微波法籽棉回潮率測試儀在籽棉收購加工中的應(yīng)用研究

龔4*李育平

(1.新疆維吾爾自治區(qū)塔里木大學(xué)，阿拉爾 843300；2.新疆奎木星測控技術(shù)有限公司，阿拉爾 843300；3.阿拉爾纖維檢驗(yàn)所，阿拉爾 843300；4.北京服裝學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100029)

1 籽棉回潮率解決方案發(fā)展現(xiàn)狀

在棉花收購中，我國一直以公定重量作為棉花的結(jié)算標(biāo)準(zhǔn)，回潮率是公定重量的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)之一，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定公定回潮率為 8.5% ，并以此對交易的棉花重量進(jìn)行扣補(bǔ)，該回潮率為皮棉的回潮率。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也都是建立在以皮棉回潮率的基礎(chǔ)上進(jìn)行[1]。然而籽棉收購加工過程都是以籽棉進(jìn)行結(jié)算或控制相關(guān)參數(shù)，而籽棉結(jié)算重量中關(guān)于扣水扣雜的依據(jù)一直沒有得到有效的解決，從而經(jīng)常造成棉花加工廠和棉農(nóng)之間的糾紛。同時影響著棉花加工工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性，影響棉花加工質(zhì)量，但由于其沒有具體的測量評判準(zhǔn)則，現(xiàn)有加工設(shè)備對籽棉回潮率的要求也流于形式，不能很好的控制，在加上棉農(nóng)結(jié)算也依靠經(jīng)驗(yàn)，造成市場收購混亂，加工效率降低[2]。

筆者所在的在新疆阿拉爾地區(qū)對于籽棉回潮率普遍采用的是插入式回潮率報(bào)警器，但該設(shè)備受密度、溫度、回潮率變化范圍影響較大，且對籽棉結(jié)算重量影響較大，在2015年棉花市場上就明確提出不能采用該儀器作為籽棉回潮率補(bǔ)水扣重的依據(jù)。為了解決市場的需求以及籽棉檢測的需要，政府聯(lián)合各部門研發(fā)了一款基于微波法籽棉回潮率測試儀，它能很好的解決插入式回潮率報(bào)警器存在的問題，為籽棉的回潮率檢測提供一種新方案。并且為籽棉回潮率檢驗(yàn)補(bǔ)水扣重提供重要依據(jù)，從而極大的減少加工廠和棉農(nóng)之間因?yàn)樽衙藁爻甭恃a(bǔ)水扣重之間的糾紛，同時為堆放分垛和加工提供更好的選擇[3]。

2 插入式回潮率報(bào)警器存在的局限性

我國目前對棉花回潮率的測試方法有直接法和間接法，直接法主要是將物品中的水分剝離并通過計(jì)算水分和干重的百分比計(jì)算回潮率；間接法它主要是利用纖維和水分子的某些特性，通過儀器在不同回潮之間所表現(xiàn)出的不同數(shù)值，并利用標(biāo)定特定數(shù)值和棉花回潮率之間關(guān)系建立關(guān)系，從而得到棉纖維回潮率的測量。在實(shí)際測量籽棉回潮率過程中我們對直接和間接法做了如下分析：

對于直接法而言其測量結(jié)果準(zhǔn)確度高，受環(huán)境影響小，但是測試周期長、被測對象易損壞，較適宜于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用，不能滿足實(shí)際生產(chǎn)加工的需求。在直接法中測量干燥棉花的方法有烘箱法、紅外線干燥法、微波加熱干燥法、吸濕劑干燥法、真空干燥法等[4]。在試驗(yàn)中通常使用的是烘箱法，在本文的第三部分就采用了烘箱法與微波法回潮率測試儀對比的試驗(yàn)，用于驗(yàn)證微波法回潮率測試儀在實(shí)際生產(chǎn)過程中的準(zhǔn)確性。

而對于間接法而言其優(yōu)點(diǎn)是可對籽棉可進(jìn)行快速、連續(xù)測量，其實(shí)時性強(qiáng)、便于攜帶、易操作，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用較廣泛，是國內(nèi)外棉花回潮率測量的主流方法。在間接法中主要采用電學(xué)測濕法，如電阻式測濕儀、電容式測濕儀、微波測濕法和紅外測濕法等。如下我們對上文所述的插入式籽棉回潮率報(bào)警器進(jìn)行簡要的分析。

