电容法与电阻法测量烟叶含水率的对比研究

罗丽琼　张天顺　鲁绍坤等

摘要：以烟包形式的复烤烟叶为试材，对比研究了电容法与电阻法测量烟叶含水率的差异，并将电容值与电阻值分别与烟叶含水率进行方程拟合。结果表明：电容法测试时，电容与烟叶含水率均呈显著相关，在1、10、100 kHz频率下，随着频率的增大，电容值对频率的敏感度降低，烟叶含水率与电容值相关方程拟合度也降低，数学模型可用对数模型表示；电阻法测试时，测试电压对电阻测量结果无显著影响，采用双杆电极测量的电阻值与烟叶含水率呈显著相关，建立两者间的数学模型为二次多项式；采用电容法测量烟叶含水率比电阻法更优，以单杆电极、测试频率1 kHz情况下检测的电容值与烟叶含水率的模拟方程拟合度最高。

关键词：烟叶；含水率；单电极；双电极；电容法；电阻法

中图分类号：S572.01 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2015）08-0100-04

Abstract The differences of moisture content in tobacco leaves measured by capacitance method and resistance method were analyzed with packed redried tobacco leaves as materials. The correlation of moisture content with capacitance and resistance values was fitted with equations. The results showed that measured by capacitance method， the testing capacitance and tobacco moisture showed a significant correlation； at plus 1 kHz， 10 kHz and 100 kHz frequency， the sensitivity of capacitance to frequency reduced with the increase of frequency， and the fitting degree of equations also reduced； logarithmic model could be used to fit the correlation between capacitance and moisture content. When measured by the resistance method， the test voltage had no significant effect on resistance value； the resistance value measured with dual-rod electrodes showed a significant correlation with the moisture content in tobacco leaves， and the quadratic polynomial model could be used to fit their correlation. The capacitance method was better than the voltage method in measuring tobacco moisture content. The simulation equation could obtain the highest fitting degree， when the capacitance was measured with single-pole electrode at 1 kHz of frequency.

Key words Tobacco leaves； Single-pole electrode； Dual-rod electrode； Capacitance method； Resistance method

对烟叶进行自然醇化是改善其质量、提高其可用性的有效方法[1]。霉变是烟叶醇化期间烟仓管理的一大障碍，而含水率是烟叶发生霉变的主要原因之一[2，3]，因此，烟叶含水率检测是预防霉变的前提。电容法[4～9]与电阻法[10～13]是常用的物料水分快速实时检测方法，可运用于烟叶含水率检测。烟叶在醇化期间以烟包堆垛的方式存放，为了防爆防火安全，只能用电池供电的仪器设备进入库房检测[14]，而最佳频率与最佳电压可以提高仪器测量的准确性，降低实际功耗。Ksenzhek等[15]曾研究了水分亏缺对玉米叶片直流电阻的影响，魏永胜等[16]研究了小麦叶片电特性与外加电压和频率的关系，Briggs[17]提出小麦水分含量与其直流电阻存在对数关系，这些研究均表明了仪器测量值与测试电压或频率有关。本试验研究了单电极与双电极测量烟叶含水率与外加测试频率和电压的关系，并对电容法与电阻法的方案进行比较，确定最优方法，为烟叶含水率快速无损检测技术研究与实践提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验材料为以烟包形式存放的复烤烟叶，由云南中烟工业有限责任公司提供，试验地点在昆明烟草物流中心。

1.2 仪器

①电极：电极由不锈钢实心杆和绝缘手柄组成，杆长35 cm，单杆半径0.4 cm， 双杆杆中心距离4 cm；杆顶端1 cm制成锥形探针结构；绝缘手柄端连出两根导线；

②智能LCR测试仪：型号TH2822C，频率范围100 Hz～100 kHz；

③UT533绝缘万用表：电压档有50、100、250、500、1 000 V；

④电子天平：型号LQ-A10002，规格0.01～1 000 g；endprint

⑤XGQ-3000F智能型数字温度控制器；DHG型电热鼓风干燥箱，电压220 V，功率0.8 kW，容积35 cm×35 cm ×35 cm；

⑥ZL号信封（130 mm×120 mm）。

1.3 试验设计与方法

1.3.1 试验设计 电容法施加1、10、100 kHz三种频率测量，电极分单杆和双杆，分别为方案1～6；电阻法施加250、500、1 000 V三种不同电压，同样采用单杆与双杆电极测量，为方案7～12。各试验方案见表1。

