粮食水分在线测量的声学方法

    引言

    粮食从收获到入库储藏,必须将粮食中的水分降到安全水分以下(南方13%,北方14%).粮食收获时,粮食内水分一般都在20%食干燥到安全水分以下,一般采取自然凉晒和机械烘干2种方法.在西方发达国家和一些新兴的工业化国家,均采用机械烘干法处理粮食,并且干燥设备的自动化程度很高.干燥设备自动化有以下2个明显的优点:(1)减轻操作人员的劳动强度;(2)有利于提高粮食的品质,减少能源消耗,有利于环境保护.目前,我国的干燥设备自动化程度较低,操作人员往往是“模糊”控制,造成在烘干过程中粮食过干和欠干的现象,对节约能源,保证粮食品质很不利,影响粮食的外贸出口.为了提高粮食品质,扩大出口创汇,干燥品质已引起粮食部门的高度重视,对干燥设备实行精确控制势在必行.对干燥设备的精确控制,关键技术在于粮食水分的在线测量.

    粮食水分的标准测量方法是将称重后的粮食试样放在温度为130℃的烘箱内连续烘干19h,然后再称量干后试样的重量,根据失重计算粮食的含水率[1].这种方法费时费力,因此引起人们研究和开发新的、快速简便的水分测量仪的极大兴趣.随着科学技术的发展,先后提出了各种不同的测量方法,并相应研制了许多先进的测量仪器或设备.综合文献资料[2,3,4],目前粮食水分测量方法有电阻法、电容法、平衡相对湿度法、核磁共振法、微波法、红外法、中子法和卡尔菲休法等.其中常用的测量方法是电阻法和电容法,且都是离线测量,不适合于在线测量.其他方法或是成本高,或是结构复杂,不易操作,在实际中很少使用.

    2　实验

    2.1　实验原理

    物体碰撞时产生振动,发出声波.声波可以用其振幅、频率等参数表征,由于振幅很小,表示不便,就用声压级表示.声压级定义为:

    其中:p0是基准声压,大小为2×10-5Pa.

    粮食籽粒的主要成分是淀粉、水和矿物质,可以将其抽象为一弹性体模型.研究表明[5],籽粒的弹性和振动特性与粮食含水率有关.因此当籽粒和物体表面碰撞时,会产生不同频率和振幅的声波.假设籽粒碰撞产生的声波的振幅(或声压级)、频率和粮食含水率3者之间存在某种函数关系,即

Lp=F(m,f) (1)

    对于特定的粮食水分,籽粒碰撞所产生的声波的声压级和频率之间应存在确定的函数关系.通过实验研究可以找出3者之间的关系.

    2.2　实验材料和数据采集系统

    实验材料为冬小麦,根据水分值分为4组,如表1所示.粮食水分值用标准的烘箱法测量.

    根据声学法测量的要求,设计了如图1所示的简易装置.装置由料斗、漏斗、传声器、信号采集与处理系统,收集箱、支架等组成.漏斗上下两端开口,下面的端口比上面的端口小,当粮下流到漏斗上时,可以在较短时间内形成谷堆,继续流下的粮食籽粒和谷堆碰撞,产生声波,经传声器送到信号采集与处理系统.传声器的安装位置离谷堆越近越好,这样可以收集最强烈的声波,但距离太近,粮食籽粒会碰到传声器,因此较好的距离是20～50cm.为了减少外部声波和内部声波反射所造成的干扰,在支架的内壁贴上一层泡沫塑料,收集箱用厚木板制成,其上也覆盖一层厚的泡沫塑料.