容重法在线检测玉米含水量的研究

王桂英 吴文福 徐 岩

(吉林大学超塑性与塑性研究所1，长春 130025) (吉林大学生物与农业工程学院2，长春 130025)

容重法在线检测玉米含水量的研究

王桂英1吴文福2徐 岩2

(吉林大学超塑性与塑性研究所1，长春 130025) (吉林大学生物与农业工程学院2，长春 130025)

容重是评价粮食质量的一项重要指标，本研究首先分析了几种主要粮食作物容重与含水量的相关关系，进而确立了通过容重预测玉米含水量的主题。然后在自制的干燥试验台上，模拟干燥机的干燥方式获得几种风速下不同风温时玉米容重与含水量的关系曲线，以及几种风温下不同风速时玉米容重与含水量的关系曲线，然后对得到的不同干燥条件下的试验数据利用Design-expert 8.0.5软件进行处理与分析，并采用Matlab对有用试验数据进行拟合，得到了玉米含水量(M)和干燥过程热风温度(T)2个因素与玉米容重(ρ)之间相互关系的较为合理的数学模型，并自主设计了容重法在线检测玉米含水量的试验装置，最后将该装置安装在粮食干燥机的出口处进行了性能试验，并进行误差分析。说明通过粮食容重预测含水量是可行的，为粮食含水量在线检测提供了一种新方法。

容重 粮食含水量 在线检测

含水量一直是粮食的一项重要质量指标，粮食含水量检测是粮食收购、储藏和加工运输中的重要环节，如何准确、及时的检测粮食含水量是现在各个粮食部门急需解决的问题和有关粮食加工领域研究的重要课题，即含水量的在线检测是当前人们研究的热点，粮食含水量在线检测方法主要有电容法、电阻法、微波吸收法、中子法、红外线法等[1]。容重作为粮食评价定等的重要指标，近年来越来越引起人们的重视，并且研究发现，容重与含水量存在着很明显的相关关系[2]，如何很好的利用这一相关关系，探索通过容重检测含水量的新方法，可以为含水量检测方法的研究开辟又一新途径。

目前，含水量检测方法概括起来有两大类，直接法和间接法。直接方法是通过干燥方法和化学方法，直接检测出粮食中的绝对含水量，检测精度高，但费时，不适于在线和现场检测。间接法是通过检测与含水量有关的物理量，间接地测定物质的含水量，一般速度较快，易实现在线检测[3-5]，粮食含水量在线检测是当前含水量检测的主流趋势，它要求实时、智能、集成。

在粮食含水量在线检测方法中研究的比较多的是电容法水分检测仪，在国外开展电容式水分仪研究的主要有法国特里百特-雷诺(Tripette & Renaud)公司生产的Wile55型水分仪、美国帝强(DIKEY-John)公司生产5G001型水分检测仪以及日本KETT研究所生产的PM5013和PM888水分检测仪[6]。我国在电容式水分检测仪的研究方面，也取得了较大的进展。曹云东等[7]研制了一种电容式粮食含水量在线检测传感器和在线测控系统，可完成粮食含水量在线实时检测和线性与温度修正，还可以实现实时控制和报警功能。并且也有些学者设计出了含水量的自动检测系统,如基于电容传感器的谷物水分检测系统[8]。Tan等[9]基于粮食介电常数与含水量之间的关系，设计了快速检测粮食含水量的装置，并配备了合适的软硬件系统，能较好地实现含水量的在线检测。麦智炜等[10]设计的浮地式粮食水分在线检测装置，基于非接触式平行极板浮地电容测量原理，适用于干燥机干燥过程中的粮食含水量在线实时检测。

为了安全储藏粮食，需要将粮食干燥到一定的安全含水量，干燥是一个缓慢的过程，要使最终干燥后的粮食含水量符合设定值，最好在线测控。亦即粮食含水量在线检测是粮食干燥过程自动控制的基础，开发实用且性能可靠的在线水分检测仪是粮食干燥机行业需要解决的课题，我国在粮食含水量在线检测用于粮食烘干机的研究也取得了一定的成果。辽宁沈阳前进国家粮食储备库，引进加拿大DANTEC公司生产的DM510在线水分控制技术，结合我国干燥设备技术现状，将其消化应用在500 t/d顺流式玉米烘干塔上，经实践检验，效果良好[11]。滕召胜等[12]研制的基于多路水分传感器信息融合的粮食干燥机含水量在线检测系统，应用在粮食干燥机上测量准确，运行可靠。与GB 5497—1985粮食水分测定标准方法比较，系统在主要测量范围10%～18%的测量误差≤0.5%，满足粮食干燥机含水量快速在线测量要求[13]。

