远红外快速水分仪在生物质计量检测中的应用
远红外快速水分仪在生物质计量检测中的应用
摘要：现在已存的生物质水分检测方法很多，不仅在传统的检测方法上有了发展，而且也出现了一些新的检测方法。在本文中先对已有的生物质水分检测方法进行了总结，然后介绍了基于远红外加热法的快速水分仪在生物质计量检测中的应用及其前景。
关键字：远红外；水分检测；生物质；
0 引言
生物质水分含量的测定是生物质计量检测的重要组成部分。生物质水分含量的检测对生物质的质量、储藏等有着重要意义。另外在最新的生物质固体燃料制作等领域，水分含量的检测所起的作用也越来越大。
水分检测所采用的方法不同使水分仪的种类也很多。原子技术、半导体技术与计算机技术的飞速发展，给粮食水分检测技术的发展提供了广阔的空间。为了实现全数字、实时在线测量，就必须要有快速无损检测技术作为保证。随着对无损检测技术的需要，无损检测仪器将逐步实现标准化、通用化和系列化，大规模可编程逻辑器件和数字信号处理器的推广和成本的降低，必将加速其在无损检测技术上的应用，不仅可以提高信号采集和处理速度，满足市场大量实时性要求，也将缩短开发时间，增加硬件的功能和扩展性。计算机软件及硬件在无损检测技术上的应用，将实现温度等重要检测因素的自动补偿，使检测仪器由过去的单一化向多用途方向发展，适用于多种不同环境下的无损检测。[1]远红外加热作为一种新型加热技术也被用于加热干燥法的水分检测中，而远红外快速检测水分仪就是一种集远红外无损加热和可编程逻辑器件于一体的新型生物质水分检测仪器。
1现有的水分检测方法分类及介绍
随着生物质水分含量的检测重要性的增加，关于水分测量的方法也得到了各种探索。从原始的空手接触等方式到如今的各种科学的检测方法或设备，水分检测变得越来越精确和简单。目前已有的生物质水分检测方法基本可以分为两种：一种是直接检测法，另一种是间接检测法。
直接检测法就是通过加热干燥后用天平进行称重这一原始的操作方法来测定水分的含量。不过随着科技不断进步，直接检测法的加热方式及效果也越来越先进。所以把直接检测法又分为传统加热法和现代科技加热法。[2]
传统加热法其实就是平常所说的烘干法或失重法。根究加热温度和方法的不同又被我们分为：低温烘干法（又称标准测定法）、高温烘干法（快速失重测定法）高水分预处理法（二次烘干法）、隧道式烘箱法。[3-4]这几种方法虽然都是通过传统的加热方式来测定水分含量，但其各自所适用的生物质种类又各不相同，如果不加区分的话会造成生物质水分含量的较大误差。另外，也有一些研究者根据不同情况把高温烘干法和隧道式烘箱法相结合来测定生物质含量。
低温烘干法就是在105℃的温度下，把式样干燥到重量不变（或变动的范围在允许的范围内），根据所失的水分重量来计算水分的含量。拥有与此法采用的温度较低，稍超出水的沸点，在这种温度下对生物质其他成分的损失非常微小，所以测得的水分较一般方法准确，故被称为标准法，缺点是耗时太久。高温烘干法是利用较高的温度（130℃）在限定
的时间内烘干试样，根据失去的重量算出水分含量，与标准法类似，但因为温度较标准法高，所以容易引起生物质中其他成分的变化，所以必须严格控制烘干试样的温度和时间，才能更好的保证测定结果的准确性。[3]高水分预处理法是针对水分含量较高的生物质产品分两次加热。至于隧道式烘箱法则通过烘箱内的更加细致的设计来对试样进行加热。
现代科技加热法有远红外加热法以及在其基础上发展而来的石英加热、卤素灯微波加热、红外陶瓷加热、激光加热等先进的加热技术。[5]这几类加热法的使用大多通过微机操控各类传感器等先进技术制成水分检测仪，使得水分的检测不再是一个复杂繁琐的过程，而是智能的，放入试样后按下按键就可以等待测试结果通过显示屏显现出来了。但是这种检测相对成本较高，而且对试样也有一定的要求。如激光加热，虽然其加热速度快、效果也好，但是成本太高，所以使用激光加热的很少。
