(jù)后拔出探測器。一次完整的檢測預(yù)計(jì)可在20s以內(nèi)完成，檢測人員僅需選擇按鍵即可完成全部工作。

圖3 自動結(jié)構(gòu)裝置外形示意圖

表1 伺服運(yùn)動機(jī)構(gòu)主要參數(shù)

4 小結(jié)

棉花回潮率現(xiàn)場檢測過程存在勞動強(qiáng)度大、檢測數(shù)據(jù)容易產(chǎn)生偏差等缺點(diǎn)，本文提出的棉包回潮率現(xiàn)場自動檢測裝置，結(jié)合了電阻法電測器成熟可靠與伺服運(yùn)動機(jī)構(gòu)定位準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，利用電池供電，針對低溫工況設(shè)計(jì)，單次檢測預(yù)計(jì)可在30s以內(nèi)完成。其成功研制對于降低纖檢人員的勞動強(qiáng)度，提高檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性將有顯著作用。