2.1 插入式籽棉回潮率測定儀工作原理

插入式籽棉回潮率測定儀在使用過程中儀器能在測試探頭周圍產(chǎn)生對水分子敏感的電磁場，并利用水分子吸收能量的特性產(chǎn)生固定的電場能與失去的電場能進(jìn)行比較得出準(zhǔn)確的水分值。針對含水量不同的被測物，儀器根據(jù)其吸收的能量不同從而得出不同的水分值來[5](實(shí)物圖如圖1所示)。

圖1 插入式籽棉回潮率報(bào)警器實(shí)物圖

2.2 插入式回潮率報(bào)警器存在的問題

插入式籽棉回潮率報(bào)警器自使用以來，其存在的缺陷逐漸暴露出來，且越來越無法承擔(dān)起對籽棉回潮率的檢測職責(zé)，我們通過長時間的試驗(yàn)分析得出該儀器所存在的問題：

插入式籽棉回潮率報(bào)警器溫度傳感器位置缺陷會影響測試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性；儀器受棉花密度影響很大，不同裝花車輛測量的回潮率差異很大且測量范圍較小，不能測量8.5%以下的回潮率，存在坑農(nóng)現(xiàn)象；該儀器還無法檢測籽棉的高回潮率，會使部分棉農(nóng)加水，導(dǎo)致加工廠利益受損，所以該儀器不被認(rèn)可，無法通過技術(shù)鑒定，下文還介紹了微波法籽棉回潮率測試儀與插入式回潮率報(bào)警器的性能對比實(shí)驗(yàn)。

3 微波法回潮率測試儀設(shè)備試用及結(jié)果

3.1 工作原理及核心構(gòu)成

為了解決插入式籽棉回潮率報(bào)警器在籽棉檢測中長時間所存在的問題，相關(guān)研發(fā)部門利用了微波衰減原理獲取物料回潮率的方法制造了微波法回潮率檢測儀(圖2，3所示)。該設(shè)備由工控機(jī)控制單元，容器加壓單元，溫度補(bǔ)償單元，稱重單元，行走機(jī)構(gòu)單元，電源系統(tǒng)，回潮率快速檢測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，微波掃描系統(tǒng)，數(shù)據(jù)打印處理及上傳系統(tǒng)等組成。

其中微波掃描單元為設(shè)備的核心單元，其工作原理是棉纖維和水分的介電常數(shù)以及損耗角正切值在微波(頻率10GHz～12 GHz) 下存在顯著差異，當(dāng)微波在該媒介中傳輸時，隨著被測對象回潮率的變化，微波就會產(chǎn)生不同程度的衰減，通過測量微波的衰減量即可得到棉花回潮率。

同時在研發(fā)過程中為了解決回潮率測量易被測對象密度影響，于是設(shè)置該儀器能同時測量微波衰減與相移的2個參量 。如圖4所示，該方法通過發(fā)射天線將特定頻率的微波信號穿過被測對象，通過接收天線接收到具有不同衰減及相位信息的微波信號，并對此進(jìn)行運(yùn)算處理便可得到回潮率。

圖2 微波法回潮率測試儀操作界面圖

圖3 微波法回潮率測試儀定性產(chǎn)品實(shí)物圖

為了精確測量回潮率，該設(shè)備還采用自動稱量籽棉棉樣重量，并根據(jù)裝量將籽棉壓縮成固定密度后進(jìn)行微波掃描，從而保證了在等密度條件下關(guān)于回潮率分母的定值處理問題，提高了檢測精度[6]。

圖4 微波法回潮率測試儀工作原理圖示

3.2 微波法回潮率測試儀創(chuàng)新點(diǎn)

除了運(yùn)用微波衰減原理研發(fā)本儀器之外，本儀器最大的優(yōu)勢在于其操作過程方便快捷，操作人員經(jīng)過簡單的培訓(xùn)即可在在田野地頭完成對棉花回潮率的快速檢測。同時配套儀器還具體開發(fā)了配套的籽棉檢測綜合服務(wù)平臺(圖5為綜合服務(wù)平臺系統(tǒng)構(gòu)成圖)。該綜合服務(wù)平臺實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的直連，可以將檢測的結(jié)果直接上傳，并進(jìn)行結(jié)果分析比對，進(jìn)而完成對采購棉花的產(chǎn)地溯源和定價(jià)分析。避免了人情化和轉(zhuǎn)圈棉的現(xiàn)象，保證了交易的公平公正性。同時通過數(shù)據(jù)綜合服務(wù)平臺也可以為日后打造新疆棉花品牌奠定基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對棉花的質(zhì)量檢測。從而形成新疆棉花生產(chǎn)到加工到品牌效應(yīng)的全產(chǎn)業(yè)鏈服務(wù)。