间接检测法是在对检测物不产生较大损坏的检测方法。它通过检测含水生物质的电容、电阻和对光的吸收等方式，对检测的得出的数据进行一系列的计算从而间接得出生物质中水分的含量。间接检测法包括：电容式检测法、化学检测法、电导（阻）检测法、中子检测法、微波检测法、核磁共振法和光学检测法（包含近红外检测法）等。[1]
电容检测法的原理是根据常温下干燥粮食的介电常数为2-4，而水的介电常数约为80，把试样作为电容式水分传感器的极间介质时，试样含水率的变化必将引起介电常数的相对变化，在电容器极板面积和极板间距不变的情况下，可以根据电容值的变化测定出粮食的介电常数值，由此可以推出检测试样的含水量。[1]电导法也是类似，通过测量电阻变化而得出含水量。
中子检测法是利用快速中子被氢原子慢化的刺激反应原理来测定生物质水分含量的。生物中氢原子的量可以决定中子源受高压冲击每秒钟产生的快中子变成慢中子的数量，而氢原子的含量与生物质含水量成一定比例，所以可以以此得出生物质的水分值。[3]
微波检测法又可以分为：透射法、反射法和腔体微扰法。作为极性分子的水在微波场作用下极化，表现出对微波的特殊敏感性。水分子对微波场作用的宏观效果使微波电场能量发生变化，微波接收器拾取的能量变化就反映了水分子的多少，即物料中含水的多少。[6]
核磁共振法的实质就是在一定的条件下，由于原子核自旋重新取向的结果是试样在某一个确定的频率上吸收电磁场的能量。吸收能量的多少与试样中所含的核子数目成比例。基于这个原理来测定试样的水分含量。[7]
光学法以近红外检测法为例。近红外检测法可分为透射法和反射法。但是其原理都是一样的。都是通过水分对一定波长的光的吸收来测定，不同是透射法是通过检测透射过试样的光与原始光强度的变化来检测水分含量，而反射光是通过被反射的光与原始光的强度变化来进行测量。因为光测容易受颜色、表面状态等因素的影响，所以可以通过用另一个不会被水吸收的波长的光作为比较光，增加水分测量的的精确性。
2 不同生物质产品检测方法不同
生物质是一个宏观的名词，它包括粮食、农作物废弃物、动物粪便等等。根据其种类、含水量、甚至形状体积不同，其检测水分含量的适用方法也不同，比如厚度较大的话就肯定无法用光的透射法检测。同时也受检测设备的成本、检测所需时间和检测试样损坏程度的制约，有些检测方法虽然准确度高，但是因为所需时间太长，所以不能适用于日常的生活中，所以只能用精度相差很小，但是检测方便快捷的方法。但在应用于精确度要求高的科技实验时，一定要选择准确度高的检测方法（国标法）。在这里我们以玉米和秸秆成型燃料的水分检测方法为例。
在玉米水分的检测中，准确地进行水分检测成为玉米储藏过程和轮换过程中的一个关键环节。检测玉米水分的方法有：加热干燥法、蒸馏法、电测法、微波法、核磁共振法及近红外分光吸收光谱法等。其中蒸馏法一般用于检测液体水分；微波法、核磁共振法近年来在国外用于检测水分，但设备较为昂贵；近年来各地研制了不少型号的电阻式、电容式水分测定仪，但因其受粮温及粮食品种差异的影响，所以电测法对于业务量较大且需要检测速度的综合性粮库来说也并不适用；近红外分光吸收光谱法在一些发达国家已作为国标法加以使用，但由于我国玉米种植品种异常复杂，且用此法检测水分的试样在粉碎过程中水分散失较大，故在实际工作过程中也不适用于玉米的水分检测。[8]我国目前检测玉米水分的标准方法是热干燥法，热干燥法是适用于玉米的长期储存，无需考虑时间问题。如用烘干机烘干玉米时这个方法因为时间需要一个小时而不再适用。
秸秆成型燃料是先进的工业技术与再生资源相结合的产品，是一种新型可再生、清洁、无公害生物能源。在秸秆成型制作过程中，秸秆的粉碎程度和含水率是其中的关键，用干燥法检测秸秆的含水率是不现实的，一个是因为时间的制约，另一个是当水分不足时需要及时补水，所以这需要实时检测。在这里微波是比较适用于秸秆成型中的水分检测的。具有能穿透声衰减很大的非金属材料的特性，其优点是设备不太复杂、非接触式、便于自动化，可适用于秸秆成型燃料生产线的连续、快速测量和自动控制。[9]
3远红外快速检测水分仪的应用
