平行板電容器測量煙葉含水率的方法

羅麗瓊 張軍情 魯紹坤等

摘要[目的]為提高煙葉含水率的檢測效率，建立平行板電容器測量煙葉含水率的方法。[方法]通過對BXK、B3F、C3F、X2F、CSF、BSF 6個等級煙葉含水率與電容進行檢測，研究不同等級煙葉含水率與測量電容值的關系，建立電容與煙葉含水率的對數模型。[結果] 以6種等級煙葉電容為基礎建立的含水率對數模型為Y=A×ln（x）+B，其預測結果與采用烘箱法測定結果的擬合效果理想。[結論] 用平行板電容器測量煙葉含水率的方法是可行的。

關鍵詞含水率；電容器；擬合方程；烘箱法

中圖分類號S-3文獻標識碼A文章編號0517-6611（2015）31-025-03

Method of Parallel Plate Capacitor Measuring Moisture Content of Tobacco

LUO Liqiong，ZHANG Junqing， LU Shaokun et al （Yunnan Agricultural University， Kunming， Yunnan 650201）

Abstract[Objective] In order to improve the detection efficiency of the tobacco moisture， the method of parallel plate capacitor measuring moisture content of tobacco leaves was established. [Method]By detecting tobacco moisture and capacitance of BXK， B3F， C3F， X2F， CSF and BSF， the relationship between water content and capacitance measurements of the different grades of tobacco leaves was studied， and a logarithmic model of the tobacco moisture content and capacitance was established. [Result] On the basis of the capacitance of the six grade of tobacco leaves， the logarithm model of the moisture content was Y = A ln （x） + B. The fitting effect of prediction results and that of the oven method was ideal. [Conclusion]The method of parallel plate capacitor measuring tobacco moisture content is feasible.

Key wordsMoisture content； Capacitor； Fitting equation； Oven method

煙葉屬于膠質毛細管多孔體物質[1-3]，對空氣濕度十分敏感，具有靈敏的吸濕性和放濕性[4]。煙葉含水率會影響煙葉的物理特性（質量、抗破碎性、填充性等），也會影響煙葉的生物化學變化，影響煙葉的色香味[5]。因此，煙葉含水率與加工、貯存、運輸等各個環節關系密切[6]。煙葉含水率過低，葉片易破碎，不易成包調運，在醇化加工和打葉復烤過程中會增加損耗，降低生產利潤；煙葉含水率過高，不利于儲存保管，煙葉顏色易變暗，甚至霉變而降低或失去使用價值。適宜的含水率能夠保持煙葉的完整性，確保煙葉的使用價值，并且在平衡含水率的條件下達到自然醇化和提高煙葉品質的目的。目前，煙草、煙草制品含水率檢測主要以烘箱法[7-9]為依據，但是該方法的檢測過程復雜，耗時費力。通過測量煙葉的電容后轉換成含水率，可減少水分檢測的時間。平行板電容器是利用物體的介電特性原理來檢測的。目前，已有許多學者利用植物的電特性對物料的含水率進行檢測[10-11]。平行板電容器快速檢測水分的方法在農業中的應用已經很多，同時在棉花[12]、大豆[13-14]、土壤[15]、木材[16]等含水率檢測已得到實踐。有研究表明，電容值與煙葉含水率間的相關性達到0.01顯著水平[17]。利用同軸圓筒形電容器進行煙絲含水量的測量，測量精度達到0.5%～2.0%，適用于卷煙生產現場[18]。該研究中平行板電容器容積小，適用于實驗室少量煙葉含水率的測量。從電磁理論分析，煙葉的介電特性應由煙葉的各種成分、分子結構的電性共同決定，因此不同等級煙葉的電容測量結果可能稍有差異。以煙葉為電容器的極間介質，當電容器的正對面積、極間距離保持不變時，通過測量電容值，即可轉換成被測煙葉的含水率。為此，通過研究不同等級煙葉含水率與測量電容值的關系，建立平行板電容器測量煙葉含水率的方法，以期實現快速檢測煙葉含水率的目標。該試驗有助于開發新的庫存煙葉含水量快速檢測儀器，為研制更快捷檢測煙葉含水量的儀器提供理論依據。

1材料與方法

1.1材料和儀器供試樣品取自云南中煙工業有限責任公司昆明市紅錦路煙葉存儲庫區。6個等級煙葉分別是BXK、B3F、C3F、X2F、CSF、BSF。

檢測儀器有10002型電子天平（1 000 g/0.01 g，瑞安市安特稱量設備有限公司）；DHG1010電熱鼓風干燥箱（電壓220 V，功率0.8 kW，容積35 cm×35 cm×35 cm，上虞市滬越儀器設備廠）；TH2822C智能LCR測試儀（準確度0.25%，常州銳品精密儀器有限公司）；平行板電容器（面積85 mm×55 mm，兩板距離20 mm）；⑤手動攪碎機（9 cm×9.5 cm×14.5 cm，永康市重中重五金制品廠）；⑥電飯鍋（額定電壓220 V，額定頻率50 Hz，額定功率350 W，廉江市歐美善電器廠）。