圖5 綜合服務(wù)平臺的系統(tǒng)組成圖

3.3 對比烘箱法對微波法和插入式進(jìn)行定性實(shí)驗(yàn)分析

3.3.1試驗(yàn)準(zhǔn)備

首先設(shè)定回潮等級，再根據(jù)回潮率公式：籽棉回潮率=(籽棉濕重—籽棉干重)/籽棉干重[7]，計(jì)算籽棉高，中，低3種回潮率所需的水分范圍，為制作高，中，低3種回潮率的籽棉樣品做準(zhǔn)備(表1)。

表1 回潮率水分范圍

3.3.2 微波法和插入式回潮率測試儀對比分析檢測

取100kg機(jī)采棉混勻后，取出3大份每一份各25kg，再在此基礎(chǔ)上將每大份分為5份，分別標(biāo)記為G1～G5、Z1～Z5、D1～D5。用微波法籽棉回潮率測試儀進(jìn)行檢測，記錄檢測的回潮率數(shù)值和推板壓縮籽棉后籽棉在框內(nèi)的高度，然后在每一組棉花檢測完畢記錄數(shù)據(jù)之后，再用插入式回潮率報(bào)警器對每一組的棉花回潮率進(jìn)行檢測，記錄上述所測數(shù)據(jù)并用如下公式計(jì)算出不同檢測儀器同等級回潮率平均值和樣品的回潮率方差(表2)。

(1)記錄各樣品回潮率，計(jì)算同等級回潮率平均值：

(1)

式中：R——平均回潮率，%；

n——試驗(yàn)樣品數(shù)。

(2)按表1記錄各試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別計(jì)算相同回潮等級的5個樣品的回潮率方差：

(2)

表2 微波法測量及插入式試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

3.3.3烘箱法

根據(jù)GB5009.3-2010用微波法籽棉回潮率測試儀檢測完畢后在從G1～G5、Z1～Z5、D1～D5每份中取100g籽棉樣品，并以密封袋保存，用天平稱量籽棉毛重，計(jì)算樣品凈重。要注意取樣時盡可能均勻取樣，減少誤差，然后在每份上分別標(biāo)記g1.1～g5、z1.1～z5、d1.1～d5在用烘箱法對每份樣品分3次進(jìn)行試驗(yàn)，按照如下公式對樣品的回潮率和樣品的平均回潮率進(jìn)行計(jì)算。并按表3記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

檢測完畢后再將原先測量過的G1～G5、Z1～Z5、D1～D5每份單獨(dú)混合，分別取樣標(biāo)記為A1～A5、B1～B5、C1～C5，且A1～A5的質(zhì)量分別為3kg、3.5kg、4kg、4.5kg、5kg，B1～B5和C1～C5操作步驟相同，用微波法籽棉回潮率測試儀檢測其回潮率，同時測量裝樣框內(nèi)樣品的高度，檢測完畢后還需要從測試后的高回潮、低回潮中各取2kg為H1；高回潮、中回潮中各取2kg為H2；中回潮、低回潮中各取2kg為H3。用微波法測出回潮率，將記錄的和處理的數(shù)據(jù)填入表4中。

(1)樣品回潮率

(1)

式中：ri——第 i 個試驗(yàn)樣品回潮率， %；

gi——第 i 個試驗(yàn)樣品濕重， g；

gi0 ——第 i 個試驗(yàn)樣品干重，g。

(2)平均回潮率

(2)

式中：r——平均回潮率，%；

n——試驗(yàn)樣品數(shù)。

表3 烘箱法對比準(zhǔn)確性試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

表4 微波法測量籽棉回潮率一致性試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

3.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

(1)從表2和表3中微波法回潮率測量值可以看出高回潮的儀器測量平均值和烘箱法測量平均值分別為17.7和17.6、中回潮的分別為12.1和12.2、低回潮的分別為9.8和10.1，均值差異均在0.3之內(nèi)，而插入式儀器高回潮的測量平均值為11.8、中回潮的分別為9.3、低回潮的為7.3，與烘箱法均值差異最小為2.8，最大為5.8，均超過微波法的均值差異，所以與烘箱法相比微波法回潮率測量數(shù)值有較好的準(zhǔn)確性。

