谷物水分儀采樣機構的試驗研究與參數優化

陳陽 胡志超 吳惠昌 于昭洋 王申瑩

摘要：針對目前谷物水分儀相關研究較少且測量精度不高等問題，通過試驗對水分儀采樣機構進行了參數優化。首先利用實驗室電烘箱法對水稻各個水分梯度的實際值進行標定，運用水分測定值與實際值相對比的方法，以平均相對誤差為指標，分別對輸送輥螺距、碾壓輥花紋以及電機轉速進行了單因素試驗；在單因素試驗的基礎上，運用 L9（34） 正交表進行了正交試驗，得出3因素的主次因素順序與最佳因素排列組合。研究表明：影響水分值測定的主次因素順序是電機轉速、碾輥花紋和輸送輥螺距。電機轉速225 r/min、碾壓輥花紋為網紋m0.4、輸送輥螺距 8 mm 時為單因素試驗最優值。最佳因素組合是C2B3A1，即電機轉速為225 r/min、碾輥花紋為網紋m0.4、輸送螺距為8 mm。

關鍵詞：水分儀；采樣機構；水分測定；參數優化

中圖分類號：S237 文獻標志碼：

文章編號：1002-1302（2016）08-0443-04

隨著我國農業現代化特別是農業機械化收獲水平的提高，人們對谷物干燥機械化的需求越來越大，谷物干燥機械化對于谷物的搶收以及陰雨天干燥具有非常重要的作用。谷物水分在線檢測是谷物干燥機械化中必不可少的環節，但由于我國谷物水分在線檢測技術的不完善，每年有大量的糧食因水分過高而霉變浪費，每年損失高達300億～600億元，而采樣機構是水分檢測儀的重要組成部分，采樣機構工作的可靠性與結構參數的合理性會直接影響水分在線檢測的精確程度。

目前國內對于谷物水分在線檢測采樣機構缺乏系統的研究，水分在線檢測設備主要還是依賴進口，針對以上問題本研究提出的谷物水分檢測采樣機構的試驗研究與參數優化對于我國谷物水分在線檢測具有一定的參考意義[1-4]。

1試驗方案

1.1采樣機構組成與工作原理

谷物水分儀采樣機構由采樣室和檢測室組成，2室用隔板隔開，保證2室工作獨立、穩定。圖1為簡化后的采樣機構的示意圖。其底座長184 mm、寬140.5 mm、高 20 mm。輸送輥縱向軸長50 mm，碾壓輥直徑55 mm。工作時，利用谷物烘干機內提升機的轉動使物料飛濺到輸送輥上，輸送輥為嚙合異向雙螺桿結構，利用輸送輥的嚙合轉動把物料平穩均勻地送入喂料口，物料沿導料槽滑入2碾壓輥之中，當物料被碾壓時雙碾壓輥被導通，電信號傳入中央處理器并按照特定的數學模型進行水分值的計算[5]。

1.2試驗儀器與材料

試驗材料主要有：（1）PDPF2000型水分儀，搭載DC12V電機，水分測量范圍：10%～40%，溫度：0～50 ℃。（2）高速粉碎機，高速均勻地粉碎物料，盡量避免受空氣中水分的影響，所用型號是JFSD-100Ⅱ。（3）恒溫烘箱，選用電熱鼓風干燥箱，由恒溫調節器控制，保證物料在恒溫條件下干燥，所用的型號為HG101，南京實驗儀器廠生產，最高溫度300 ℃，加熱功率2 kW。（4）UTP3000電子天平，最大稱量質量6 kg，最小稱量質量0.5 g。（5）基于電阻式測量的食品干燥控制系統一套，實現對水分儀的在線控制與數值顯示，在實現100粒水稻水分檢測后自動終止水分儀工作并顯示平均水分值?！糒M〗（6）選用谷物為武粳13號水稻，具體物理參數[6]見表1。（7）直流電機調速器，實現對直流電機的調速功能。（8）其他試驗材料：樣品盒若干，藥勺1把，標簽紙等。

1.3試驗方法

目前谷物直接烘干有很多方法，如烘干箱法、快速失重法、減壓法、紅外加熱法等。根據GB/T 3543.6—1995《谷物水分檢測規程》，本試驗利用電烘箱法測量樣品的水分。試驗方法如下：將一批水稻樣品分組，按照不同的烘干時間制備不同水分梯度的水稻樣品，利用實驗室烘干箱法測出各組樣品的真實水分值，再利用本試驗的水分儀對制備后的水稻進行水分測定。以水分值的平均相對誤差為指標，根據其設計經驗及工作原理，對輸送輥螺距、碾壓輥花紋和電機轉速3因素進行單因素試驗；再以單因素試驗為基礎，變換不同的結構參數進行正交試驗，比較測得的水分值與真實水分值并加以數據分析[7-9]。

