微波法籽棉回潮率测试仪在籽棉收购加工中的应用研究

龚4*李育平

(1.新疆维吾尔自治区塔里木大学，阿拉尔 843300；2.新疆奎木星测控技术有限公司，阿拉尔 843300；3.阿拉尔纤维检验所，阿拉尔 843300；4.北京服装学院材料科学与工程学院，北京 100029)

1 籽棉回潮率解决方案发展现状

在棉花收购中，我国一直以公定重量作为棉花的结算标准，回潮率是公定重量的计量标准之一，国家标准规定公定回潮率为 8.5% ，并以此对交易的棉花重量进行扣补，该回潮率为皮棉的回潮率。相关标准也都是建立在以皮棉回潮率的基础上进行[1]。然而籽棉收购加工过程都是以籽棉进行结算或控制相关参数，而籽棉结算重量中关于扣水扣杂的依据一直没有得到有效的解决，从而经常造成棉花加工厂和棉农之间的纠纷。同时影响着棉花加工工艺系统的稳定性，影响棉花加工质量，但由于其没有具体的测量评判准则，现有加工设备对籽棉回潮率的要求也流于形式，不能很好的控制，在加上棉农结算也依靠经验，造成市场收购混乱，加工效率降低[2]。

笔者所在的在新疆阿拉尔地区对于籽棉回潮率普遍采用的是插入式回潮率报警器，但该设备受密度、温度、回潮率变化范围影响较大，且对籽棉结算重量影响较大，在2015年棉花市场上就明确提出不能采用该仪器作为籽棉回潮率补水扣重的依据。为了解决市场的需求以及籽棉检测的需要，政府联合各部门研发了一款基于微波法籽棉回潮率测试仪，它能很好的解决插入式回潮率报警器存在的问题，为籽棉的回潮率检测提供一种新方案。并且为籽棉回潮率检验补水扣重提供重要依据，从而极大的减少加工厂和棉农之间因为籽棉回潮率补水扣重之间的纠纷，同时为堆放分垛和加工提供更好的选择[3]。

2 插入式回潮率报警器存在的局限性

我国目前对棉花回潮率的测试方法有直接法和间接法，直接法主要是将物品中的水分剥离并通过计算水分和干重的百分比计算回潮率；间接法它主要是利用纤维和水分子的某些特性，通过仪器在不同回潮之间所表现出的不同数值，并利用标定特定数值和棉花回潮率之间关系建立关系，从而得到棉纤维回潮率的测量。在实际测量籽棉回潮率过程中我们对直接和间接法做了如下分析：

对于直接法而言其测量结果准确度高，受环境影响小，但是测试周期长、被测对象易损坏，较适宜于实验室内使用，不能满足实际生产加工的需求。在直接法中测量干燥棉花的方法有烘箱法、红外线干燥法、微波加热干燥法、吸湿剂干燥法、真空干燥法等[4]。在试验中通常使用的是烘箱法，在本文的第三部分就采用了烘箱法与微波法回潮率测试仪对比的试验，用于验证微波法回潮率测试仪在实际生产过程中的准确性。

而对于间接法而言其优点是可对籽棉可进行快速、连续测量，其实时性强、便于携带、易操作，在实际生产中应用较广泛，是国内外棉花回潮率测量的主流方法。在间接法中主要采用电学测湿法，如电阻式测湿仪、电容式测湿仪、微波测湿法和红外测湿法等。如下我们对上文所述的插入式籽棉回潮率报警器进行简要的分析。

2.1 插入式籽棉回潮率测定仪工作原理

插入式籽棉回潮率测定仪在使用过程中仪器能在测试探头周围产生对水分子敏感的电磁场，并利用水分子吸收能量的特性产生固定的电场能与失去的电场能进行比较得出准确的水分值。针对含水量不同的被测物，仪器根据其吸收的能量不同从而得出不同的水分值来[5](实物图如图1所示)。

图1 插入式籽棉回潮率报警器实物图

2.2 插入式回潮率报警器存在的问题

插入式籽棉回潮率报警器自使用以来，其存在的缺陷逐渐暴露出来，且越来越无法承担起对籽棉回潮率的检测职责，我们通过长时间的试验分析得出该仪器所存在的问题：

插入式籽棉回潮率报警器温度传感器位置缺陷会影响测试数据的稳定性和准确性；仪器受棉花密度影响很大，不同装花车辆测量的回潮率差异很大且测量范围较小，不能测量8.5%以下的回潮率，存在坑农现象；该仪器还无法检测籽棉的高回潮率，会使部分棉农加水，导致加工厂利益受损，所以该仪器不被认可，无法通过技术鉴定，下文还介绍了微波法籽棉回潮率测试仪与插入式回潮率报警器的性能对比实验。