刘哲等[14]和尹丽妍等[15]开展了基于粮食介电特性的水分检测研究，得出包括含水量、空气湿度、测试频率、温度和容重5个介电特性影响因素中含水量影响最大这一结论，为粮食水分检测新手段的开发提供借鉴。

容重即单位容积内粮食、油料籽粒的质量，以克/升(g/L)表示，是粮食评价定等的重要依据。粮食容重的大小反映粮食子粒的饱满度、完整度、均匀度和子粒的大小，同一种粮食容重越大子粒中含的营养物质也越多。它已经成为国际贸易中质量定级的重要指标。我国新版的容重国家标准是GB/T 5498—2013《粮油检验 容重测定》，于2013年11月12日发布，2014年4月11日正式实施[16]。影响容重的因素很多，如杂质、霉变粒、未熟粒、营养成分、水分、温度等，其中水分是影响容重的重要因素，而且不同粮食的容重与水分之间在一定范围内存在比较明显的相关关系。车海先等[17]通过试验得知玉米容重随含水量的降低而增加，含水量在14%～18%时，玉米容重随着含水量的降低而增加，其中在15%含水量处会出现一个容重的最高值；含水量在18%～22%时，容重随着含水量的降低而增加的幅度更大，即玉米容重与含水量呈负相关关系。司建中等[18]通过试验也得知小麦容重与含水量的关系，同一小麦样品，含水量越高，容重越低，含水量越低，容重越高，特别是小麦含水量在12%～14%之间变化时，容重降低的幅度较大，含水量超过14%后再上升时，容重降低的幅度有所减少，即小麦容重与含水量呈负相关关系。龚红菊等[19]通过试验得到水稻容重随着含水量的变化关系，在9.7%～23.2%的含水量范围内，随着含水量的增加，水稻的容重逐渐增大。

玉米、小麦、水稻的容重与含水量存在一定的相关关系，通过大量的试验数据可以拟合出其函数关系，并在此基础上利用合理的数学模型，通过测容重间接得到其含水量数值。

1 材料与方法

1.1 材料

采用东北地区具有代表性的玉米样品，品种为先玉335，含水量约为26%。杂质及不完善粒、霉变粒等各项指标均在国标控制范围内，即杂质≤1.0%，不完善粒≤5.0%，霉变粒≤2.0%。

1.2 仪器与设备

DHG-9125A型鼓风干燥箱：上海合恒仪器设备有限公司；GHCS-1000型容重器：上海东方衡器有限公司；ACS-A 系列电子计重秤：上海友声衡器有限公司。

1.3 试验方法

接通自制干燥试验台的工作电源，调节变频器频率设定试验热风风速，调节温控表设定热风温度，待热风温度达到设定温度开始试验。将已筛选完成的玉米用容重器测量其容重ρ，同是取样待测水分M0并记录；将测定完毕的玉米放入网孔筛中进行称重m0，置于干燥试验台，进行干燥试验。玉米降水过程中，每隔5～60 min不等时间间隔，将装有玉米的网孔筛取下，用电子秤测其质量m1，并用容重器测量容重。玉米含水量的计算公式如公式(1)：

(1)

式中：M1为干燥过程中第1次测定的玉米含水量/%w.b.；M0为玉米样品的初始含水量/%w.b.；m0为带有网孔筛的初始玉米样品质量/g；m为网孔筛质量/g；m1为干燥过程中第1次测定带有网孔筛的初始玉米样品质量/g。

通过二次烘干法测量玉米的初始含水量，根据公式(1)，依次测定第n次的玉米含水量及容重，直到玉米含水量降到14%以下。

通过这种方法获取玉米干燥过程中风温、风速、含水量与容重之间关系的数据，然后建立4个量之间的数学模型，并分析数学模型的相关性，取相关性高的模型。然后根据数学模型设计开发通过容重预测水分的机械装置和控制系统，进而实现通过玉米容重预测玉米水分的方案。

