谷物水分仪采样机构的试验研究与参数优化

陈阳 胡志超 吴惠昌 于昭洋 王申莹

摘要：针对目前谷物水分仪相关研究较少且测量精度不高等问题，通过试验对水分仪采样机构进行了参数优化。首先利用实验室电烘箱法对水稻各个水分梯度的实际值进行标定，运用水分测定值与实际值相对比的方法，以平均相对误差为指标，分别对输送辊螺距、碾压辊花纹以及电机转速进行了单因素试验；在单因素试验的基础上，运用 L9（34） 正交表进行了正交试验，得出3因素的主次因素顺序与最佳因素排列组合。研究表明：影响水分值测定的主次因素顺序是电机转速、碾辊花纹和输送辊螺距。电机转速225 r/min、碾压辊花纹为网纹m0.4、输送辊螺距 8 mm 时为单因素试验最优值。最佳因素组合是C2B3A1，即电机转速为225 r/min、碾辊花纹为网纹m0.4、输送螺距为8 mm。

关键词：水分仪；采样机构；水分测定；参数优化

中图分类号：S237 文献标志码：

文章编号：1002-1302（2016）08-0443-04

随着我国农业现代化特别是农业机械化收获水平的提高，人们对谷物干燥机械化的需求越来越大，谷物干燥机械化对于谷物的抢收以及阴雨天干燥具有非常重要的作用。谷物水分在线检测是谷物干燥机械化中必不可少的环节，但由于我国谷物水分在线检测技术的不完善，每年有大量的粮食因水分过高而霉变浪费，每年损失高达300亿～600亿元，而采样机构是水分检测仪的重要组成部分，采样机构工作的可靠性与结构参数的合理性会直接影响水分在线检测的精确程度。

目前国内对于谷物水分在线检测采样机构缺乏系统的研究，水分在线检测设备主要还是依赖进口，针对以上问题本研究提出的谷物水分检测采样机构的试验研究与参数优化对于我国谷物水分在线检测具有一定的参考意义[1-4]。

1试验方案

1.1采样机构组成与工作原理

谷物水分仪采样机构由采样室和检测室组成，2室用隔板隔开，保证2室工作独立、稳定。图1为简化后的采样机构的示意图。其底座长184 mm、宽140.5 mm、高 20 mm。输送辊纵向轴长50 mm，碾压辊直径55 mm。工作时，利用谷物烘干机内提升机的转动使物料飞溅到输送辊上，输送辊为啮合异向双螺杆结构，利用输送辊的啮合转动把物料平稳均匀地送入喂料口，物料沿导料槽滑入2碾压辊之中，当物料被碾压时双碾压辊被导通，电信号传入中央处理器并按照特定的数学模型进行水分值的计算[5]。

1.2試验仪器与材料

试验材料主要有：（1）PDPF2000型水分仪，搭载DC12V电机，水分测量范围：10%～40%，温度：0～50 ℃。（2）高速粉碎机，高速均匀地粉碎物料，尽量避免受空气中水分的影响，所用型号是JFSD-100Ⅱ。（3）恒温烘箱，选用电热鼓风干燥箱，由恒温调节器控制，保证物料在恒温条件下干燥，所用的型号为HG101，南京实验仪器厂生产，最高温度300 ℃，加热功率2 kW。（4）UTP3000电子天平，最大称量质量6 kg，最小称量质量0.5 g。（5）基于电阻式测量的食品干燥控制系统一套，实现对水分仪的在线控制与数值显示，在实现100粒水稻水分检测后自动终止水分仪工作并显示平均水分值。〖LM〗（6）选用谷物为武粳13号水稻，具体物理参数[6]见表1。（7）直流电机调速器，实现对直流电机的调速功能。（8）其他试验材料：样品盒若干，药勺1把，标签纸等。

1.3试验方法

目前谷物直接烘干有很多方法，如烘干箱法、快速失重法、减压法、红外加热法等。根据GB/T 3543.6—1995《谷物水分检测规程》，本试验利用电烘箱法测量样品的水分。试验方法如下：将一批水稻样品分组，按照不同的烘干时间制备不同水分梯度的水稻样品，利用实验室烘干箱法测出各组样品的真实水分值，再利用本试验的水分仪对制备后的水稻进行水分测定。以水分值的平均相对误差为指标，根据其设计经验及工作原理，对输送辊螺距、碾压辊花纹和电机转速3因素进行单因素试验；再以单因素试验为基础，变换不同的结构参数进行正交试验，比较测得的水分值与真实水分值并加以数据分析[7-9]。

