糧食水分檢測技術及發展趨勢
來源： 類別：技術文章 更新時間：2010-11-04 閱讀次
糧食水分檢測技術及發展趨勢
1、有損檢測
則是指在測量的過程中待測物粉碎或發生了化學變化，致使其不能保持原有的形狀、結構或組分。在這兩類中，無損檢測的方法更經濟、快捷，發展也最為迅速，是當今世界水分檢測的主流。
2、直接干燥法
直接干燥法是指將待測樣品置于烘箱中，根據ASAE標準，在130℃的溫度下保持19h，測量前后的質量差，即為其水分含量。
3、電容法
電容法是根據水分的介電常數遠遠大于糧食中其它成分的介電常數，水分含量的變化勢必引起電容量變化的原理，通過測量與樣品中水分變化相對應的電容變化即可知糧食的水分含量。代表儀器為SCY-1A，其測量精度≤0.3%，測量時間為5s，測水范圍為10%~20%，主要影響因素為溫度、品種和緊實度。該法可進行在線測量。以上兩種方法的測量原理非常簡單，技術相對來說也比較成熟，但都存在不足之處：直接干燥法
測量周期較長，人為干擾因素多，并且不能進行在線測量；電容法的影響因素較多，在精度和重復性等方面難以達到國家規定標準。隨著人工智能和數據融合技術的發展，為數據綜合處理提供了新的途徑，目前也取得了一些可喜的結果。
4、紅外線加熱干燥法
紅外線加熱干燥法是利用紅外線加熱樣品使其失水，從而達到測量水分含量的目的。代表儀器為SFY-20，測量精度為±0.1%，測量時間為1200s，測水范圍為0~100%，主要影響因素為溫度和加熱時間。該法不能進行在線測量。
5、微波加熱法
微波加熱法是利用微波爐的磁控管所產生的2450MHz或915MHz的超高頻率微波快速振蕩糧食中的水分子，使分子相互碰撞和摩擦，進而去除糧食中的水分。代表儀器為MMA30，測量精度≤0.01%，測量時間為100s，測水范圍為12%~100%，主要影響因素為微波爐的功率、谷物質量、密度和介電特性。該法不能進行在線測量。與傳統干燥法相比，這兩種方法縮短了測量周期、減少了能耗。其中，紅外法不需加熱介質，提高了熱能利用率；微波法操作方便，并可同時測量多種樣品，但它存在溫層效應和棱角效應，造成微波的不均勻，從而影響測量精度。
6、介電損失角法
研究表明：谷物含水率不同，介電損失角也不同，并且呈單值分段線性關系。該方法經濟實用、測量精度高，尤為適合測量高水分谷物。代表儀器為MSA6450，測量時間為0.1s，測水范圍為1%~30%，主要影響因素為溫度和品種。該法可進行在線測量。
7、復阻抗分離電容法
復阻抗分離電容法通過復阻抗分離電路的設計，有效消除電阻參量的影響，而只保留電容參量的變化。這種方法對提高電容式水分計測量精度具有重要意義。
8、高頻阻抗法
高頻阻抗法是依據在敏感頻帶(100k~250kHz)施以外加電場的情況下糧食水分與其交流阻抗呈現對數關系這一理論來測量其水分的。代表儀器為LSK-1，測量精度≤0.5%，測量時間為1.2s，主要影響因素為溫度、品種、緊實度與電極間距。該法不能進行在線測量。
9、摩擦阻力法
糧食的動態摩擦阻力與含水率成線性關系，含水率高，摩擦阻力大。該法干擾因素少，干擾強度低微，傳感技術穩定、可靠，標定方便，調整靈活，壽命長，價格低，便于實現自動控制。
10、聲學法
1986年，Harrenstein和Brusewitz研究了流動谷物碰撞噪聲的測量方法。研究表明：糧食籽粒的彈性和振動特性取決于糧食水分，不同水分的糧食在流動過程中碰撞物體表面時所產生的聲壓不同。聲學法測量重復性好，但噪聲信號的屏蔽是一個難題。代表儀器為聲學法水分測試儀，測量精度≤0.25%，測量時間為0.007s，主要影響因素為噪聲、籽粒大小與形狀。該法可進行在線測量。以上3種方法是目前有待于進一步發展且很有潛力的方法。摩擦阻力法與聲學法在理論上都有望實現在線測量，只是目前干擾因素較多，有些問題還需要進一步探討。高頻阻抗法已經開發出了一種智能插桿式快速水分測定儀，產品已經通過糧油行業的測試檢驗并在糧油系統推廣使用，并被評為國家級重點新產品。
11、核磁共振法
