電容法與電阻法測(cè)量煙葉含水率的對(duì)比研究

羅麗瓊　張?zhí)祉槨◆斀B坤等

摘要：以煙包形式的復(fù)烤煙葉為試材，對(duì)比研究了電容法與電阻法測(cè)量煙葉含水率的差異，并將電容值與電阻值分別與煙葉含水率進(jìn)行方程擬合。結(jié)果表明：電容法測(cè)試時(shí)，電容與煙葉含水率均呈顯著相關(guān)，在1、10、100 kHz頻率下，隨著頻率的增大，電容值對(duì)頻率的敏感度降低，煙葉含水率與電容值相關(guān)方程擬合度也降低，數(shù)學(xué)模型可用對(duì)數(shù)模型表示；電阻法測(cè)試時(shí)，測(cè)試電壓對(duì)電阻測(cè)量結(jié)果無顯著影響，采用雙桿電極測(cè)量的電阻值與煙葉含水率呈顯著相關(guān)，建立兩者間的數(shù)學(xué)模型為二次多項(xiàng)式；采用電容法測(cè)量煙葉含水率比電阻法更優(yōu)，以單桿電極、測(cè)試頻率1 kHz情況下檢測(cè)的電容值與煙葉含水率的模擬方程擬合度最高。

關(guān)鍵詞：煙葉；含水率；單電極；雙電極；電容法；電阻法

中圖分類號(hào)：S572.01 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A 文章編號(hào)：1001-4942（2015）08-0100-04

Abstract The differences of moisture content in tobacco leaves measured by capacitance method and resistance method were analyzed with packed redried tobacco leaves as materials. The correlation of moisture content with capacitance and resistance values was fitted with equations. The results showed that measured by capacitance method， the testing capacitance and tobacco moisture showed a significant correlation； at plus 1 kHz， 10 kHz and 100 kHz frequency， the sensitivity of capacitance to frequency reduced with the increase of frequency， and the fitting degree of equations also reduced； logarithmic model could be used to fit the correlation between capacitance and moisture content. When measured by the resistance method， the test voltage had no significant effect on resistance value； the resistance value measured with dual-rod electrodes showed a significant correlation with the moisture content in tobacco leaves， and the quadratic polynomial model could be used to fit their correlation. The capacitance method was better than the voltage method in measuring tobacco moisture content. The simulation equation could obtain the highest fitting degree， when the capacitance was measured with single-pole electrode at 1 kHz of frequency.

Key words Tobacco leaves； Single-pole electrode； Dual-rod electrode； Capacitance method； Resistance method

對(duì)煙葉進(jìn)行自然醇化是改善其質(zhì)量、提高其可用性的有效方法[1]。霉變是煙葉醇化期間煙倉管理的一大障礙，而含水率是煙葉發(fā)生霉變的主要原因之一[2，3]，因此，煙葉含水率檢測(cè)是預(yù)防霉變的前提。電容法[4～9]與電阻法[10～13]是常用的物料水分快速實(shí)時(shí)檢測(cè)方法，可運(yùn)用于煙葉含水率檢測(cè)。煙葉在醇化期間以煙包堆垛的方式存放，為了防爆防火安全，只能用電池供電的儀器設(shè)備進(jìn)入庫房檢測(cè)[14]，而最佳頻率與最佳電壓可以提高儀器測(cè)量的準(zhǔn)確性，降低實(shí)際功耗。Ksenzhek等[15]曾研究了水分虧缺對(duì)玉米葉片直流電阻的影響，魏永勝等[16]研究了小麥葉片電特性與外加電壓和頻率的關(guān)系，Briggs[17]提出小麥水分含量與其直流電阻存在對(duì)數(shù)關(guān)系，這些研究均表明了儀器測(cè)量值與測(cè)試電壓或頻率有關(guān)。本試驗(yàn)研究了單電極與雙電極測(cè)量煙葉含水率與外加測(cè)試頻率和電壓的關(guān)系，并對(duì)電容法與電阻法的方案進(jìn)行比較，確定最優(yōu)方法，為煙葉含水率快速無損檢測(cè)技術(shù)研究與實(shí)踐提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)材料為以煙包形式存放的復(fù)烤煙葉，由云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司提供，試驗(yàn)地點(diǎn)在昆明煙草物流中心。