远红外快速检测水分仪是利用远红外线加热干燥、电子天平精密称重的方法来测量不含有或含有微量挥发性物质成分的固体或胶体的水分含量的一种水分检测仪器。其检测方法属于直接检测法的一种，但又不同于传统的加热干燥检测，是用远红外线进行加热。两者虽然都是通过加热干燥的方法来进行水分检测，但是却会产生不同的结果。远红外快速水分检测仪可应用于药品检测中对中药丸剂、散剂、颗粒剂、胶囊等产品的微量水分检测，同样也可应用于食品、化工等行业的水分检测。
远红外加热法属于直接加热法，传统的烘干法是在干燥箱中加热的方法。虽然这种方法是目前认为的最准确的检测方法，很多其他的测量方法都是以该方法作为基准。但是整个操作过程需耗费大量时间和能量，同时该方法在样品表面易结硬壳焦化，使内部水分蒸发受阻，从而影响测量精度。微波加热法也是一种新型的加热方法，微波是一种穿透性很强的电磁波，它可以使含水等级性成分物质内外同时加热升温，从而蒸发水分。缺点是微波加热存在温层效应、棱角效应，从而造成微波的不均匀，影响精度。[7]
远红外法的加热原理是采用红外线对检测物体加热失水以达到测量水分的目的。远红外线加热可以使加热效率成倍提高，并且能够对粮食加热均匀，从而避免了结焦，更加有利于水分蒸发。它的检测结果误差小于0.2%，检测时间平均为10-30min,比一般烘干法加热速度快，并且精度很高，所以使远红外快速检测水分仪很受欢迎。
4 远红外快速检测水分仪的工作原理
远红外水分测定仪由远红外辐射加热器、微机控制装置、重量实时处理单元组成。如果需要可配置打印机。自动打印加热温度、样品重量、样品含水百分比等参数。其原理框图如图1所示。远红外水分测定仪应用直接加热干燥法和天平称重法原理，将样品加热前的重量W0与样品加热后的重量W1，由天平采样并通过微处理器进行计算。精确获取样品含水百分比数值。[10]
远红外加热干燥技术是利用许多物质易于吸收远红外线的特点，通过远红外辐射器将热能转变为红外辐射能，直接辐射到被加热物体上。远红外线又称长波红外线，其波长范
围从5.6um至1000um。当远红外与被加热物体的基本质点的固有运动频率相匹配时，就会很好地吸收辐射能并产生激烈的共振，迅速升温，使物体达到快速、均匀加热干燥的目的。
水分检测的数学公式为：
样品含水百分比=
在公式中W0为样品进行加热之前的质量，单位为克；W1为样品进行加热之后的质量，单位为克。
图1
用户可以通过按键设定自己需要的加热温度和时间，加热时通过温度传感器把温度信号发给微控制器，如果温度高于设定温度的时候，微控制器反馈一个信号对远红外线加热舱加以控制。称重传感器一样可以检测到远红外加热舱中剩余试样的质量，反馈给微控制器。微控制器在接收到各种信息后可以对信息进行处理，在把结果存储到存储器中的同时显示在显示模块中，当需要使用存储器的信息时随时可以通过键盘控制微控制器访问存储器读取里面的信息。如果用户有需要的话还可以直接通过键盘操作把检测结果打印出来。
在以微控制器为核心的基础上，综合远红外加热技术和温度、称重传感器，通过存储器和液晶屏来存储和显示各类数据，这就是远红外快速检测水分仪的工作原理。至于各个模块的工作原理就不再一一论述。
5 远红外快速检测水分仪的展望
目前在生物质的水分检测中，远红外快速水分仪的应用越来越多。虽然加热原理相同，但是不同厂家生产的水分仪构造却不尽相同。比如有些厂家的水分仪在取放样品时仪器盖是要掀开的，这就出现了掀开后的远红外线直射人脸的危险情况。而最新的远红外水分仪则解决了这一问题，最新型的远红外水分仪的加热舱使用的是升降式技术，确保远红外线始终照射在样品上，不会再对人体产生危险。还有就是对显示模块的改进，新型远红外水分仪的显示模块用的是工业大屏幕高清显示屏，但是由于成本等原因，LED数码管的显示屏仍然占据着市场近90%的占有率。随着时间的推移新型的安全、高效和显示模块清晰的远红外快速检测水分仪必将会得到更好的普及。
未来水分仪依然会朝着快速、高效、精确、可编辑的集成模块方向发展，远红外水快速的优良特性必然会得到更大的推广。
参考文献：
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