2 结果与讨论

2.1 试验数据的获取

2.1.1 风速一定时不同风温下容重与含水量的试验

依据1.3试验方法，在自制干燥试验台上，模拟干燥机的干燥方式，料层厚为5 cm，测得风速在0.7、1.1、1.3 m/s下，风温为30、40、50、60 ℃时玉米容重与含水量的关系曲线如图1～图3所示。

2.1.2 风温一定时不同风速下容重与含水量的试验

在风温30、40、50、60 ℃下，风速为0.7、1.1、1.3 m/s时测得玉米容重与含水量的关系曲线如图4～图7所示。

2.2 试验数据的原理分析

由图1～图3可以看出，玉米含水量是影响玉米容重的重要因素，同一风速下，大致出现随着玉米含水量的降低，容重出现先迅速增加，再缓慢降低的趋势，在含水量22%处出现拐点，当玉米含水量大于22%时，容重随含水量的降低而增加，此阶段容重与含水量的变化关系与干燥热风温度没有明显规律，当玉米含水量小于22%时，干燥热风温度对玉米的容重有显著影响，即热风干燥温度越低，相同含水量下的容重越高。

由曲线可以看出，当含水量在27%～24%时，容重增加幅度较大。这是由于玉米的含水量变化会使玉米的形状发生改变，从而对容重的大小产生影响。主要原因是含水量减少，导致玉米籽粒收缩，整体体积减小，因此装入量筒内的玉米数量增加，另外水的比重(4 ℃比重等于1 g/cm3)小于玉米干物质的比重(比重1.11～1.25 g/cm3)，因而玉米籽粒含水量降低使其容重相对增加。另一方面，玉米含水量大时，颗粒表面的摩擦系数大，散落性差。当玉米含水量降低时，颗粒表面的摩擦系数减小，散落性增加，玉米落入容量筒时的孔隙度比含水量大时相对减小，其密度增加，导致容重增加。当含水量在24%～22%之间时，容重随含水量的降低而缓慢增加，这是由于玉米颗粒表皮的含水量已经非常少，对摩擦系数的影响也减少，所以出现容重缓慢增加的现象。当含水量小于22%之后，随着含水量的继续降低，容重出现缓慢下降趋势，这是由于随着含水量的不断减少，玉米的表皮打褶现象，使表皮粗糙度增加，颗粒表面的摩擦系数变大，导致玉米落入容量筒时孔隙度增大，整体密度减小，以致于容重出现了下降现象。又由于干燥过程中风温较低，风速较小，所以容重随含水量降低而下降的现象不是很明显。

图1 风速为0.7 m/s时容重与含水量关系图

图2 风速为1.1 m/s时容重与含水量关系图

图3 风速为1.3 m/s时容重与含水量关系图

图4 30 ℃时玉米容重与含水量关系图

图5 40 ℃时玉米容重与含水量关系图

图6 50 ℃时玉米容重与含水量关系图

图7 60 ℃时玉米容重与含水量关系图

由图4～图7可以看出，当玉米含水量大于22%时，容重随着含水量的降低迅速增加，但无明显规律，当含水量小于22%时，容重随着含水量的降低缓慢减少，3条曲线基本重合，说明降水过程中风速对玉米容重的影响很小。

分析试验曲线，本试验重点研究玉米含水量从22%烘干到14%时，容重与烘干条件即热风温度和风速之间的相关关系。

2.3 玉米水分和容重关系数学模型的建立

将容重(ρ)作为试验指标，热风温度(T)、含水率(M)和热风风速(S)作为试验因素，热风温度有30、40、50、60 ℃4个水平，含水量有22%、20%、18%、16%、14%5个水平，热风风速有0.7、1.1、1.3 m/s 3个水平，对2.1得到的不同干燥条件下的试验数据，利用Design-expert 8.0.5软件进行处理与分析，得到了玉米含水量、干燥热风温度和热风风速3个因素与玉米容重之间相互关系的数学模型如公式(2)。

ρ=596.652 73+0.299 7T+20.781 81M-40.457 98S-0.106 25TM-0.041 667TS+0.069 444MS+0.014 058T2-0.506 01M2+17.584 63S2

(2)

式中：ρ为玉米样品的容重/g/L；T为玉米降水过程中的热风温度/℃；M为玉米样品的湿基含水率/%w.b.；S为玉米降水过程中的热风风速/m/s。

预测模型是否合理直接影响玉米含水量的计算，故需对该模型进行合理性检验。通过在不同热风温度、热风风速条件下，测得含水量在13%～25% w.b内的玉米的容重，将实际测得的含水量、热风温度及热风风速代入到公式(2)中，计算该样品的容重。将玉米容重的计算值与实测值相比较，进行相关性分析，结果如图8所示。