1.2 儀器

①電極：電極由不銹鋼實(shí)心桿和絕緣手柄組成，桿長(zhǎng)35 cm，單桿半徑0.4 cm， 雙桿桿中心距離4 cm；桿頂端1 cm制成錐形探針結(jié)構(gòu)；絕緣手柄端連出兩根導(dǎo)線；

②智能LCR測(cè)試儀：型號(hào)TH2822C，頻率范圍100 Hz～100 kHz；

③UT533絕緣萬用表：電壓檔有50、100、250、500、1 000 V；

④電子天平：型號(hào)LQ-A10002，規(guī)格0.01～1 000 g；endprint

⑤XGQ-3000F智能型數(shù)字溫度控制器；DHG型電熱鼓風(fēng)干燥箱，電壓220 V，功率0.8 kW，容積35 cm×35 cm ×35 cm；

⑥ZL號(hào)信封（130 mm×120 mm）。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 電容法施加1、10、100 kHz三種頻率測(cè)量，電極分單桿和雙桿，分別為方案1～6；電阻法施加250、500、1 000 V三種不同電壓，同樣采用單桿與雙桿電極測(cè)量，為方案7～12。各試驗(yàn)方案見表1。

1.3.2 試驗(yàn)方法 隨機(jī)取20箱煙包，每箱檢測(cè)點(diǎn)在煙包正中心。試驗(yàn)時(shí)將單桿電極垂直插入煙包35 cm，用LCR測(cè)試儀與電極導(dǎo)線連接，打開開關(guān)，分別施加1、10、100 kHz頻率，穩(wěn)定5 s后讀取煙葉電容值Cij；再用絕緣萬能表與電極導(dǎo)線連接，打開開關(guān)，分別施加250、500、1 000 V電壓，穩(wěn)定5 s后讀取煙葉的絕緣電阻值Rij。同樣的操作，將雙桿電極插入煙包中，分別測(cè)量電容值與電阻值。隨后以測(cè)量點(diǎn)為中心，翻開表面5 cm左右厚度煙葉，向下取煙葉50 g左右放入信封，立即稱重，重量記作Mi；隨后把裝有煙葉的信封放入烘箱中烘烤，時(shí)間為2 h，烘烤溫度為100℃，冷卻至室溫后稱重，重量記作mi。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩種方法測(cè)量結(jié)果分析

由圖1和圖2可見，同一樣品不同方案的電容測(cè)量值差異較大，但電容變化趨勢(shì)一致。單桿作電極時(shí)，1、10、100 kHz頻率下測(cè)定的電容值極差分別為95.8、16.4、3.7 pF；雙桿作電極時(shí)，1、10、100 kHz頻率下的電容值極差分別為258.3、40.7、13.7 pF?？梢?，不論是單桿還是雙桿作電極，低頻率下測(cè)定的電容值變化幅度較大，隨著頻率的增加，電容值變化幅度減小，對(duì)煙葉水分的變化敏感度降低。對(duì)于同一測(cè)定點(diǎn)，同一頻率下，雙桿電極的電容值比單桿大；同一電極，頻率小的電容值大，即電容值與測(cè)定頻率呈反比關(guān)系。

由圖3和圖4可見，電阻法不同方案測(cè)定結(jié)果的變化趨勢(shì)一致。電極對(duì)測(cè)定結(jié)果影響較大，單桿電極測(cè)得的電阻值明顯高于雙桿電極。單桿電極測(cè)出的電阻均值在7.3～9.3 MΩ之間，極差最大為20.2 MΩ，雙桿電極的電阻均值僅為1.0～1.5 MΩ，極差最大為6.3 MΩ?？梢?，對(duì)于同一電極，施加的電壓大小對(duì)電阻測(cè)量結(jié)果影響不大，但電極的極數(shù)對(duì)電阻測(cè)量結(jié)果有明顯影響。

