平行板电容器测量烟叶含水率的方法

罗丽琼 张军情 鲁绍坤等

摘要[目的]为提高烟叶含水率的检测效率，建立平行板电容器测量烟叶含水率的方法。[方法]通过对BXK、B3F、C3F、X2F、CSF、BSF 6个等级烟叶含水率与电容进行检测，研究不同等级烟叶含水率与测量电容值的关系，建立电容与烟叶含水率的对数模型。[结果] 以6种等级烟叶电容为基础建立的含水率对数模型为Y=A×ln（x）+B，其预测结果与采用烘箱法测定结果的拟合效果理想。[结论] 用平行板电容器测量烟叶含水率的方法是可行的。

关键词含水率；电容器；拟合方程；烘箱法

中图分类号S-3文献标识码A文章编号0517-6611（2015）31-025-03

Method of Parallel Plate Capacitor Measuring Moisture Content of Tobacco

LUO Liqiong，ZHANG Junqing， LU Shaokun et al （Yunnan Agricultural University， Kunming， Yunnan 650201）

Abstract[Objective] In order to improve the detection efficiency of the tobacco moisture， the method of parallel plate capacitor measuring moisture content of tobacco leaves was established. [Method]By detecting tobacco moisture and capacitance of BXK， B3F， C3F， X2F， CSF and BSF， the relationship between water content and capacitance measurements of the different grades of tobacco leaves was studied， and a logarithmic model of the tobacco moisture content and capacitance was established. [Result] On the basis of the capacitance of the six grade of tobacco leaves， the logarithm model of the moisture content was Y = A ln （x） + B. The fitting effect of prediction results and that of the oven method was ideal. [Conclusion]The method of parallel plate capacitor measuring tobacco moisture content is feasible.

Key wordsMoisture content； Capacitor； Fitting equation； Oven method

煙叶属于胶质毛细管多孔体物质[1-3]，对空气湿度十分敏感，具有灵敏的吸湿性和放湿性[4]。烟叶含水率会影响烟叶的物理特性（质量、抗破碎性、填充性等），也会影响烟叶的生物化学变化，影响烟叶的色香味[5]。因此，烟叶含水率与加工、贮存、运输等各个环节关系密切[6]。烟叶含水率过低，叶片易破碎，不易成包调运，在醇化加工和打叶复烤过程中会增加损耗，降低生产利润；烟叶含水率过高，不利于储存保管，烟叶颜色易变暗，甚至霉变而降低或失去使用价值。适宜的含水率能够保持烟叶的完整性，确保烟叶的使用价值，并且在平衡含水率的条件下达到自然醇化和提高烟叶品质的目的。目前，烟草、烟草制品含水率检测主要以烘箱法[7-9]为依据，但是该方法的检测过程复杂，耗时费力。通过测量烟叶的电容后转换成含水率，可减少水分检测的时间。平行板电容器是利用物体的介电特性原理来检测的。目前，已有许多学者利用植物的电特性对物料的含水率进行检测[10-11]。平行板电容器快速检测水分的方法在农业中的应用已经很多，同时在棉花[12]、大豆[13-14]、土壤[15]、木材[16]等含水率检测已得到实践。有研究表明，电容值与烟叶含水率间的相关性达到0.01显著水平[17]。利用同轴圆筒形电容器进行烟丝含水量的测量，测量精度达到0.5%～2.0%，适用于卷烟生产现场[18]。该研究中平行板电容器容积小，适用于实验室少量烟叶含水率的测量。从电磁理论分析，烟叶的介电特性应由烟叶的各种成分、分子结构的电性共同决定，因此不同等级烟叶的电容测量结果可能稍有差异。以烟叶为电容器的极间介质，当电容器的正对面积、极间距离保持不变时，通过测量电容值，即可转换成被测烟叶的含水率。为此，通过研究不同等级烟叶含水率与测量电容值的关系，建立平行板电容器测量烟叶含水率的方法，以期实现快速检测烟叶含水率的目标。该试验有助于开发新的库存烟叶含水量快速检测仪器，为研制更快捷检测烟叶含水量的仪器提供理论依据。

1材料与方法

1.1材料和仪器供试样品取自云南中烟工业有限责任公司昆明市红锦路烟叶存储库区。6个等级烟叶分别是BXK、B3F、C3F、X2F、CSF、BSF。

检测仪器有10002型电子天平（1 000 g/0.01 g，瑞安市安特称量设备有限公司）；DHG1010电热鼓风干燥箱（电压220 V，功率0.8 kW，容积35 cm×35 cm×35 cm，上虞市沪越仪器设备厂）；TH2822C智能LCR测试仪（准确度0.25%，常州锐品精密仪器有限公司）；平行板电容器（面积85 mm×55 mm，两板距离20 mm）；⑤手动搅碎机（9 cm×9.5 cm×14.5 cm，永康市重中重五金制品厂）；⑥电饭锅（额定电压220 V，额定频率50 Hz，额定功率350 W，廉江市欧美善电器厂）。

