基于非勻強電場的谷物水分在線檢測方法研究.pdf

1、谷物干燥機械是實現(xiàn)谷物生產(chǎn)機械化的重要機具之一。谷物干燥機械化已經(jīng)成為我國谷物生產(chǎn)全程機械化的瓶頸。目前,雖然已經(jīng)有一些塔式干燥機械應用,但我國廣大的農(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國情。為了加速社會主義新農(nóng)村建設,實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械化,專家們提出了適合我國農(nóng)村的平倉式谷物干燥機的設想,并開展廣泛研究。但是,由于平倉式谷物干燥機工作原理和結(jié)構(gòu)上的原因,無法采用傳統(tǒng)的電容式谷物水分在線檢測方法來在線測定谷物水分。所以,研

2、究開發(fā)一種適用于平倉式谷物干燥機的新型的谷物水分在線檢測方法已經(jīng)成為一項擺在我們面前刻不容緩的任務。 本文從勻強電場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。結(jié)合谷物本身介于電介質(zhì)與生命體之間這一特點,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,并且通過試驗探討了他們的成因和機理。極化帶電是由載流子的定向運動和偶板子的取向共同造成的。其貢獻多寡與谷物的生命特征有關(guān)。當谷物水分較低時,谷物的生命特征較弱

3、,可以作為電介質(zhì)處理。這時偶極子的取向是極化帶電的主要貢獻者。而當谷物水分較高時,谷物的生命特征較強,應該作為生命體處理。這時濃差極化增強,載流子的定向運動成為極化帶電的主要貢獻者。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運動中。雖然尚無摩擦帶電的權(quán)威性成因解釋,但是,通過試驗,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)。當谷物的介電常數(shù)大于摩擦材料的介電常數(shù)時,谷物帶負電；而當谷物的介電常數(shù)小

4、于摩擦材料的介電常數(shù)時,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的表現(xiàn)形式之一。它是由于谷物生命活動中維持細胞膜內(nèi)外物質(zhì)交換的膜電勢差所造成的,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。從安全水分開始,隨著谷物水分的增加,生命帶電量增大。 在電特性應用方面,本文重點介紹了谷物清選分級和水分檢測。谷物清選分級研究很多,但應用基本沒有.對于谷物清

5、選分級機研制,沒有確定一個能夠反映谷物分離程度的能夠指導設計的參數(shù)。通過試驗研究,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機設計中的量化指標。試驗結(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。本文測定了一些谷物的極化力質(zhì)比。對于谷物水分檢測,靜態(tài)檢測基本成熟,已經(jīng)有了商品機型銷售；而在線檢測雖然已經(jīng)應用在一些大型干燥機上,如塔式干燥機,但是,由于研究狀態(tài)的不同以及修正措施上的滯后,導致了示值誤差

6、高達1.5％左右。更重要的是傳統(tǒng)的基于電特性的谷物水分測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上的應用,例如平倉式谷物干燥機。通過農(nóng)業(yè)物料的電特性應用介紹,我們試圖尋求一種新的谷物水分在線檢測方法。本文從滿足平倉式谷物干燥機結(jié)構(gòu)需要出發(fā),提出了基于非勻強電場的谷物水分在線檢測方法。進行了非勻強電場中谷物電特性理論研究和大量的試驗研究。同時設計并試驗了共面水平電極谷物水分傳感器及其測量系統(tǒng)?；诜莿驈婋妶龅墓任锼衷诰€檢測

7、方法的理論核心是由雙電軸組成的非勻強電場中谷物的電特性。參照勻強電場中谷物電特性,并根據(jù)平倉式谷物干燥機的工作特點,確定了測定頻率、谷物水分、電極間距以及谷物層厚度等4個影響因素。為了方便研究,設計了由共面水平電極谷物水分傳感器及其測量系統(tǒng)組成的專用測定裝置。利用電介質(zhì)物理學和生物物理學知識對非勻強電場中谷物電特性進行了理論研究。雙電軸形成電場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處。測定頻率對谷物電特性影響與勻強電場中的具有顯著的差異,其間不是對數(shù)關(guān)系,而是反比關(guān)系。作者利用聲子和勢能壘理論以及高分子結(jié)構(gòu)學說,從微觀結(jié)構(gòu)上解釋了其關(guān)系的成因,并且對試驗結(jié)果進行了宏觀擬合,擬合結(jié)果是相關(guān)性高度顯著。當測定頻率較高時,水稻品種間的電特性差異較小。谷物水分與電特性的關(guān)系也不是對數(shù)關(guān)系,而是3次多項式的關(guān)系.該結(jié)果是由極化、水分和非勻強電場三因素共同作用的動態(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)合平倉式谷物干燥機的工作特點和試驗結(jié)果,極間距應當適中。谷物層厚度對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,谷物層厚度對電特性的影響在谷物層厚度小于50cm時可以忽略不計。根據(jù)平倉式谷物干燥機的工作特點,基于非勻強電場的谷物水分在線檢測方法在測定頻率為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。 本文設計了由共面水平電極谷物水分傳感器、高頻電源、標準電阻并口數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成的基于非勻強電場的谷物水分在線檢測裝置。通過比較、選擇,確定了最佳目標函數(shù)。以電極間谷物的電壓降作為目標函數(shù),它與水分的關(guān)系也是3次多項式。擬合誤差在谷物水分小于23％時,低于2.6％。在安全水分處,誤差在0.5％左右。能夠滿足平倉式谷物干燥機的工作要求。作者還對共面水平電極