图8 三因素下玉米容重测量值与计算值相关性分析

由图8可以看出，采用公式(2)计算的容重值与实测值误差较大，说明公式(2)不能作为预测玉米容重与含水量、干燥热风温度、热风风速之间关系的数学模型。

分析原因，其一，观察几种风温时，不同风速下玉米含水量与容重的关系曲线可知，热风风速对容重的影响很小；其二，观察几种风速时，不同风温下玉米含水量与容重关系曲线可知，当含水量大于22%时，玉米降水过程中的热风温度对容重的影响没有明显规律。所以，摒弃干燥过程中的热风风速因素和含水量在22%以上的数据，利用图1～图3中不同风速下相同温度的曲线，求和取平均值得到图9中的试验数据，采用Matlab对此100组(25×4=100组)试验数据进行拟合，得到东北先玉335玉米含水量从22%降到14%时容重与热风温度和含水量之间关系的二次多项式。

ρ=698.34-0.392 9T+5.297 9M-0.003 779 1T2+0.017 821TM-0.127 22M2

(3)

式中：ρ为玉米样品的容重/g/L；T为玉米降水过程中的热风温度/℃；M为玉米样品的湿基含水量/%w.b.。

图9 不同温度下玉米容重与含水量关系曲线

同样对此二因素预测模型进行分析，在不同热风温度下(30～60 ℃)，测得含水量在14%～22%之间的玉米容重，并将热风温度值和含水量值代入公式(3)获得计算值，实测值与计算值进行比较，进行相关性分析，结果如图10所示。

图10 二因素下玉米容重测量值与计算值相关性分析

可见该二因素预测模型相关性较高。故而得到玉米含水量在14%～22%范围内，烘干温度30～60 ℃时，玉米含水量(M)和干燥过程热风温度(T)两个因素与玉米容重(ρ)之间相互关系的数学模型如公式(4)。

698.34-0.392 9T+5.297 9M-0.003 779 1T2+0.017 821TM-0.127 22M2-ρ=0

(4)

式中：ρ为玉米样品的容重/g/L；T为玉米降水过程中的热风温度/℃；M为玉米样品的湿基含水率/%w.b.。

经过试验验证，对热风温度和容重计算出的含水量值和烘干法测得的含水量值进行比较，误差在±0.5%以内。

2.4基于容重检测的玉米含水量在线检测装置的设计与性能试验

2.4.1 基于容重检测的玉米含水量在线检测装置的设计

装置支架(1)和进料斗(6)作为线下试验支撑装置，在线检测时需去掉这两部分。仪器工作时两相交流电机(7)带动排粮轮(9)顺时针方向转动，玉米从排粮轮(9)的上方落入正下方的翻斗(10)中。翻斗(10)下面装有压力传感器，可实时测量翻斗(10)中玉米的质量。称完质量的玉米侧落到方便收集粮食的接料斗(2)中。料位挡板(8)可以控制玉米的排出量，活动挡板(11)在装置装卸时可拆下，方便装卸。

排粮轮(9)左端通过联轴器与电机相连接，右端通过螺钉与码盘相连，另装有一个槽型光电耦合器(4)和一个码盘(5)。通过光耦支架(3)与排粮装置相连，向单片机精确传输排粮轮排粮转数。码盘(5)上开有一个凹槽，与槽型光电耦合器(4)配合，使排粮轮(9)每转一圈向单片机传递一个信号，同时上位机采集压力传感器的质量值，然后通过质量与体积的比值计算出玉米的容重，从而根据公式(4)计算出玉米的含水量。

注：1 装置支架，2 接料斗，3 光耦支架，4 槽型光电耦合器，5 码盘，6 进料斗，7 两相交流电机，8 料位挡板，9 排粮轮，10 翻斗，11 活动挡板。图11 通过容重测水分的试验装置

试验装置主要包括排粮机构和自动翻转称重机构，通过排粮轮机构进行定体积排粮，使容重的计算不受体积的影响，间接转化为所排粮的质量检测。经试验测定排粮轮一定转数排出的玉米体积不受玉米含水量的影响，基本保持稳定，为2.17L/5转；质量测定装置为自动翻斗称重机构，该机构下面与悬臂梁式压力传感器相连实现实时称重。并经试验测定性能稳定。在此机械装置的基础上，通过配备适当的硬件，并利用Labview开发了一套软件程序，使该装置可以实现数据的采集、计算、显示及存储并控制硬件工作，继而实现水分检测的自动化。

