批式循环谷物烘干机在线水分测试方法探讨

安徽省农业机械试验鉴定站

□ 潘汪友 徐凯 周翔

在批式循环谷物烘干机作业过程中，要求根据谷物的实时含水率，提供合适的热风温度和热风流量，完成烘干作业。因此，在线测试谷物含水率，就成为实现自动烘干并满足优化烘干工艺的必要条件。

一、研究背景

1.问题提出

各品牌批式循环谷物烘干机均配备了间接法水分测试仪，主要有电容式和电阻式，但实际使用中存在各种问题：举例说明，仪器对不同品种谷物含水率测试的适用性差，适用于小麦的在测试水稻和玉米的含水率时，误差很大；即使是同一种谷物，不同批次和不同品种的测量结果一致性也差；同一批次的谷物，不能兼顾高含水率和低含水率时的测量精度。在烘干作业过程中，用户要么使用外置水分测试仪测试含水率，在烘干过程中通过人工方式，多次输入调整后的含水率；要么根据以往经验，预估烘干过程中各时间段的谷物含水率，在烘干作业开始前，输入经验参数，来实现烘干作业自动化。烘干机自带的在线水分测试装置因为测试误差大、适应性差，难以使烘干作业实现自动化，主要依靠经验和人工测试来完成。这是当前国内烘干作业的普遍现象。

2.原因分析

按测试原理，谷物含水率测试分为直接烘干法和间接法。直接烘干法是GB/T 5262 《农业机械试验条件 测定方法的一般规定》中关于籽粒水分测试的标准方法，通过加热蒸发谷物中的游离水和结合水，计算蒸发水分量在湿物料中的占比，计算谷物含水率。这种方法克服了非水物质对测试结果的影响，具有普适性好、测量结果准确、一致性好等优点，缺点是测量时间较长，现在大多应用于实验室或对时效性要求不高的场所，目前市场上尚未见使用这种方法作为在线水分测试的谷物烘干机，多数在线测试使用测量时间较短的间接法。

间接法基本原理是：通过特定物理量对谷物中水的敏感系数和谷物中非水物质敏感系数的不同，来测量谷物水分。举例说明，电容法理论依据是，谷物中干物质的相对介电常数范围在2—5之间，而水的相对介电常数在70左右。因为水的介电常数相对其它物质高出很多，含水率不同的谷物，综合相对介电常数不同，因此，相同密度和几何形状的谷物电容值也不同。可以通过测量电容值，测量谷物含水率。由此可见，间接法要求谷物中非水物质介电常数是一个常量或相对稳定，才能保证测量结果的一致性和准确性。在对品种及品质一致性好的谷物进行水分测量时，间接法能达到较好效果。如在欧美等大农场，作物品种、种植环境和作物的成熟度等物料特性差异较小，可以实现测量时仪器的一次校准，多批次重复使用。

目前国内烘干企业谷物来源分散，大多从不同农户收购，当谷物累积到适合烘干机作业批次时集中烘干。各农户分散种植，作物品种不同，谷物含水率不同，成熟度不同，收割后作物破碎率不同，含杂率不同，导致烘干作业中各批次谷物差异性大。在烘干过程中，谷物中的粉尘和其它碎小物质被排出机外，谷物的非水物质会不断发生变化。以上种种因素，导致每批次烘干谷物的非水物质介电常数不同，并不断发生变化，导致当前采用间接法作为在线水分测试的谷物烘干机，水分测试普遍失真，适应性不强，无法满足烘干工艺要求。

二、直接烘干法作为水分在线测试的可行性探讨

1.批式循环谷物烘干流程及含水率测量精度要求

如图1所示，以上流程中批式循环谷物烘干机先上粮，上粮时间与提升机生产率（单位时间内提升的谷物质量）成反比，不同品牌烘干机，提升机生产率的设计值略有不同，基本为批处理量/h左右。由此推算，上粮时间在1h左右。上粮完成后，谷物进入烘干和缓苏循环。在谷物的一次循环中，缓苏和烘干的循环时间与拨粮轮的生产率（单位时间内从烘干层排出的谷物质量）成反比。为了防止物料堵塞，批式循环谷物干燥机要求拨粮轮的生产率必须小于提升机生产率，也就是说，缓苏时间和烘干时间之和应大于上粮时间（1h）。缓苏时间和烘干时间比值叫缓苏比。对批式循环烘干机来说，缓苏比等于烘干机的缓苏容积与烘干容积之比，是一个定值。水稻和小麦的烘干工艺要求缓苏比应大于5:1。由此推算，缓苏时间应大于50分钟。

图1 批式循环烘干作业流程

图3 直接烘干法在线水分测试仪的基本结构

在谷物进入烘干层时，要根据谷物含水率调整烘干层的热风温度及流量，在整个烘干工艺中，对含水率测量准确度要求分几段：当谷物含水率大于25%时，要求测量准确度小低于3%；在谷物含水率为25%—18%时，要求准确度小低于1%；在谷物含水率为16%以下时，要求测量准确度小低于0.5%。总的来说，含水率测量准确度小于0.5%时，就可以满足烘干作业全过程的工艺要求。

2.准确度测量0.5%含水率所需时间

按照GB/T 5262 《农业机械试验条件 测定方法的一般规定》要求，在谷物含水率大于18%时，不允许对谷物破碎，在含水率低于18%时，可对谷物破碎后烘干。在恒定温度下，含水率测量值和时间的关系曲线如图2所示。

图2 含水率测量值和时间的关系曲线

由图2可知，在谷物高水分时，烘干速度快，降水速率大；在低水分时，降水速率会越来越小，V1＞V2＞V3。对玉米、水稻和小麦三种作物，各选取25个含水率为35%的样本，依据GB/T 5262的试验方法，测得的t1、t2及t3的最大值（表1），在50分钟内，可以得到测量准确度不低于0.5%谷物含水率。

3.直接烘干法在线水分测试仪的基本结构

依据图3，含水率测试流程如下：（1）取样器取样到整粒谷物托盘，测量重量Z1。（2）根据谷物品种对整粒谷物进行定时烘干，使谷物含水率低于18%，测量重量Z2。（3）破碎谷物，测量破碎谷物重量S1。（4）根据谷物品种对破碎谷物定时烘干，测量重量S2。按以下公式计算谷物含水率。

三、结论

由上可知，按照含水率0.5%准确度要求，结合批式循环谷物烘干机的作业流程，直接烘干法可以满足批式循环谷物烘干机的时序要求。

直接烘干法也可能存在以下问题：（1）测试仪采用的重量传感器对作业环境中的振动敏感度高。（2）在缓苏阶段测试含水率，因为时延问题，所测试的含水率和物料批次的对应性，需要结合拨粮轮的生产率来匹配，因而对烘干机的控制系统提出了更高要求。作者对以上问题进行了一些思考，并形成了一些解决思路，如：振动可以通过提高采样频率，以平均值代替瞬时值的方法来克服。批次的选择可以通过在高水分测试时，通过降水速率甄别。本文意在为谷物烘干机在线含水率测试提供一种解决思路。