基于非勻強(qiáng)電場(chǎng)的谷物水分在線檢測(cè)方法研究.pdf

1、谷物干燥機(jī)械是實(shí)現(xiàn)谷物生產(chǎn)機(jī)械化的重要機(jī)具之一。谷物干燥機(jī)械化已經(jīng)成為我國(guó)谷物生產(chǎn)全程機(jī)械化的瓶頸。目前,雖然已經(jīng)有一些塔式干燥機(jī)械應(yīng)用,但我國(guó)廣大的農(nóng)村卻依然采用自然干燥法干燥谷物。究其原因還是其脫離中國(guó)國(guó)情。為了加速社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè),實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化,專家們提出了適合我國(guó)農(nóng)村的平倉(cāng)式谷物干燥機(jī)的設(shè)想,并開(kāi)展廣泛研究。但是,由于平倉(cāng)式谷物干燥機(jī)工作原理和結(jié)構(gòu)上的原因,無(wú)法采用傳統(tǒng)的電容式谷物水分在線檢測(cè)方法來(lái)在線測(cè)定谷物水分。所以,研

2、究開(kāi)發(fā)一種適用于平倉(cāng)式谷物干燥機(jī)的新型的谷物水分在線檢測(cè)方法已經(jīng)成為一項(xiàng)擺在我們面前刻不容緩的任務(wù)。 本文從勻強(qiáng)電場(chǎng)中谷物的電特性研究入手,深入地研究了谷物的帶電方式和特點(diǎn)。結(jié)合谷物本身介于電介質(zhì)與生命體之間這一特點(diǎn),提出了谷物的帶電方式有極化帶電、摩擦帶電和生命帶電三種,并且通過(guò)試驗(yàn)探討了他們的成因和機(jī)理。極化帶電是由載流子的定向運(yùn)動(dòng)和偶板子的取向共同造成的。其貢獻(xiàn)多寡與谷物的生命特征有關(guān)。當(dāng)谷物水分較低時(shí),谷物的生命特征較弱

3、,可以作為電介質(zhì)處理。這時(shí)偶極子的取向是極化帶電的主要貢獻(xiàn)者。而當(dāng)谷物水分較高時(shí),谷物的生命特征較強(qiáng),應(yīng)該作為生命體處理。這時(shí)濃差極化增強(qiáng),載流子的定向運(yùn)動(dòng)成為極化帶電的主要貢獻(xiàn)者。摩擦帶電是一種廣泛存在的帶電形式。它存在于谷物的相對(duì)運(yùn)動(dòng)中。雖然尚無(wú)摩擦帶電的權(quán)威性成因解釋,但是,通過(guò)試驗(yàn),還是能夠發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律。谷物的摩擦帶電的電性與其和摩擦材料的介電常數(shù)有關(guān)。當(dāng)谷物的介電常數(shù)大于摩擦材料的介電常數(shù)時(shí),谷物帶負(fù)電；而當(dāng)谷物的介電常數(shù)小

4、于摩擦材料的介電常數(shù)時(shí),谷物則帶正電。谷物摩擦電量的多少與兩者介電常數(shù)的差有關(guān)。兩摩擦材料介電常數(shù)的差越大,摩擦電量也就越多。生命帶電是生命活動(dòng)的表現(xiàn)形式之一。它是由于谷物生命活動(dòng)中維持細(xì)胞膜內(nèi)外物質(zhì)交換的膜電勢(shì)差所造成的,所以,生命帶電與谷物的水分具有十分密切的相關(guān)關(guān)系。從安全水分開(kāi)始,隨著谷物水分的增加,生命帶電量增大。 在電特性應(yīng)用方面,本文重點(diǎn)介紹了谷物清選分級(jí)和水分檢測(cè)。谷物清選分級(jí)研究很多,但應(yīng)用基本沒(méi)有.對(duì)于谷物清

5、選分級(jí)機(jī)研制,沒(méi)有確定一個(gè)能夠反映谷物分離程度的能夠指導(dǎo)設(shè)計(jì)的參數(shù)。通過(guò)試驗(yàn)研究,本文提出以極化力和谷物質(zhì)量組成的參數(shù)—極化力質(zhì)比可以作為谷物清選分級(jí)機(jī)設(shè)計(jì)中的量化指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果表明,優(yōu)劣谷物之間存在著極化力和極化力質(zhì)比上的顯著差異。本文測(cè)定了一些谷物的極化力質(zhì)比。對(duì)于谷物水分檢測(cè),靜態(tài)檢測(cè)基本成熟,已經(jīng)有了商品機(jī)型銷售；而在線檢測(cè)雖然已經(jīng)應(yīng)用在一些大型干燥機(jī)上,如塔式干燥機(jī),但是,由于研究狀態(tài)的不同以及修正措施上的滯后,導(dǎo)致了示值誤差