3 微波法回潮率测试仪设备试用及结果

3.1 工作原理及核心构成

为了解决插入式籽棉回潮率报警器在籽棉检测中长时间所存在的问题，相关研发部门利用了微波衰减原理获取物料回潮率的方法制造了微波法回潮率检测仪(图2，3所示)。该设备由工控机控制单元，容器加压单元，温度补偿单元，称重单元，行走机构单元，电源系统，回潮率快速检测数据处理系统，微波扫描系统，数据打印处理及上传系统等组成。

其中微波扫描单元为设备的核心单元，其工作原理是棉纤维和水分的介电常数以及损耗角正切值在微波(频率10GHz～12 GHz) 下存在显著差异，当微波在该媒介中传输时，随着被测对象回潮率的变化，微波就会产生不同程度的衰减，通过测量微波的衰减量即可得到棉花回潮率。

同时在研发过程中为了解决回潮率测量易被测对象密度影响，于是设置该仪器能同时测量微波衰减与相移的2个参量 。如图4所示，该方法通过发射天线将特定频率的微波信号穿过被测对象，通过接收天线接收到具有不同衰减及相位信息的微波信号，并对此进行运算处理便可得到回潮率。

图2 微波法回潮率测试仪操作界面图

图3 微波法回潮率测试仪定性产品实物图

为了精确测量回潮率，该设备还采用自动称量籽棉棉样重量，并根据装量将籽棉压缩成固定密度后进行微波扫描，从而保证了在等密度条件下关于回潮率分母的定值处理问题，提高了检测精度[6]。

图4 微波法回潮率测试仪工作原理图示

3.2 微波法回潮率测试仪创新点

除了运用微波衰减原理研发本仪器之外，本仪器最大的优势在于其操作过程方便快捷，操作人员经过简单的培训即可在在田野地头完成对棉花回潮率的快速检测。同时配套仪器还具体开发了配套的籽棉检测综合服务平台(图5为综合服务平台系统构成图)。该综合服务平台实现了数据的直连，可以将检测的结果直接上传，并进行结果分析比对，进而完成对采购棉花的产地溯源和定价分析。避免了人情化和转圈棉的现象，保证了交易的公平公正性。同时通过数据综合服务平台也可以为日后打造新疆棉花品牌奠定基础，实现对棉花的质量检测。从而形成新疆棉花生产到加工到品牌效应的全产业链服务。

图5 综合服务平台的系统组成图

3.3 对比烘箱法对微波法和插入式进行定性实验分析

3.3.1试验准备

首先设定回潮等级，再根据回潮率公式：籽棉回潮率=(籽棉湿重—籽棉干重)/籽棉干重[7]，计算籽棉高，中，低3种回潮率所需的水分范围，为制作高，中，低3种回潮率的籽棉样品做准备(表1)。

表1 回潮率水分范围

3.3.2 微波法和插入式回潮率测试仪对比分析检测

取100kg机采棉混匀后，取出3大份每一份各25kg，再在此基础上将每大份分为5份，分别标记为G1～G5、Z1～Z5、D1～D5。用微波法籽棉回潮率测试仪进行检测，记录检测的回潮率数值和推板压缩籽棉后籽棉在框内的高度，然后在每一组棉花检测完毕记录数据之后，再用插入式回潮率报警器对每一组的棉花回潮率进行检测，记录上述所测数据并用如下公式计算出不同检测仪器同等级回潮率平均值和样品的回潮率方差(表2)。

(1)记录各样品回潮率，计算同等级回潮率平均值：

(1)

式中：R——平均回潮率，%；

n——试验样品数。

(2)按表1记录各试验数据，分别计算相同回潮等级的5个样品的回潮率方差：

(2)

表2 微波法测量及插入式试验数据记录表

3.3.3烘箱法

根据GB5009.3-2010用微波法籽棉回潮率测试仪检测完毕后在从G1～G5、Z1～Z5、D1～D5每份中取100g籽棉样品，并以密封袋保存，用天平称量籽棉毛重，计算样品净重。要注意取样时尽可能均匀取样，减少误差，然后在每份上分别标记g1.1～g5、z1.1～z5、d1.1～d5在用烘箱法对每份样品分3次进行试验，按照如下公式对样品的回潮率和样品的平均回潮率进行计算。并按表3记录试验数据。

