第一章 绪论
第一章 绪论
1.1 课题的背景、目的和意义
1.1.1 课题的背景
粮食是人类生存的物质基础，粮食质量的好坏是关系到国计民生的大事，而粮食中的水分是影响粮食质量的重要因素，它也是国内外粮食部门严格控制的一项重要的质量指标。随着科学技术的发展和人们生活水平的提高，粮食水分的检测越来越引起育种、征购、生产、加工、储藏、运输和消费等各个环节的重视，粮食水分已成为科研与生产过程中的法定计量参数。但由于水分分布复杂，影响因素较多，很难实现既准确又快速的现场检测。传统的烘干失重法和电参数法己不能满足现代社会水分检测的需要，电解质物理学、半导体物理学、化学、微生物学、传感器技术、信息融合技术、专家系统等诸学科的发展，为水分检测的研究提供了新的科学依据。
粮食中的水分不仅是粮食籽粒细胞的必要组成部分，还是维持粮食籽粒本身生命活动和保持色、鲜、味及使用品质所必需的，因此，粮食水分既不能过高，也不能过低，要保持适宜。水分过高，重量加重，浪费运力和仓容，而且促使粮食生命活动旺盛，容易引起粮食发热、霉变、生虫和其它生化反应，以至于使粮食变质。水分过低，会破坏其有机物质，损坏干物质，减少重量。所以，粮食水分的检测是安全存储的主要根据，同时又是加工工艺选择和技术参数配备的依据，还是粮食商业环节中以质论价的依据。据国家粮食储备局公布:我国粮食年产量达4500亿公斤，在收购、储藏、运输等过程中，因水分含量过高而造成的损失高于5%，折合人民币200亿元，损失巨大。
近二十年来，国内外研究生产了各种水分快速测定仪，以求取代耗时费电、不宜现场使用的传统烘箱干燥法。目前的水分测定仪受检测原理限制，检测的局限性较大，普遍存在检测误差大与重复性差等问题，未能得到用户的首肯和国家有关部门的认可。长期以来，粮食与种子收购现场的水分检测一直不能摆脱人工检测的感官判断方法。 1.1.2 课题的目的和意义
1.解决粮食市场需求
国家粮食问题是涉及到每一个国家国计民生的重大课题，党和政府对于这个问题十分重视。解决这一问题的方法除去扩大耕地面积、提高单位面积产量外，减少损耗、提高品质、科学储粮对解决粮食问题具有十分重要的意义。
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虽然我国是世界主要产粮国家之一，但在粮食总产量中，高水分粮食约占20%左右。特别是在我国北方，粮食收购中，玉米水分一般都在23%一28%左右，有时高达40%。因此，高水分粮食的干燥在粮食储藏中显得尤为关键。在粮食储运过程中关键环节是粮食水分控制，即粮食干燥过程控制是一个重要问题。
利用粮食干燥机降低粮食水分是粮食安全储藏的重要环节。粮食干燥是一个连续的生产过程，其流程是首先将原粮经处理后送入干燥塔，再经过预热、干燥、缓苏，待冷却至常温，达到安全水分14%后排出干燥塔。在此过程中，粮食水分测试是必不可少的常规检验，由于影响因素复杂，难以实现在线快速测量，传统的烘干失重法和电参数法已不能满足现代社会水分检测的需要，电解质物理学、半导体物理学、化学、微生物学、传感器技术、信息融合技术、专家系统等诸学科的发展，为水分检测的研究提供了新的科学依据。
2.为进口设备国产化配套，取代进口
由于干燥设备所处自然环境较为恶劣，一般干燥设备的更新换代时间为五到六年。目前国内使用的粮食干燥设备基本是国外进口，其“粮食水分测量系统”基本处于更新阶段，每年粮食领域都有稳定的需求。本项目的研究，必将打破单纯依靠国外进口产品的局面，我们产品将依赖较高的性能价格比，为进口设备国产化配套，从而逐渐替代进口产品。不但创造了自身良好的经济效益，同时也创造良好的社会效益。
本课题的实施对整个粮食行业的管理水平的提高，增强国家对粮食行业的宏观调控，增强国际竞争力，尤其是在我国WTO冲击波结束后，在国际粮食行业立于不败之地都有十分重要的意义。
3.具有明确应用背景和广阔前景