2.2 煙葉含水率與電容值及電阻值的相關(guān)性分析

以煙葉含水率為因變量、電容值與電阻值分別為自變量進(jìn)行線性和曲性擬合，只取相關(guān)系數(shù)r大于0.8的方程（見表2）。

由表2可以看出，電容值和煙葉含水率間的相關(guān)性密切，除單桿電極100 kHz頻率方案的擬合方程相關(guān)系數(shù)r小于0.8外，其余的相關(guān)系數(shù)均大于0.8。根據(jù)決定系數(shù)R2可知，無論是單桿電極還是雙桿電極，對(duì)于同種電極，頻率越大，方程擬合度越低。在電容法的測(cè)試方案中，采用單桿電極1 kHz頻率方案測(cè)量的結(jié)果方程擬合度最高，其中對(duì)數(shù)模型的擬合情況最好，模擬方程為y=0.039lnx-0.057，R2=0.832，F(xiàn)=88.840，均是電容法方案中的最大值。

對(duì)于電阻法，所有的單電極檢測(cè)方案中，電阻與煙葉含水率不存在高度相關(guān)性。雙桿電極測(cè)量時(shí)，外加電壓的大小對(duì)檢測(cè)結(jié)果有明顯影響。當(dāng)施加250 V電壓時(shí)，電阻與煙葉含水率擬合方程的R2為0.703，隨著電壓加大，R2逐漸減小。但是，電阻法擬合方程的R2均低于電容法，說明方程擬合度較低。

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，不同頻率電容法測(cè)定的電容值變化趨勢(shì)一致，不同電壓電阻法測(cè)定的電阻值變化趨勢(shì)也一致，其中電容與頻率、電阻與電壓均呈反比。電容法測(cè)量時(shí)，低頻率比高頻率下測(cè)量的結(jié)果波動(dòng)更明顯；電阻法測(cè)量時(shí)，使用單電極測(cè)量的結(jié)果比雙電極的檢測(cè)結(jié)果波動(dòng)更明顯。

當(dāng)測(cè)試頻率為1、10、100 kHz時(shí)，雙桿電極測(cè)量電容值數(shù)據(jù)的波動(dòng)性較大，頻率越低，變化幅度越大，當(dāng)測(cè)定頻率增大時(shí)，電容值變化逐漸趨于平緩，即其對(duì)煙葉水分變化的敏感度降低。因此該試驗(yàn)以擬合檢驗(yàn)值R2較大的1 kHz 作為測(cè)量煙葉電容值的最優(yōu)測(cè)試頻率。

當(dāng)測(cè)試電壓為250、500、1 000V時(shí)，單桿電極測(cè)量電阻值數(shù)據(jù)的波動(dòng)性較大，且電阻值與煙葉含水率的擬合檢驗(yàn)值R2未達(dá)到0.5，說明單桿電極不適用在電阻法中。而雙桿電極下測(cè)得的電阻值與煙葉含水率擬合方程的R2在0.651～0.703之間，隨著電壓的增大，R2逐漸減小。因此電阻法以擬合檢驗(yàn)值R2較大、雙桿電極、電壓為250 V的方案作為測(cè)量煙葉電阻值的最優(yōu)方案。擬合電阻值與煙葉含水率關(guān)系的數(shù)學(xué)模型為：y=ax2-bx+c，試驗(yàn)中模型的系數(shù)a、b、c 范圍分別為：0.004

綜合對(duì)比電容法與電阻法的試驗(yàn)結(jié)果，方程擬合度最高的是單電極、1 kHz頻率的電容法實(shí)驗(yàn)方案，模擬方程為y=0.039lnx-0.057，R2=0.832。因此，采用單電極、施加1 kHz頻率的電容法是測(cè)量煙葉含水率的最佳方法。

在實(shí)驗(yàn)方案的選擇中，電極數(shù)對(duì)測(cè)量結(jié)果精度的影響很大。當(dāng)把雙桿電極插入煙包時(shí)，由于煙葉堆積的阻礙，雙桿電極很難垂直平行插入，兩桿間距的微小變化會(huì)導(dǎo)致電容測(cè)量值的改變，因此，雙桿電極測(cè)量的結(jié)果誤差比單桿電極大。

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