1.2试验方法

1.2.1取样。分别取6个等级烟叶各500 g，用手动研磨机磨碎，每个等级分成15份，每份30 g。利用电饭锅煮沸水的蒸汽对样品加湿。每份样品采用不同的加湿时间，使样品获得不同梯度的含水率。

1.2.2测试。分别把每个等级的15份不同含水率的样品填充于平行板电容器中，用智能LCR测试仪分别检测其在频率1、10和100 kHz下的电容值，并且记录试验数据。在每份样品测试完毕后，取出样品称量，其质量记为m1。待15份样品测试称量完毕后一起放入烘箱中烘干，每份样品烘干后质量记为m2。6个等级烟叶的测试试验重复以上步骤。含水率计算公式为：

W=m1-m2m2×100%（1）

2结果与分析

2.1烟叶含水率与电容的对数模型分别在1、10、100 kHz频率下绘制以电容为自变量、以含水率为因变量的拟合曲线，取相关系数最大的对数模型（图1）。从拟合方程可以看出，不同等级烟叶在不同频率下测量的电容与含水率的关系可用对数模型Y=A×ln（x）+B描述，其中x为电容，A为系数，B为常数。由表1可知，频率1 kHz下的ln（x）的系数A平均值为0.072，频率10 kHz的ln（x）系数的平均值为0.244 8，频率100 kHz的ln（x）系数平均值为0.151 5，表明ln（x）系数大小与频率有关，但不同等级烟叶同一频率下系数相差不大，说明测试频率对对数模型的系数有显著影响；频率越高，拟合方程常数越大，但不同烟叶等级同一频率下常数相差较大；1 kHz平均决定系数（R2）为0.976 4，10 kHz平均决定系数为0.930 0，100 kHz平均决定系数为0.954 0，三者对比用频率1 kHz测量的电容与含水率的拟合方程相关性最高，且在同一等级下频率1 kHz下检测的电容与含水率的拟合方程拟合度均最高。

2.2测试频率与烟叶等级对电容的影响对测试频率与烟叶等级对电容的影响进行可重复双因素分析。从表2可以看出，用于检测“等级”的P值=0.48>α=0.05，表明不同烟叶等级的测量电容值之间无显著差异，即烟叶等级对测量结果无影响；用于检测“频率”的P值=0<α=005，表明不同测试频率下测量的电容值之间有0.05水平显著差异，即测试频率对测量结果有显著结果；交互作用反映等级因素和频率因素联合产生的对测量电容值结果的附加效应，用于检验的P值=0.72>α=0.05，说明烟叶等级和测试频率的交互作用对测量结果无显著影响。

2.3总模型模拟及验证由于烟叶种类等级繁多，如果每个等级都建立一个模型，那么将会耗费很大精力。方差分析结果表明，烟叶等级对测量结果无显著差异。因此，把所有烟叶等级数据進行汇总，模拟出一个不分等级的模型。由此可知，在频率1 kHz下检测结果的精度最高，因此选择频率1 kHz下测量的数值进行模拟（图2），总数学模型为y=0.071 1ln（x）-0.063，R2=0.952。虽然模型拟合度在0.9以上，但其精度低于单个等级模型的精度。

将6个等级烟叶随机加湿到任一含水率，分别在频率1 kHz下测量其电容值，利用其单模型与总模型预测含水率，并且以烘箱法检测的含水率为实测值进行比较，验证模型精度。从表3可以看出，针对每个等级烟叶建立的模型预测出的含水率与实测值的相对误差在0.29%～7.49%之间，平均相对误差为3.52%；而总模型的相对误差在1.02%～10.79%之间，平均相对误差为4.95%，总模型的稳定性比单模型低。但是，B3F与CSF等级单模型的相对误差比总模型高，表明等级不是影响模型精度的主要因素。因此，建立一个忽略等级因素的数学模型是可行的。其前提条件是要收集大量等级烟叶的试验数据进行分析建模。

3讨论

以6种等级烟叶电容为基础，建立含水率对数模型Y=A×ln（x）+B。其预测结果与烘箱法测定结果相比，拟合效果理想。单模型测量精度为0.29%～7.49%，总模型精度为1.02%～10.79%。但是，与文献[18]利用同轴圆筒形电容器进行烟丝含水量的测量精度达0.5%～2.0%相比，该平行板电容器测量精度略低。其原因可能是测量时的烟叶尺寸不够小，电容器之间的填充有缝隙，导致介质不稳定，影响测量结果。

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