本课题研究成果主要应用在粮食干燥机生产厂家、粮食储运部门等，也可应用于农副产品、轻工、化工、制药、环保等部门的颗粒状物质烘干、储备设备上，具有明确的应用背景和广阔的应用前景。
所以，粮食水分测量对于国民经济建设和人民生活有着重要的实际意义，能产生巨大的社会和经济效益。
1.2 粮食水分在线测量技术发展方向
快速、准确、适应性强始终是粮食水分检测仪的研制目标，虽然国内外研究机构研制生产了各种水分快速测定仪，以求取代耗时费电、不宜现场使用的传统烘箱干燥法，根据水分仪所存在的问题，及目前的研究资料分析，高性能
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水分仪的开发主要有以下几个方面的发展趋势。
研究有效的数据融合技术，通过对多个物理量检测而实现的复合型水分仪。由于水分检测受多种因素影响，目前可以确定温度、密度和重量是影响最明显的物理量，因此将这些物理量同时采集，通过大量的实验数据，利用数据融合技术，找出一种能够综合各个量影响的水分测量关系曲线，最终获得准确的水分测量结果。开发专门化或通用化水分仪。针对不同的需求，开发仪器。如专门为种子管理部门开发的针对低含水量的种子检测的微量水分仪；用于北方粮食收购的低温高水测量的水分仪；具有与传送机构配套结构的在线测量式水分仪等。通用化水分仪仍有相当大市场需求，仪器的设计将引进智能化接口技术，使检测设备网络化，提高对检测系统的管理效率和管理水平。
进一步探讨新型的更准确测量含水量的检测技术探讨新的、影响因素少、处理简单的水分检测技术，这一方面有待于科研人员的进一步研究。
1.3 粮食中的水分及粮食介电特性分析
1.3.1 粮食水分
粮食水分是指粮食中含有的结合水与自由水的总称。结合水也称结晶水，是通过化学作用吸附在粮食细胞内或粮食分子结构中的水分。分析粮食组织结构可知，粮粒以化学键力与水吸附时，像化学反应一样放出较多的热量，这称为化学吸附。这样吸附的水，粮食细胞内与粮粒内亲水物质结合得很牢固，是在粮粒生长过程中自然形成的，存在于粮性质很稳定，难以解吸。这种水称为胶状结合水，简称结合水。自由水也称游离水，是通过物理吸附作用凝聚在粮食颗粒内部的毛细管内和分子间隙中的水分；粮粒是具有生理作用的物质，水分子可以通过毛细管的呼吸作用进入粮粒内部。在毛细管内壁凝聚一层水分子，并层层吸附，形成多层分子，有的水分子还进入粮粒分子的间隙。靠分子间的作用力而吸附的这部分水称为游离水。游离水与粮粒结合得不牢固，其含量是不稳定的，随环境湿度的变化而变化，在粮食密闭的情况下，由于粮粒的呼吸机能作用，将与环境的湿度达到相应平衡。如果环境湿度降低，则粮粒内部的游离水分逸出，呈现散湿；如果环境湿度升高，则呈现吸湿，粮食的水分增加。所谓粮食的含水量应是结合水与游离水之和。由于结合水与粮食内亲水物质结合很牢固，不随环境湿度的变化而变化。因而平时检测指示的水分指的是游离水。游离水具有水的一般性质，对粮食储藏与加工等有着重要的影响。粮食含有适当的水分是粮食维持生命和保持其固有的色、气、味以及种用品质和食用品质所必需的。这种情况在储藏中也常称为临界水。如果粮食中的水分
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超过了临界水，将会促进粮食呼吸作用旺盛，消耗干物质，产生自热，给霉茵、细菌等微生物和储粮害虫的生殖提供了条件，从而影响粮食储藏与加工的品质，甚至会导致发霉劣变，造成严重的经济损失。 1.3.2 粮食介电特性分析
粮食是由淀粉、蛋白质、脂肪等高分子有机化合物以及水分和少量矿物质组成的混合物，不同品种的粮粒内部存在着不同结构、不同性质的基因，因此粮食的介电特性是各种物质结构与成分的综合反映。
结合水不参加导电，但电特性分析它仍保持强极性分子的介电特性。 游离水具有普通水的性质，能导电。