核磁共振法是在一定條件下原子核自旋重新取向，從而使糧食在某一確定的頻率上吸收電磁場的能量，吸收能量的多少與試樣中所含的核子數目成比例。該法檢測迅速、精度高、測量范圍寬，可區分自由水和結合水；其不足之處是儀器昂貴，保養費用大，需精確標定。代表儀器為核磁共振水分測試儀，測量精度≤0.5%，測水范圍為0.05%~100%，主要影響因素為物料流量、堆密度和溫度，可進行在線測量。
12、射線法
近紅外線反射光譜（NIRS）是在1964年應用于糧食水分測定的。由于不同的分子對不同波長的近紅外光具有不同特征的吸收，當用近紅外光（波長為1940nm）照射樣品時，漫反射光的強度與樣品的成分含量有關，服從朗伯—比爾定律。該方法測量快速、簡單，無需對糧食進行烘干，只需在儀器前流動即可檢測，但僅屬于表面測量技術，很難反映整個物料的體積水分（內部水分），測量精度受糧食籽粒的大小、形狀和密度影響。代表儀器為XY617-B，測量精度≤0.2%，測量時間為0.04s，測水范圍為0~45%，主要影響因素為籽粒大小、形狀和密度。該法可進行在線測量。
微波吸收法始于19世紀40年代，它利用糧食中的水分對微波能量的吸收或微波空腔諧振頻率和相位等參數隨水分的變化來間接地測量水分含量的。其優點為靈敏度高、速度快、安全、不損壞物料、可在線連續測量、測量信號易于聯機數字化和可視化；缺點是檢測下限不夠低，易引起駐波干擾，測量值與物料成分有關，不同品種需單獨標定。代表儀器為在線微波水分儀，測量精度為±0.1%，測量時間為0.5s，測水范圍為0~40%，主要影響因素為品種、物料、形狀和密度，并可進行在線測量。
13、中子式水分儀
自20世紀40年代由美國研究成功中子式水分儀以來，世界各國也相繼研制出成各種用途的中子水分儀并商品化。它通過計量慢中子探測器中產生的電壓脈沖個數測量糧食的水分含量。中子式水分儀具有線性度高、高水分段儀器靈敏、冰凍狀態糧食水分仍然可測、不破壞糧食結構、不影響糧食正常運行狀態等優點；缺點在于氫的散射特性不穩定，理論尚未完善，需要人工標定，而且糧食密度和測量體積大小對其精度影響較大。代表儀器為503型，測量精度為±0.5％，測水范圍為0～20%，主要影響因素為密度和體積。該法可進行在線測量。
14、105℃恒重法
用比水沸點略高的溫度（105°±2℃）使經過粉碎的定量式樣中的水分全部汽化蒸發，根據所失水分的質量來計算水分含量。該方法是水分檢測最常用的標準方法之一。
15、定溫定時烘干法
該方法又稱130°±2℃電烘箱法。其原理為：在一定規格的烘盒內稱取經過粉碎的試樣，在規定加熱溫度的烘箱內烘干一定時間，烘干前后質量差即為水分含量。
16、雙烘法
雙烘法主要用于測量高含水量糧食。測量時，先稱取整粒試樣20～30g，放入105℃烘箱中烘干30min，取出冷卻稱質量，然后粉碎，再用105℃恒重法進行烘干測量。
17、隧道式烘箱法
隧道式烘箱法也是定溫定時法的一種，它將象限秤與烘箱結合起來，烘干試樣后無需冷卻可直接用象限秤稱量，并可在象限秤上直接讀出試樣的水分含量。
18、快速失重法
該方法是在物料的極限失重溫度下烘干物料，與經典烘箱法的主要區別是烘干溫度不同。它可以測量一切粉體物料，目前主要用來測量玉米水分。
19、減壓干燥稱重法
該方法利用真空處理技術、微小定量測定技術和數據處理技術來測定水分的。它不受被測物料形狀影響，無需特殊的預處理，操作簡便，可靠性高，并可檢測微量水分。代表儀器為VME型，測量精度為≤0.01%，測水范圍為0.01%~10%。該法不能進行在線測量
20、直流電阻法
干燥糧食的直流電阻很大，而水的電阻很小，被測樣品的含水量的變化勢必引起其導電能力的變化。含水量越高，電阻越小，通過測量樣品的電阻，即可以間接地測定含水量。由于被測樣品的電阻較大，影響檢測取樣，必須降低電阻以獲得更大的取樣信號，因此該方法一般要求將樣品粉碎后再進行測量。代表儀器為LSKC-4B，測量精度為±0.5%，測水范圍為10%~20%，主要影響因素為溫度、品種、緊實度和電極間距。該法可進行在線測量。
21、甲苯蒸餾法