1.4试验准备

（1）样品盒质量：取2个干净的样品盒置于105 ℃烘干箱内烘30～60 min后取出置于干燥室冷却，待温度降至室温时测出其质量，再将其置入烘干箱内烘30 min，至2个称量的质量结果差值小于0.005 g时，视为样品盒恒质量[10]。

（2）水分梯度的制备：将一批水稻样品按5组、每组2份进行组别编号，之后均匀平摊在样品盒内，置于（103±2） ℃烘干箱中干燥，样品编号与烘干时间见表2。每组样品烘干结束后取出放入干燥室内，冷却至室温后对其进行称质量[11]。

注：每組中一份用于真实水分值的检测，另一份用于水分仪检测。[FK）]

（3）真实水分值的测量：上述步骤后，各取出每组中用于真实水分检测的水稻样品，利用高速粉碎机进行磨碎，磨碎细度达到水分检测规程要求之后（至少有50%的磨碎成分可通过0.5 mm筛孔金属丝筛，而留在1.0 mm筛孔金属丝筛子上的不超过10%），再次放入烘干箱内，使箱温在5～10 min内回升至（103±2） ℃时开始计算时间，烘4～8 h后取出，待冷却至室温时进行称质量[12]。根据烘干前后失去的质量由式（1）计算出水稻水分的百分比，检测结果如图2。

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

式中：X为样品真实水分值（%）；m0为样品盒恒质量（g）；m1为水分制备后样品及盒质量（g）；m2为磨碎烘干后样品及盒质量（g）。

由图2可知，水稻含水率并非随着时间的增加呈线性递减的关系，在烘干1 h时，水稻含水率有所下降，该阶段水稻处于预热状态，水分子活动并不剧烈，所以水分降幅不大；随着烘干时间的增加，在2～4 h时，水分子受热运动加剧，水稻中大部分水分在该阶段蒸发出来，含水率明显下降；在4～5 h阶段，水分干燥速率减缓[13-14]。

2单因素试验

2.1输送辊螺距ds

输送辊螺距ds对采样的单粒性、水分仪工作的稳定性与水分值计算的精确性有着显著影响，为了研究输送辊螺距对水分检测的影响，试验中分别设置了8、10、12 mm 3种不同螺距的螺杆（如图3从左到右所示），以水分值作为指标进行试验，根据式2计算得出每组检测数据与标准水分数据之间的平均相对误差与最大相对误差，比较3组数据的统计结果得出最佳输送螺距。试验结果见表3。

式中：σ[TX-5]为平均相对误差；Δ为绝对相对误差；l为实际值；n为测量值个数。

由表3知，当螺距为8 mm时，平均相对误差σ[TX-5]与最大相对误差σmax分别为0.446%和0.68%，且σ[TX-5]<[σ]=0.5%，符合规定的水分仪检测误差标准，在以上3组试验结论中参数为 8 mm 螺距输送时误差最小。由试验过程可以看出，螺距越大，输送速度越快，在单位喂入量一定的情况下，大螺距输送在进料口处易出现物料拥堵、进料不连续且单次多粒进料的情况，采样单粒性较差，反之，8 mm小螺距进料连续且单粒性较好，致使检测所得水分值最为接近实际水分值。

2.2碾压辊花纹

谷物的碾压是采样过程中一个必不可少的环节，而碾压的充分性是碾压过程中一个较为显著的工作指标。所谓碾压充分性是指水稻颗粒在碾压过程中保持稳定且受压面为水稻颗粒整体，碾压之后稻壳与稻米保存完整，碾压厚度均匀且一

4结论

在不同水分梯度的水稻样品制备中，本研究根据不同的烘干时间来实现水分梯度的形成，避免了以往试验中直接对样品喷水法中因水分吸收不完全所带来的试验误差。由水分梯度折线图可知，水稻干燥中，水分下降的速率是由慢及快再到慢的一個过程，在前2 h的干燥中水分降幅不大，3～4 h 时水分蒸发速率加快，之后趋于平缓。

本研究分别对输送辊螺距、碾压辊花纹及电机转速进行了单因素试验，3个因素均对测定水分值的平均相对误差具有一定的影响。由试验数据可得，输送辊为8 mm时，采样机构的采样单粒性最佳，测得水分值的相对误差最小；碾辊花纹为网纹时，碾压充分性最佳，水分测定的相对误差最小；电机转速为225 r/min时，输送与碾压效果组合达到最优，测得水分的相对误差最小。

在单因素试验的基础上，对以上3个因素进行了正交试验并利用极差分析得出在电机转速为225 r/min、碾辊花纹为网纹、输送螺距为8 mm时水分测定更加接近真实值并利用验证试验验证了最优组合的正确性与科学性。

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