1.4試驗準備

（1）樣品盒質量：取2個干凈的樣品盒置于105 ℃烘干箱內烘30～60 min后取出置于干燥室冷卻，待溫度降至室溫時測出其質量，再將其置入烘干箱內烘30 min，至2個稱量的質量結果差值小于0.005 g時，視為樣品盒恒質量[10]。

（2）水分梯度的制備：將一批水稻樣品按5組、每組2份進行組別編號，之后均勻平攤在樣品盒內，置于（103±2） ℃烘干箱中干燥，樣品編號與烘干時間見表2。每組樣品烘干結束后取出放入干燥室內，冷卻至室溫后對其進行稱質量[11]。

注：每組中一份用于真實水分值的檢測，另一份用于水分儀檢測。[FK）]

（3）真實水分值的測量：上述步驟后，各取出每組中用于真實水分檢測的水稻樣品，利用高速粉碎機進行磨碎，磨碎細度達到水分檢測規程要求之后（至少有50%的磨碎成分可通過0.5 mm篩孔金屬絲篩，而留在1.0 mm篩孔金屬絲篩子上的不超過10%），再次放入烘干箱內，使箱溫在5～10 min內回升至（103±2） ℃時開始計算時間，烘4～8 h后取出，待冷卻至室溫時進行稱質量[12]。根據烘干前后失去的質量由式（1）計算出水稻水分的百分比，檢測結果如圖2。

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

式中：X為樣品真實水分值（%）；m0為樣品盒恒質量（g）；m1為水分制備后樣品及盒質量（g）；m2為磨碎烘干后樣品及盒質量（g）。

由圖2可知，水稻含水率并非隨著時間的增加呈線性遞減的關系，在烘干1 h時，水稻含水率有所下降，該階段水稻處于預熱狀態，水分子活動并不劇烈，所以水分降幅不大；隨著烘干時間的增加，在2～4 h時，水分子受熱運動加劇，水稻中大部分水分在該階段蒸發出來，含水率明顯下降；在4～5 h階段，水分干燥速率減緩[13-14]。

2單因素試驗

2.1輸送輥螺距ds

輸送輥螺距ds對采樣的單粒性、水分儀工作的穩定性與水分值計算的精確性有著顯著影響，為了研究輸送輥螺距對水分檢測的影響，試驗中分別設置了8、10、12 mm 3種不同螺距的螺桿（如圖3從左到右所示），以水分值作為指標進行試驗，根據式2計算得出每組檢測數據與標準水分數據之間的平均相對誤差與最大相對誤差，比較3組數據的統計結果得出最佳輸送螺距。試驗結果見表3。

式中：σ[TX-5]為平均相對誤差；Δ為絕對相對誤差；l為實際值；n為測量值個數。

由表3知，當螺距為8 mm時，平均相對誤差σ[TX-5]與最大相對誤差σmax分別為0.446%和0.68%，且σ[TX-5]<[σ]=0.5%，符合規定的水分儀檢測誤差標準，在以上3組試驗結論中參數為 8 mm 螺距輸送時誤差最小。由試驗過程可以看出，螺距越大，輸送速度越快，在單位喂入量一定的情況下，大螺距輸送在進料口處易出現物料擁堵、進料不連續且單次多粒進料的情況，采樣單粒性較差，反之，8 mm小螺距進料連續且單粒性較好，致使檢測所得水分值最為接近實際水分值。

2.2碾壓輥花紋

谷物的碾壓是采樣過程中一個必不可少的環節，而碾壓的充分性是碾壓過程中一個較為顯著的工作指標。所謂碾壓充分性是指水稻顆粒在碾壓過程中保持穩定且受壓面為水稻顆粒整體，碾壓之后稻殼與稻米保存完整，碾壓厚度均勻且一

4結論

在不同水分梯度的水稻樣品制備中，本研究根據不同的烘干時間來實現水分梯度的形成，避免了以往試驗中直接對樣品噴水法中因水分吸收不完全所帶來的試驗誤差。由水分梯度折線圖可知，水稻干燥中，水分下降的速率是由慢及快再到慢的一個過程，在前2 h的干燥中水分降幅不大，3～4 h 時水分蒸發速率加快，之后趨于平緩。

本研究分別對輸送輥螺距、碾壓輥花紋及電機轉速進行了單因素試驗，3個因素均對測定水分值的平均相對誤差具有一定的影響。由試驗數據可得，輸送輥為8 mm時，采樣機構的采樣單粒性最佳，測得水分值的相對誤差最??；碾輥花紋為網紋時，碾壓充分性最佳，水分測定的相對誤差最??；電機轉速為225 r/min時，輸送與碾壓效果組合達到最優，測得水分的相對誤差最小。

在單因素試驗的基礎上，對以上3個因素進行了正交試驗并利用極差分析得出在電機轉速為225 r/min、碾輥花紋為網紋、輸送螺距為8 mm時水分測定更加接近真實值并利用驗證試驗驗證了最優組合的正確性與科學性。

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