从电磁理论分析，粮食的介电特性应是由粮食的各种成分、分子结构的电性所共同决定的，但大量实验测量表明，失去游离水分的干燥粮食，相对介电常数很小，这表明尽管淀粉、蛋白质等是有极分子，但它们表现的极性很弱。而水的相对介电常数高达81。显然影响粮食介电特性的主要因素是粮食中的游离水分。这就为通过对介电特性的测定而确定粮食含水量提供了理论根据。但真正实现准确的测量，需要认真分析影响介电特性的多变因素。
1.4 粮食水分测量方法列举
目前，粮食水分检验有许多种方法，但归结起来不外乎直接法和间接法两种。直接法是通过干燥或化学反应后直接测出粮食的绝对含水量。采用此法测量的精度一般较高，但检测时间较长．费用较大，不适宜在线测水；间接法是通过测量与粮食水分相关的物理量(如电导率、介电常数等)变化规律来测出粮食中水分含量。在线粮食水分测量除要求保证测量精度、满足测量的实时性外，还要重视测量数据的可重复性、测量信息的保真性、以及测量与测量数据处理的智能化程度。粮食水分的测量方法主要有电阻法、电容法、微波法、中子法、核磁共振法以及红外线法、声学方法等。 1.4.1 电阻法在线测量粮食水分
亦称电导法。是利用粮食物料中含水量不同，其导电率不同的原理测量粮食水分的方法。电阻法有两种应用形式，即直流电阻法和交流阻抗法。传统意义上的电阻法即为直流电阻法，直流电阻法测量装置结构简单、价格便宜。但其受被测粮食的状态影响极大，且不宜用于测量微量水和高含水粮食。应用中，颗粒过大或粮食较干燥均影响测量精度。所以，直流电阻法测量水分时需对被测粮食颗粒破碎取样。如不破碎，一则所测信息只反映表面水分；二则因干燥
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粮食的电阻高，所得检测信号弱，受干扰影响大—— 测量信号的信噪比小，易于失真。干燥粮食一般为绝缘体，其直流电阻很大，如稻谷电阻为106M?/cm3数量级，而水的电阻为10M?/cm3数量级。被测样本的含水量越高，电阻越小。将破碎后的试样置于取样器的两测量电极之间，对电极施加恒定压力，其电阻Rx 与水分M的关系即测量的数学模型为：
M?K1?K2lnRx (1.1)
式中K1、K2为常数。
测量电阻值还与粮食温度、品种、密实度和电极间距离有关。温度升高、极间距变小、密实性加强都使得电阻变小。
基于直流电阻法测量原理，为改善测量信号的传输和抗干扰性能，一种创新的电阻测量方法是通过电路设计将测量输出的电阻信号转化为频率信号，通过测频测周方法来测量粮食含水量；另一种正在发展中的方法是通过测量RC回路中时间常数的方法来间接获取粮食水分值。
与直流电阻法不同，高频阻抗法是一种新型的粮食水分测量方法。如上所述，粮食的直流电阻很大，使得测量电阻信号很弱，影响测量精度。研究发现，在150～350KHz的交流电场激励下，粮食呈现导电浴盆效应，即存在粮食水分的敏感频带，施加这一粮食水分敏感频带的激励信号，可以实现粮食水分的快速检测。对被测粮食施加水分敏感频带的外加交变电场，粮食水分与其交流阻抗呈对数关系：
M?k1?k2lnZx (1.2)
式中，k1、k2为常数。阻抗的变化也同样还与粮食温度、品种、密实度和电极间距有关。粮食阻抗具有负温度系数特性。但由于粮食在敏感频带的交流阻抗较小，检测信号相对较大，误差因素的影响也相对较小。交流阻抗法不受被测品种的限制，测量时间1～2 s。但要比照烘干失重法对测量品种进行标定。 1.4.2 电容法在线测量粮食水分
电容法根据不同含水量的粮食，其介电常数不同的原理来检测粮食水分。优点是结构相对简单、价格便宜。缺点是受温度影响大，且无法在线检测高水分冷冻粮食如玉米的水分。国内该类检测仪多为在线取样测量而非在线直接测量。电容法测量水分根据传感器结构形式不同分两种类型，即量筒或量杯取样传感器和平板式电容传感器。设在量筒或量杯取样传感器中粮食的装料高度
h，介电常数为?x，则电容：
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