這是一種較常用的化學測水方法，利用與水分不相溶的溶劑(甲苯、二甲苯)組成沸點較低的二元共沸體系，將試樣中的水分蒸餾出來。測量精度比一般干燥法略高，主要用于油脂中水分測量。由于該方法容器壁易附著蒸餾出來的水分，會造成一定的誤差。
22、卡爾·費休法
卡爾·費休（Karl Fischer）法是一種經典的水分測定方法，應用十分廣泛。它利用甲醇和吡啶存在的情況下，水與碘和亞硫酸發生定量化學反應的原理，根據碘的消耗量測出水分含量。卡爾·費休法水分計分為容量法和庫侖法兩大類，都需要用水分標準物質進行標定。該法主要用于微量水分測量，檢測精度很高，但試劑的成本也很昂貴，安裝麻煩，電路復雜。代表儀器為MKS-500，測量精度為±0.015%，測水范圍為10%~100%，主要影響因素為試劑測量誤差。該法不能進行在線測量。
23、壓力法
水與碳化鈣發生化學反應生成乙炔，在一定條件下，乙炔氣體的壓力與其含水量呈線性關系。以上3種方法都是依據化學反應來進行糧食水分測定的。壓力法處于研究階段，卡爾·費休法已經作為某些國家的標準方法。甲苯蒸餾法由于誤差較大，所以目前應用不是很多。
水分檢測技術的發展趨勢
水分儀的種類雖然很多，但其市場潛力卻不盡相同，計算機技術、原子技術與半導體技術的飛速發展，給糧食水分檢測技術的發展提供了廣闊的空間。為了實現全數字、實時在線測量，就必須要有快速無損檢測技術作為保證。隨著對無損檢測技術的需要，無損檢測儀器將逐步實現標準化、通用化和系列化，大規模可編程邏輯器件和數字信號處理器的推廣和成本的降低，必將加速其在無損檢測技術上的應用，不僅提高信號采集和處理速度，滿足市場大量實時性要求，也將縮短開發時間，增加硬件的功能和擴展性。計算機軟件及硬件在無損檢測技術上的應用，將實現溫度等重要檢測因素的自動補償，使檢測儀器由過去的單一化向多用途方向發展，適用于多種不同環境下的無損檢測。互聯網技術的迅猛發展會為無損檢測技術帶來質的飛躍，實現多用戶共享和遠程控制，避免人力、物力和財力的浪費。
1、有損檢測
則是指在測量的過程中待測物粉碎或發生了化學變化，致使其不能保持原有的形狀、結構或組分。在這兩類中，無損檢測的方法更經濟、快捷，發展也最為迅速，是當今世界水分檢測的主流。
2、直接干燥法
直接干燥法是指將待測樣品置于烘箱中，根據ASAE標準，在130℃的溫度下保持19h，測量前后的質量差，即為其水分含量。
3、電容法
電容法是根據水分的介電常數遠遠大于糧食中其它成分的介電常數，水分含量的變化勢必引起電容量變化的原理，通過測量與樣品中水分變化相對應的電容變化即可知糧食的水分含量。代表儀器為SCY-1A，其測量精度≤0.3%，測量時間為5s，測水范圍為10%~20%，主要影響因素為溫度、品種和緊實度。該法可進行在線測量。以上兩種方法的測量原理非常簡單，技術相對來說也比較成熟，但都存在不足之處：直接干燥法
測量周期較長，人為干擾因素多，并且不能進行在線測量；電容法的影響因素較多，在精度和重復性等方面難以達到國家規定標準。隨著人工智能和數據融合技術的發展，為數據綜合處理提供了新的途徑，目前也取得了一些可喜的結果。
4、紅外線加熱干燥法
紅外線加熱干燥法是利用紅外線加熱樣品使其失水，從而達到測量水分含量的目的。代表儀器為SFY-20，測量精度為±0.1%，測量時間為1200s，測水范圍為0~100%，主要影響因素為溫度和加熱時間。該法不能進行在線測量。
5、微波加熱法
微波加熱法是利用微波爐的磁控管所產生的2450MHz或915MHz的超高頻率微波快速振蕩糧食中的水分子，使分子相互碰撞和摩擦，進而去除糧食中的水分。代表儀器為MMA30，測量精度≤0.01%，測量時間為100s，測水范圍為12%~100%，主要影響因素為微波爐的功率、谷物質量、密度和介電特性。該法不能進行在線測量。與傳統干燥法相比，這兩種方法縮短了測量周期、減少了能耗。其中，紅外法不需加熱介質，提高了熱能利用率；微波法操作方便，并可同時測量多種樣品，但它存在溫層效應和棱角效應，造成微波的不均勻，從而影響測量精度。
6、介電損失角法