2.4.2 性能试验

试验之前对称重传感器进行标定，并通过试验检验电机转速对排粮无影响。将该装置安装在5HSZ型循环式干燥机的出口处，实时检测不同干燥温度下的干燥机出口处玉米的容重及含水量，对含水量在线检测装置进行性能测试。

图12为干燥温度50 ℃时干燥过程含水量在线检测装置预测玉米含水量与玉米实际含水量对比图，从图中可以看出，干燥过程中含水量检测装置的预测玉米含水量与实际含水量有一定的偏差，测量含水量总体比实际含水量偏小。尤其干燥前半段，含水量偏差较大。这是由于含水量预测模型建立时玉米料层较薄，热风温度即为粮食温度，但是在干燥机干燥过程中，热风温度设定为70～80 ℃之间，在干燥开始阶段，温度从室温升至70 ℃需要一段时间，使整个干燥过程中的粮温平均温度约为50 ℃左右。由2.1分析得知，相同容重下，干燥温度越低，含水量越小。含水量预测模型是基于此原理建立的，而在干燥的前半阶段，实际干燥过程中的温度低于50 ℃，导致测量含水量比实际含水量偏小较多。而在干燥的后半段，温度高于50 ℃，干燥过程加快，导致测量含水量比实际含水量偏小程度减小。

图12 干燥温度50 ℃时该装置预测玉米含水量与玉米实际含水量对比图

将该系统含水量测量结果进行误差分析，实际含水量与测量含水量最大绝对误差为2.5%，相对误差最大可达10.6%，系统测量误差较大，这是由于玉米在干燥过程中，粮食温度是一个缓慢升温的过程，导致运用含水量预测模型计算的含水量精度与国标要求有一定差距。尽管如此，基于容重进行玉米含水量的在线检测仍是切实可行的，且本研究得到了理论与实践的一致性和差异性。

3 结论

3.1 根据玉米烘干过程中烘干工艺条件和玉米容重、玉米含水量之间的关系，通过大量试验建立玉米容重与含水量之间的数学模型，结果表明，利用此模型测定玉米的含水量是可行的。

3.2 基于容重在线检测玉米含水量是一种新方法。将该玉米含水量检测试验装置安装在粮食烘干机上，可以实现基于容重的玉米含水量在线检测。

3.3 考虑容重的多种影响因素，利用不同的玉米品种在实际干燥机干燥过程中获取数据，建立比较完善的含水量预测数学模型，从而设计出更为精确的容重检测仪，能更为精准的实现含水量的在线检测。

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Testing Corn’s Moisture Content Online by the Method of Bulk Density

Wang Guiying1Wu Wenfu2Xu Yan2

(Superplasticity and Plasticity Institute, Jilin University1,Changchun 130025 ) (Biology and Agriculture Engineering Institute, Jilin University2, Changchun 130025)

Bulk density was an important index used to evaluate the quality of the grain. This paper analyzed the relativity of bulk density and moisture content about some primary grains, then established the theme that predicting corn’s moisture content by the method of bulk density. Then obtained test data by simulating dryer’s drying process on self-made dry test-bed: corn’s bulk density and moisture content at different wind temperature and definite wind speed, as well as the relationships between the bulk density and water content of corn at different wind speeds, Then processed the data by Design-expert 8.0 and fitting them by Matlab, then acquiring the relative logical mathematical model about corn’s moisture content (M)and wind temperature(T) during dry and corn’s volume weight(ρ)，designed the test device that test corn’s moisture on line by the method of bulk density in this paper, the performance test was done in the end ,put this device on the export of grain direr, and error was analyzed. The conclusion was that it was feasible predicting moisture content by the method of bulk density; it was a new method testing grain moisture content on line.

bulk density, grain moisture content, online determination

S2

A

1003-0174(2017)11-0144-07

稻谷变温智能保质干燥关键技术和装备研发(2016 YFD0401001)

2016-11-28

王桂英，女，1975年出生，工程师，材料加工

吴文福，男，1965年出生，教授，博士生导师，农业机械测试与控制技术、智能机械