自動化棉包回潮率檢測技術初探

文/賈冬 吳志勇 謝代梁 徐志鵬

1 棉花回潮率檢測技術概述

棉花回潮率是指棉花中所含的水分與干纖維重量的百分比，回潮率過高不僅會增加棉花重量，而且會使棉花的性能指標發生變化。因此在棉花的生產和流通中，回潮率檢驗都是非常重要的環節[1-2]。

棉花回潮率的檢測方法可以分為直接法和間接法兩大類。直接法是通過烘干等方法獲得干燥的棉花樣品，并稱量干燥前后的重量計算得到回潮率，檢測準確度高，但檢測過程費時，需要天平、烘箱等試驗設備，只適宜于實驗室使用，不能滿足棉花收購現場的使用要求[3]；間接法是通過檢測與水分有關的物理量（例如電導率、介電常數等），間接地測定水分含量，一般速度較快，操作便利，典型的棉花水分間接測量方式有微波法、紅外線法、CCD（黑白攝像）法、電容法和電阻法等[4-6]。

在國外市場上比較常見的是日本棉花水分測試儀，采用高周波原理研制而成，具有測量水分范圍寬、體積小、重量輕、操作簡便等特點，可在現場快速測定被測物水分，但高周波的強穿透性使儀器的使用受到了一定的限制。韓國開發出了K-331K型便攜式棉花水分測定儀，它采用高頻率原理制成，但其售價昂貴，制約了在國內的推廣普及。1998年由美國軋棉實驗室研制的一種新型電阻式水分測試儀，具有快速準確的優點，而且成本不高[7]。

我國從1901年就開始棉花回潮率的檢驗與監督工作。但我國棉檢儀器的研制比較遲，解放前只有幾種比較簡單的測定棉花水分雜質等指標的烘箱、顯微鏡、天平等，而且大部分都依賴進口。1951年就研制成功了快速的棉花水分電測儀，傳統的“手估目測法”逐漸被電測器法取代。隨著電子技術的飛速發展，特別是新型傳感器及元器件不斷涌現，儀器的技術水平得到了提高。近年來又研制出一批新型的棉花水分測量儀，包括Y412A、Y412B等型號，以及在此基礎上研制出的新型微機原棉水分測定儀BD-M6等型號，在檢測精度和速度上都有較大的提高[8-9]。

2 棉包回潮率自動檢測裝置的提出

目前在我國棉花收購、交接檢驗部門廣泛使用手動式電阻型棉花水分測量儀器，該儀器主要由直流穩壓電源、直流電壓變換、含水測量、溫差測量四部分電路組成，它的原理是測定棉纖維的電阻大小，間接地測定原棉的含水率：原棉含水率高時，其電阻值低，電流大；相反原棉含水率低時，其電阻值高，電流小。影響棉纖維的導電性能的主要因素除了含水率，還有溫度、密度和外加電壓等，為了消除溫度、密度和外加電壓等因素對測量含水率的影響，必須將棉纖維的密度和外加電壓固定，并附加溫度補償電路。

電阻法回潮率測定儀通常由兩個探測器和主機構成（圖1所示），在檢測時由檢定人員將兩個探測器分別插入棉包，然后通過搭扣連接兩個探測器開始測試，測試結果通過主機以數字顯示以及語音播報等形式給出。其優點是測試精度高，速度快，采用電池供電，具有較好的便攜性。

圖1 MBS-Z棉包回潮率測定儀

依據規定，棉花入庫時現場檢驗人員需要按批隨機選取10%（19包）的棉包測試回潮率。在棉花集中入庫的季節，檢驗人員每天需要測試80甚至上百批棉包，此外現場棉包擺放通常為3層6包一個單元，檢測第一層與第二層時需要彎腰操作。通過多個棉花倉庫走訪以及與檢定人員交流得知，目前的人工檢測方式存在以下一些問題：（1）探測器插入過程阻力大，而棉花倉庫現場溫度在冬天可低至－30℃以下，檢定人員勞動強度過高，很難適應長時間連續檢定；（2）探測器兩次插入過程位置差異大，有較強的隨機性，偏差可達5cm甚至更高，導致檢測數據可信度下降；（3）插入過程探測器方向無法精確控制，探針方向偏離時插入阻力會顯著增大，且容易導致探針斷裂；（4）檢測數據需要人為逐個記錄，不能與棉包信息化系統有機結合，既增加了人力成本，也容易導致數據記錄、輸入過程的偏差。

針對人工檢測方式的問題，本文提出一種棉包回潮率自動檢測裝置，以電阻法回潮率測定儀為基礎，針對新疆地區復雜的室外工況以及棉花倉庫現場供電不便等情況，設計能適應低溫工況的電池供電伺服運動系統，整合數據處理單元，實現檢測位置與插入深度的精確定位，極大降低檢測人員的勞動強度，并提高檢測結果的一致性。

3 棉包回潮率自動檢測裝置初步方案

自動檢測裝置總體構成如圖2所示，主要由以下幾個單元構成：（1）回潮率測定儀，由手動操作版本改造而來；（2）機架與伺服運動機構，包括能實現檢測高度調節的升降軸以及控制探測器進出的水平軸；（3）信息處理單元，實現包括條碼讀取以及檢測數據記錄、與檢測數據庫的交互等功能；（4）中心控制單元，負責協調各單元的協同工作；（5）電池供電單元。

圖2 自動檢測裝置總體構成圖

伺服運動機構升降軸和水平軸主要參數如表1所示，機械結構如圖3所示，在底部配置有萬向滾輪，檢測時將該裝置推至棉包正面，選擇棉包檢測層數后升降軸將檢測位置調整至對應的棉包，然后依次啟動兩個水平軸的電機將探測器插入棉包，獲取檢測數據后拔出探測器。一次完整的檢測預計可在20s以內完成，檢測人員僅需選擇按鍵即可完成全部工作。

圖3 自動結構裝置外形示意圖

表1 伺服運動機構主要參數

4 小結

棉花回潮率現場檢測過程存在勞動強度大、檢測數據容易產生偏差等缺點，本文提出的棉包回潮率現場自動檢測裝置，結合了電阻法電測器成熟可靠與伺服運動機構定位準確的優點，利用電池供電，針對低溫工況設計，單次檢測預計可在30s以內完成。其成功研制對于降低纖檢人員的勞動強度，提高檢測數據的準確性將有顯著作用。