6、高達(dá)1.5％左右。更重要的是傳統(tǒng)的基于電特性的谷物水分測(cè)量都是采用平行平板電容器的結(jié)構(gòu),這限制了它在許多干燥機(jī)上的應(yīng)用,例如平倉(cāng)式谷物干燥機(jī)。通過(guò)農(nóng)業(yè)物料的電特性應(yīng)用介紹,我們?cè)噲D尋求一種新的谷物水分在線檢測(cè)方法。本文從滿足平倉(cāng)式谷物干燥機(jī)結(jié)構(gòu)需要出發(fā),提出了基于非勻強(qiáng)電場(chǎng)的谷物水分在線檢測(cè)方法。進(jìn)行了非勻強(qiáng)電場(chǎng)中谷物電特性理論研究和大量的試驗(yàn)研究。同時(shí)設(shè)計(jì)并試驗(yàn)了共面水平電極谷物水分傳感器及其測(cè)量系統(tǒng)?；诜莿驈?qiáng)電場(chǎng)的谷物水分在線檢測(cè)

7、方法的理論核心是由雙電軸組成的非勻強(qiáng)電場(chǎng)中谷物的電特性。參照勻強(qiáng)電場(chǎng)中谷物電特性,并根據(jù)平倉(cāng)式谷物干燥機(jī)的工作特點(diǎn),確定了測(cè)定頻率、谷物水分、電極間距以及谷物層厚度等4個(gè)影響因素。為了方便研究,設(shè)計(jì)了由共面水平電極谷物水分傳感器及其測(cè)量系統(tǒng)組成的專用測(cè)定裝置。利用電介質(zhì)物理學(xué)和生物物理學(xué)知識(shí)對(duì)非勻強(qiáng)電場(chǎng)中谷物電特性進(jìn)行了理論研究。雙電軸形成電場(chǎng)的等電位曲線為兩族圓心互為反演的偏心圓族線。谷物表面極化電荷密度極值點(diǎn)出現(xiàn)在以電軸軸心為圓心的

8、與谷物表面相切的圓的切點(diǎn)處。測(cè)定頻率對(duì)谷物電特性影響與勻強(qiáng)電場(chǎng)中的具有顯著的差異,其間不是對(duì)數(shù)關(guān)系,而是反比關(guān)系。作者利用聲子和勢(shì)能壘理論以及高分子結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō),從微觀結(jié)構(gòu)上解釋了其關(guān)系的成因,并且對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了宏觀擬合,擬合結(jié)果是相關(guān)性高度顯著。當(dāng)測(cè)定頻率較高時(shí),水稻品種間的電特性差異較小。谷物水分與電特性的關(guān)系也不是對(duì)數(shù)關(guān)系,而是3次多項(xiàng)式的關(guān)系.該結(jié)果是由極化、水分和非勻強(qiáng)電場(chǎng)三因素共同作用的動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)果。誤差分析結(jié)果表明,其誤差

9、均小于1％。電極間距對(duì)谷物電特性的影響與谷物水分等因素有關(guān)。原則上是極間距越小,精度越高。但結(jié)合平倉(cāng)式谷物干燥機(jī)的工作特點(diǎn)和試驗(yàn)結(jié)果,極間距應(yīng)當(dāng)適中。谷物層厚度對(duì)電特性的影響主要表現(xiàn)為接觸壓力和容重。共面水平電極因其電極在同一水平面而不存在接觸壓力差,容重的影響也是在高水分情況下才有。所以,谷物層厚度對(duì)電特性的影響在谷物層厚度小于50cm時(shí)可以忽略不計(jì)。根據(jù)平倉(cāng)式谷物干燥機(jī)的工作特點(diǎn),基于非勻強(qiáng)電場(chǎng)的谷物水分在線檢測(cè)方法在測(cè)定頻率為90

10、00Hz,極間距為16mm條件下,谷物電特性與水分的關(guān)系最顯著,效果也最佳。 本文設(shè)計(jì)了由共面水平電極谷物水分傳感器、高頻電源、標(biāo)準(zhǔn)電阻并口數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成的基于非勻強(qiáng)電場(chǎng)的谷物水分在線檢測(cè)裝置。通過(guò)比較、選擇,確定了最佳目標(biāo)函數(shù)。以電極間谷物的電壓降作為目標(biāo)函數(shù),它與水分的關(guān)系也是3次多項(xiàng)式。擬合誤差在谷物水分小于23％時(shí),低于2.6％。在安全水分處,誤差在0.5％左右。能夠滿足平倉(cāng)式谷物干燥機(jī)的工作要求。作者還對(duì)共面水平電極