1.2試驗方法

1.2.1取樣。分別取6個等級煙葉各500 g，用手動研磨機磨碎，每個等級分成15份，每份30 g。利用電飯鍋煮沸水的蒸汽對樣品加濕。每份樣品采用不同的加濕時間，使樣品獲得不同梯度的含水率。

1.2.2測試。分別把每個等級的15份不同含水率的樣品填充于平行板電容器中，用智能LCR測試儀分別檢測其在頻率1、10和100 kHz下的電容值，并且記錄試驗數據。在每份樣品測試完畢后，取出樣品稱量，其質量記為m1。待15份樣品測試稱量完畢后一起放入烘箱中烘干，每份樣品烘干后質量記為m2。6個等級煙葉的測試試驗重復以上步驟。含水率計算公式為：

W=m1-m2m2×100%（1）

2結果與分析

2.1煙葉含水率與電容的對數模型分別在1、10、100 kHz頻率下繪制以電容為自變量、以含水率為因變量的擬合曲線，取相關系數最大的對數模型（圖1）。從擬合方程可以看出，不同等級煙葉在不同頻率下測量的電容與含水率的關系可用對數模型Y=A×ln（x）+B描述，其中x為電容，A為系數，B為常數。由表1可知，頻率1 kHz下的ln（x）的系數A平均值為0.072，頻率10 kHz的ln（x）系數的平均值為0.244 8，頻率100 kHz的ln（x）系數平均值為0.151 5，表明ln（x）系數大小與頻率有關，但不同等級煙葉同一頻率下系數相差不大，說明測試頻率對對數模型的系數有顯著影響；頻率越高，擬合方程常數越大，但不同煙葉等級同一頻率下常數相差較大；1 kHz平均決定系數（R2）為0.976 4，10 kHz平均決定系數為0.930 0，100 kHz平均決定系數為0.954 0，三者對比用頻率1 kHz測量的電容與含水率的擬合方程相關性最高，且在同一等級下頻率1 kHz下檢測的電容與含水率的擬合方程擬合度均最高。

2.2測試頻率與煙葉等級對電容的影響對測試頻率與煙葉等級對電容的影響進行可重復雙因素分析。從表2可以看出，用于檢測“等級”的P值=0.48>α=0.05，表明不同煙葉等級的測量電容值之間無顯著差異，即煙葉等級對測量結果無影響；用于檢測“頻率”的P值=0<α=005，表明不同測試頻率下測量的電容值之間有0.05水平顯著差異，即測試頻率對測量結果有顯著結果；交互作用反映等級因素和頻率因素聯合產生的對測量電容值結果的附加效應，用于檢驗的P值=0.72>α=0.05，說明煙葉等級和測試頻率的交互作用對測量結果無顯著影響。

2.3總模型模擬及驗證由于煙葉種類等級繁多，如果每個等級都建立一個模型，那么將會耗費很大精力。方差分析結果表明，煙葉等級對測量結果無顯著差異。因此，把所有煙葉等級數據進行匯總，模擬出一個不分等級的模型。由此可知，在頻率1 kHz下檢測結果的精度最高，因此選擇頻率1 kHz下測量的數值進行模擬（圖2），總數學模型為y=0.071 1ln（x）-0.063，R2=0.952。雖然模型擬合度在0.9以上，但其精度低于單個等級模型的精度。

將6個等級煙葉隨機加濕到任一含水率，分別在頻率1 kHz下測量其電容值，利用其單模型與總模型預測含水率，并且以烘箱法檢測的含水率為實測值進行比較，驗證模型精度。從表3可以看出，針對每個等級煙葉建立的模型預測出的含水率與實測值的相對誤差在0.29%～7.49%之間，平均相對誤差為3.52%；而總模型的相對誤差在1.02%～10.79%之間，平均相對誤差為4.95%，總模型的穩定性比單模型低。但是，B3F與CSF等級單模型的相對誤差比總模型高，表明等級不是影響模型精度的主要因素。因此，建立一個忽略等級因素的數學模型是可行的。其前提條件是要收集大量等級煙葉的試驗數據進行分析建模。

3討論

以6種等級煙葉電容為基礎，建立含水率對數模型Y=A×ln（x）+B。其預測結果與烘箱法測定結果相比，擬合效果理想。單模型測量精度為0.29%～7.49%，總模型精度為1.02%～10.79%。但是，與文獻[18]利用同軸圓筒形電容器進行煙絲含水量的測量精度達0.5%～2.0%相比，該平行板電容器測量精度略低。其原因可能是測量時的煙葉尺寸不夠小，電容器之間的填充有縫隙，導致介質不穩定，影響測量結果。

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