電容法與電阻法測量煙葉含水率的對比研究

羅麗瓊　張天順　魯紹坤等

摘要：以煙包形式的復烤煙葉為試材，對比研究了電容法與電阻法測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行方程擬合。結果表明：電容法測試時，電容與煙葉含水率均呈顯著相關，在1、10、100 kHz頻率下，隨著頻率的增大，電容值對頻率的敏感度降低，煙葉含水率與電容值相關方程擬合度也降低，數學模型可用對數模型表示；電阻法測試時，測試電壓對電阻測量結果無顯著影響，采用雙桿電極測量的電阻值與煙葉含水率呈顯著相關，建立兩者間的數學模型為二次多項式；采用電容法測量煙葉含水率比電阻法更優，以單桿電極、測試頻率1 kHz情況下檢測的電容值與煙葉含水率的模擬方程擬合度最高。

關鍵詞：煙葉；含水率；單電極；雙電極；電容法；電阻法

中圖分類號：S572.01 文獻標識號：A 文章編號：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

對煙葉進行自然醇化是改善其質量、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，而含水率是煙葉發生霉變的主要原因之一[2，3]，因此，煙葉含水率檢測是預防霉變的前提。電容法[4～9]與電阻法[10～13]是常用的物料水分快速實時檢測方法，可運用于煙葉含水率檢測。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備進入庫房檢測[14]，而最佳頻率與最佳電壓可以提高儀器測量的準確性，降低實際功耗。Ksenzhek等[15]曾研究了水分虧缺對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系，Briggs[17]提出小麥水分含量與其直流電阻存在對數關系，這些研究均表明了儀器測量值與測試電壓或頻率有關。本試驗研究了單電極與雙電極測量煙葉含水率與外加測試頻率和電壓的關系，并對電容法與電阻法的方案進行比較，確定最優方法，為煙葉含水率快速無損檢測技術研究與實踐提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗材料為以煙包形式存放的復烤煙葉，由云南中煙工業有限責任公司提供，試驗地點在昆明煙草物流中心。

1.2 儀器

①電極：電極由不銹鋼實心桿和絕緣手柄組成，桿長35 cm，單桿半徑0.4 cm， 雙桿桿中心距離4 cm；桿頂端1 cm制成錐形探針結構；絕緣手柄端連出兩根導線；

②智能LCR測試儀：型號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LQ-A10002，規格0.01～1 000 g；endprint

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

⑥ZL號信封（130 mm×120 mm）。

1.3 試驗設計與方法

1.3.1 試驗設計 電容法施加1、10、100 kHz三種頻率測量，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量，為方案7～12。各試驗方案見表1。

1.3.2 試驗方法 隨機取20箱煙包，每箱檢測點在煙包正中心。試驗時將單桿電極垂直插入煙包35 cm，用LCR測試儀與電極導線連接，打開開關，分別施加1、10、100 kHz頻率，穩定5 s后讀取煙葉電容值Cij；再用絕緣萬能表與電極導線連接，打開開關，分別施加250、500、1 000 V電壓，穩定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，分別測量電容值與電阻值。隨后以測量點為中心，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 結果與分析

2.1 兩種方法測量結果分析

由圖1和圖2可見，同一樣品不同方案的電容測量值差異較大，但電容變化趨勢一致。單桿作電極時，1、10、100 kHz頻率下測定的電容值極差分別為95.8、16.4、3.7 pF；雙桿作電極時，1、10、100 kHz頻率下的電容值極差分別為258.3、40.7、13.7 pF。可見，不論是單桿還是雙桿作電極，低頻率下測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，對煙葉水分的變化敏感度降低。對于同一測定點，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，即電容值與測定頻率呈反比關系。

由圖3和圖4可見，電阻法不同方案測定結果的變化趨勢一致。電極對測定結果影響較大，單桿電極測得的電阻值明顯高于雙桿電極。單桿電極測出的電阻均值在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。可見，對于同一電極，施加的電壓大小對電阻測量結果影響不大，但電極的極數對電阻測量結果有明顯影響。

2.2 煙葉含水率與電容值及電阻值的相關性分析

以煙葉含水率為因變量、電容值與電阻值分別為自變量進行線性和曲性擬合，只取相關系數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性密切，除單桿電極100 kHz頻率方案的擬合方程相關系數r小于0.8外，其余的相關系數均大于0.8。根據決定系數R2可知，無論是單桿電極還是雙桿電極，對于同種電極，頻率越大，方程擬合度越低。在電容法的測試方案中，采用單桿電極1 kHz頻率方案測量的結果方程擬合度最高，其中對數模型的擬合情況最好，模擬方程為y=0.039lnx-0.057，R2=0.832，F=88.840，均是電容法方案中的最大值。

對于電阻法，所有的單電極檢測方案中，電阻與煙葉含水率不存在高度相關性。雙桿電極測量時，外加電壓的大小對檢測結果有明顯影響。當施加250 V電壓時，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 結論與討論

本研究結果表明，不同頻率電容法測定的電容值變化趨勢一致，不同電壓電阻法測定的電阻值變化趨勢也一致，其中電容與頻率、電阻與電壓均呈反比。電容法測量時，低頻率比高頻率下測量的結果波動更明顯；電阻法測量時，使用單電極測量的結果比雙電極的檢測結果波動更明顯。

當測試頻率為1、10、100 kHz時，雙桿電極測量電容值數據的波動性較大，頻率越低，變化幅度越大，當測定頻率增大時，電容值變化逐漸趨于平緩，即其對煙葉水分變化的敏感度降低。因此該試驗以擬合檢驗值R2較大的1 kHz 作為測量煙葉電容值的最優測試頻率。

當測試電壓為250、500、1 000V時，單桿電極測量電阻值數據的波動性較大，且電阻值與煙葉含水率的擬合檢驗值R2未達到0.5，說明單桿電極不適用在電阻法中。而雙桿電極下測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值R2較大、雙桿電極、電壓為250 V的方案作為測量煙葉電阻值的最優方案。擬合電阻值與煙葉含水率關系的數學模型為：y=ax2-bx+c，試驗中模型的系數a、b、c 范圍分別為：0.004

綜合對比電容法與電阻法的試驗結果，方程擬合度最高的是單電極、1 kHz頻率的電容法實驗方案，模擬方程為y=0.039lnx-0.057，R2=0.832。因此，采用單電極、施加1 kHz頻率的電容法是測量煙葉含水率的最佳方法。

在實驗方案的選擇中，電極數對測量結果精度的影響很大。當把雙桿電極插入煙包時，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導致電容測量值的改變，因此，雙桿電極測量的結果誤差比單桿電極大。

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