(2)從表2中得出，微波法所測的相同質(zhì)量高、中、低回潮的樣品方差分別為0.52、0.28、0.16，回潮率方差最大0.52，插入式所測的同等級樣品方差分別為2.63、0.94、0.79，回潮率方差最大為2.63。由數(shù)據(jù)對比可知，微波法插入式籽棉回潮率測試儀相比于插入式回潮率報(bào)警器在排除環(huán)境對數(shù)據(jù)的影響以及人為誤差有較好的性能，而且對比每組測得數(shù)據(jù)可知前者所測的數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，誤差較小。足以說明微波法測量籽棉回潮率的重復(fù)性較好。

(3)從表4中得出，不同質(zhì)量高、中、低回潮的樣品微波法測得的回潮率方差分別為0.19、0.36、0.26，回潮率計(jì)算方差最大0.36；由此可以證明微波法測量籽棉回潮率的一致性較好，可以指導(dǎo)生產(chǎn)和作為結(jié)算的依據(jù)。

(4)微波法籽棉回潮率測量儀設(shè)備的稱重和電子天平稱重基本無差異，可滿足設(shè)備使用。

(5)微波法籽棉回潮率測量儀采用等密度制樣方法進(jìn)行測量，經(jīng)過初步統(tǒng)計(jì)，采用自動稱量和控制壓縮推桿形成，制樣密度基本一直，對測量精度具有很大的輔助作用。

4 效益展望

微波法籽棉回潮率測量儀的研制，改變了以往只扣不補(bǔ)或者說不敢扣不敢補(bǔ)的現(xiàn)象，通過精確測量棉籽的回潮率，對超過8.5%的籽棉高回潮進(jìn)行結(jié)算重量扣重進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，尤其是對超過12%的籽棉回潮率進(jìn)行精確測量。在檢測過程中若發(fā)現(xiàn)超過12%的高回潮籽棉，可以及時晾曬，避免因?yàn)榛爻甭食钜鸬拿棺儯?jīng)過初步測算，可以為加工廠減少因?yàn)榭壑夭粶?zhǔn)而帶來的損失不低于3000萬元；并且在檢測后堆垛時讓同類回潮率的籽棉連續(xù)加工，提高籽棉加工的一致性，減少因?yàn)榛爻甭首兓{(diào)整設(shè)備烘干和加濕的不確定性操作，提高工作效率和皮棉質(zhì)量[8]。

根據(jù)2017年度籽棉回潮率檢測結(jié)果統(tǒng)計(jì)，小于8.5%籽棉回潮率測棉農(nóng)約占總數(shù)量的20%左右，如果按照XJ130測試的皮棉回潮率進(jìn)行補(bǔ)水扣重，則皮棉回潮率低于8.5%的將超過70%，而且大量的皮棉回潮率低于6%，由于皮棉只占到籽棉的40%左右，按照阿拉爾地區(qū)籽棉產(chǎn)量約80萬噸計(jì)算，如果按照皮棉回潮率進(jìn)行籽棉回潮率補(bǔ)重將會給各加工廠帶來每年不少于1億元的損失，目前該儀器已經(jīng)在北疆19個國家公證檢驗(yàn)倉庫正式應(yīng)用，使用的情況都得到了不錯的回應(yīng)。

微波法籽棉回潮率檢測儀已于2018年9月通過了技術(shù)鑒定評審，并由中國纖維檢驗(yàn)局印發(fā)了關(guān)于《棉包回潮率檢測方法驗(yàn)證試驗(yàn)專家鑒定意見書》”，它肯定了微波法測試回潮率相比插入式籽棉回潮率檢測儀更具有科學(xué)性、穩(wěn)定性和重復(fù)性，我們還在此基礎(chǔ)之上還建立了相關(guān)的地方和國家標(biāo)準(zhǔn)。最終該設(shè)備的研究成功，填補(bǔ)了籽棉回潮率間接快速測量的空白，并為籽棉回潮率公平公正的收購檢驗(yàn)提供了依據(jù)，因而該設(shè)備在未來的棉花市場中潛力是巨大的，值得大力推廣。