检测完毕后再将原先测量过的G1～G5、Z1～Z5、D1～D5每份单独混合，分别取样标记为A1～A5、B1～B5、C1～C5，且A1～A5的质量分别为3kg、3.5kg、4kg、4.5kg、5kg，B1～B5和C1～C5操作步骤相同，用微波法籽棉回潮率测试仪检测其回潮率，同时测量装样框内样品的高度，检测完毕后还需要从测试后的高回潮、低回潮中各取2kg为H1；高回潮、中回潮中各取2kg为H2；中回潮、低回潮中各取2kg为H3。用微波法测出回潮率，将记录的和处理的数据填入表4中。

(1)样品回潮率

(1)

式中：ri——第 i 个试验样品回潮率， %；

gi——第 i 个试验样品湿重， g；

gi0 ——第 i 个试验样品干重，g。

(2)平均回潮率

(2)

式中：r——平均回潮率，%；

n——试验样品数。

表3 烘箱法对比准确性试验数据记录表

表4 微波法测量籽棉回潮率一致性试验数据记录表

3.4 试验数据分析

(1)从表2和表3中微波法回潮率测量值可以看出高回潮的仪器测量平均值和烘箱法测量平均值分别为17.7和17.6、中回潮的分别为12.1和12.2、低回潮的分别为9.8和10.1，均值差异均在0.3之内，而插入式仪器高回潮的测量平均值为11.8、中回潮的分别为9.3、低回潮的为7.3，与烘箱法均值差异最小为2.8，最大为5.8，均超过微波法的均值差异，所以与烘箱法相比微波法回潮率测量数值有较好的准确性。

(2)从表2中得出，微波法所测的相同质量高、中、低回潮的样品方差分别为0.52、0.28、0.16，回潮率方差最大0.52，插入式所测的同等级样品方差分别为2.63、0.94、0.79，回潮率方差最大为2.63。由数据对比可知，微波法插入式籽棉回潮率测试仪相比于插入式回潮率报警器在排除环境对数据的影响以及人为误差有较好的性能，而且对比每组测得数据可知前者所测的数据较为稳定，误差较小。足以说明微波法测量籽棉回潮率的重复性较好。

(3)从表4中得出，不同质量高、中、低回潮的样品微波法测得的回潮率方差分别为0.19、0.36、0.26，回潮率计算方差最大0.36；由此可以证明微波法测量籽棉回潮率的一致性较好，可以指导生产和作为结算的依据。

(4)微波法籽棉回潮率测量仪设备的称重和电子天平称重基本无差异，可满足设备使用。

(5)微波法籽棉回潮率测量仪采用等密度制样方法进行测量，经过初步统计，采用自动称量和控制压缩推杆形成，制样密度基本一直，对测量精度具有很大的辅助作用。

4 效益展望

微波法籽棉回潮率测量仪的研制，改变了以往只扣不补或者说不敢扣不敢补的现象，通过精确测量棉籽的回潮率，对超过8.5%的籽棉高回潮进行结算重量扣重进行统计，尤其是对超过12%的籽棉回潮率进行精确测量。在检测过程中若发现超过12%的高回潮籽棉，可以及时晾晒，避免因为回潮率超差引起的霉变，经过初步测算，可以为加工厂减少因为扣重不准而带来的损失不低于3000万元；并且在检测后堆垛时让同类回潮率的籽棉连续加工，提高籽棉加工的一致性，减少因为回潮率变化调整设备烘干和加湿的不确定性操作，提高工作效率和皮棉质量[8]。

根据2017年度籽棉回潮率检测结果统计，小于8.5%籽棉回潮率测棉农约占总数量的20%左右，如果按照XJ130测试的皮棉回潮率进行补水扣重，则皮棉回潮率低于8.5%的将超过70%，而且大量的皮棉回潮率低于6%，由于皮棉只占到籽棉的40%左右，按照阿拉尔地区籽棉产量约80万吨计算，如果按照皮棉回潮率进行籽棉回潮率补重将会给各加工厂带来每年不少于1亿元的损失，目前该仪器已经在北疆19个国家公证检验仓库正式应用，使用的情况都得到了不错的回应。

微波法籽棉回潮率检测仪已于2018年9月通过了技术鉴定评审，并由中国纤维检验局印发了关于《棉包回潮率检测方法验证试验专家鉴定意见书》”，它肯定了微波法测试回潮率相比插入式籽棉回潮率检测仪更具有科学性、稳定性和重复性，我们还在此基础之上还建立了相关的地方和国家标准。最终该设备的研究成功，填补了籽棉回潮率间接快速测量的空白，并为籽棉回潮率公平公正的收购检验提供了依据，因而该设备在未来的棉花市场中潜力是巨大的，值得大力推广。