1.3.2 试验方法 随机取20箱烟包，每箱检测点在烟包正中心。试验时将单杆电极垂直插入烟包35 cm，用LCR测试仪与电极导线连接，打开开关，分别施加1、10、100 kHz频率，稳定5 s后读取烟叶电容值Cij；再用绝缘万能表与电极导线连接，打开开关，分别施加250、500、1 000 V电压，稳定5 s后读取烟叶的绝缘电阻值Rij。同样的操作，将双杆电极插入烟包中，分别测量电容值与电阻值。随后以测量点为中心，翻开表面5 cm左右厚度烟叶，向下取烟叶50 g左右放入信封，立即称重，重量记作Mi；随后把装有烟叶的信封放入烘箱中烘烤，时间为2 h，烘烤温度为100℃，冷却至室温后称重，重量记作mi。

2 结果与分析

2.1 两种方法测量结果分析

由图1和图2可见，同一样品不同方案的电容测量值差异较大，但电容变化趋势一致。单杆作电极时，1、10、100 kHz频率下测定的电容值极差分别为95.8、16.4、3.7 pF；双杆作电极时，1、10、100 kHz频率下的电容值极差分别为258.3、40.7、13.7 pF。可见，不论是单杆还是双杆作电极，低频率下测定的电容值变化幅度较大，随着频率的增加，电容值变化幅度减小，对烟叶水分的变化敏感度降低。对于同一测定点，同一频率下，双杆电极的电容值比单杆大；同一电极，频率小的电容值大，即电容值与测定频率呈反比关系。

由图3和图4可见，电阻法不同方案测定结果的变化趋势一致。电极对测定结果影响较大，单杆电极测得的电阻值明显高于双杆电极。单杆电极测出的电阻均值在7.3～9.3 MΩ之间，极差最大为20.2 MΩ，双杆电极的电阻均值仅为1.0～1.5 MΩ，极差最大为6.3 MΩ。可见，对于同一电极，施加的电压大小对电阻测量结果影响不大，但电极的极数对电阻测量结果有明显影响。

2.2 烟叶含水率与电容值及电阻值的相关性分析

以烟叶含水率为因变量、电容值与电阻值分别为自变量进行线性和曲性拟合，只取相关系数r大于0.8的方程（见表2）。

由表2可以看出，电容值和烟叶含水率间的相关性密切，除单杆电极100 kHz频率方案的拟合方程相关系数r小于0.8外，其余的相关系数均大于0.8。根据决定系数R2可知，无论是单杆电极还是双杆电极，对于同种电极，频率越大，方程拟合度越低。在电容法的测试方案中，采用单杆电极1 kHz频率方案测量的结果方程拟合度最高，其中对数模型的拟合情况最好，模拟方程为y=0.039lnx-0.057，R2=0.832，F=88.840，均是电容法方案中的最大值。

对于电阻法，所有的单电极检测方案中，电阻与烟叶含水率不存在高度相关性。双杆电极测量时，外加电压的大小对检测结果有明显影响。当施加250 V电压时，电阻与烟叶含水率拟合方程的R2为0.703，随着电压加大，R2逐渐减小。但是，电阻法拟合方程的R2均低于电容法，说明方程拟合度较低。

3 结论与讨论

本研究结果表明，不同频率电容法测定的电容值变化趋势一致，不同电压电阻法测定的电阻值变化趋势也一致，其中电容与频率、电阻与电压均呈反比。电容法测量时，低频率比高频率下测量的结果波动更明显；电阻法测量时，使用单电极测量的结果比双电极的检测结果波动更明显。

当测试频率为1、10、100 kHz时，双杆电极测量电容值数据的波动性较大，频率越低，变化幅度越大，当测定频率增大时，电容值变化逐渐趋于平缓，即其对烟叶水分变化的敏感度降低。因此该试验以拟合检验值R2较大的1 kHz 作为测量烟叶电容值的最优测试频率。

当测试电压为250、500、1 000V时，单杆电极测量电阻值数据的波动性较大，且电阻值与烟叶含水率的拟合检验值R2未达到0.5，说明单杆电极不适用在电阻法中。而双杆电极下测得的电阻值与烟叶含水率拟合方程的R2在0.651～0.703之间，随着电压的增大，R2逐渐减小。因此电阻法以拟合检验值R2较大、双杆电极、电压为250 V的方案作为测量烟叶电阻值的最优方案。拟合电阻值与烟叶含水率关系的数学模型为：y=ax2-bx+c，试验中模型的系数a、b、c 范围分别为：0.004

综合对比电容法与电阻法的试验结果，方程拟合度最高的是单电极、1 kHz频率的电容法实验方案，模拟方程为y=0.039lnx-0.057，R2=0.832。因此，采用单电极、施加1 kHz频率的电容法是测量烟叶含水率的最佳方法。

在实验方案的选择中，电极数对测量结果精度的影响很大。当把双杆电极插入烟包时，由于烟叶堆积的阻碍，双杆电极很难垂直平行插入，两杆间距的微小变化会导致电容测量值的改变，因此，双杆电极测量的结果误差比单杆电极大。

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