研究表明：谷物含水率不同，介電損失角也不同，并且呈單值分段線性關系。該方法經濟實用、測量精度高，尤為適合測量高水分谷物。代表儀器為MSA6450，測量時間為0.1s，測水范圍為1%~30%，主要影響因素為溫度和品種。該法可進行在線測量。
7、復阻抗分離電容法
復阻抗分離電容法通過復阻抗分離電路的設計，有效消除電阻參量的影響，而只保留電容參量的變化。這種方法對提高電容式水分計測量精度具有重要意義。
8、高頻阻抗法
高頻阻抗法是依據在敏感頻帶(100k~250kHz)施以外加電場的情況下糧食水分與其交流阻抗呈現對數關系這一理論來測量其水分的。代表儀器為LSK-1，測量精度≤0.5%，測量時間為1.2s，主要影響因素為溫度、品種、緊實度與電極間距。該法不能進行在線測量。
9、摩擦阻力法
糧食的動態摩擦阻力與含水率成線性關系，含水率高，摩擦阻力大。該法干擾因素少，干擾強度低微，傳感技術穩定、可靠，標定方便，調整靈活，壽命長，價格低，便于實現自動控制。
10、聲學法
1986年，Harrenstein和Brusewitz研究了流動谷物碰撞噪聲的測量方法。研究表明：糧食籽粒的彈性和振動特性取決于糧食水分，不同水分的糧食在流動過程中碰撞物體表面時所產生的聲壓不同。聲學法測量重復性好，但噪聲信號的屏蔽是一個難題。代表儀器為聲學法水分測試儀，測量精度≤0.25%，測量時間為0.007s，主要影響因素為噪聲、籽粒大小與形狀。該法可進行在線測量。以上3種方法是目前有待于進一步發展且很有潛力的方法。摩擦阻力法與聲學法在理論上都有望實現在線測量，只是目前干擾因素較多，有些問題還需要進一步探討。高頻阻抗法已經開發出了一種智能插桿式快速水分測定儀，產品已經通過糧油行業的測試檢驗并在糧油系統推廣使用，并被評為國家級重點新產品。
11、核磁共振法
核磁共振法是在一定條件下原子核自旋重新取向，從而使糧食在某一確定的頻率上吸收電磁場的能量，吸收能量的多少與試樣中所含的核子數目成比例。該法檢測迅速、精度高、測量范圍寬，可區分自由水和結合水；其不足之處是儀器昂貴，保養費用大，需精確標定。代表儀器為核磁共振水分測試儀，測量精度≤0.5%，測水范圍為0.05%~100%，主要影響因素為物料流量、堆密度和溫度，可進行在線測量。
12、射線法
近紅外線反射光譜（NIRS）是在1964年應用于糧食水分測定的。由于不同的分子對不同波長的近紅外光具有不同特征的吸收，當用近紅外光（波長為1940nm）照射樣品時，漫反射光的強度與樣品的成分含量有關，服從朗伯—比爾定律。該方法測量快速、簡單，無需對糧食進行烘干，只需在儀器前流動即可檢測，但僅屬于表面測量技術，很難反映整個物料的體積水分（內部水分），測量精度受糧食籽粒的大小、形狀和密度影響。代表儀器為XY617-B，測量精度≤0.2%，測量時間為0.04s，測水范圍為0~45%，主要影響因素為籽粒大小、形狀和密度。該法可進行在線測量。
微波吸收法始于19世紀40年代，它利用糧食中的水分對微波能量的吸收或微波空腔諧振頻率和相位等參數隨水分的變化來間接地測量水分含量的。其優點為靈敏度高、速度快、安全、不損壞物料、可在線連續測量、測量信號易于聯機數字化和可視化；缺點是檢測下限不夠低，易引起駐波干擾，測量值與物料成分有關，不同品種需單獨標定。代表儀器為在線微波水分儀，測量精度為±0.1%，測量時間為0.5s，測水范圍為0~40%，主要影響因素為品種、物料、形狀和密度，并可進行在線測量。
13、中子式水分儀
自20世紀40年代由美國研究成功中子式水分儀以來，世界各國也相繼研制出成各種用途的中子水分儀并商品化。它通過計量慢中子探測器中產生的電壓脈沖個數測量糧食的水分含量。中子式水分儀具有線性度高、高水分段儀器靈敏、冰凍狀態糧食水分仍然可測、不破壞糧食結構、不影響糧食正常運行狀態等優點；缺點在于氫的散射特性不穩定，理論尚未完善，需要人工標定，而且糧食密度和測量體積大小對其精度影響較大。代表儀器為503型，測量精度為±0.5％，測水范圍為0～20%，主要影響因素為密度和體積。該法可進行在線測量。
14、105℃恒重法
用比水沸點略高的溫度（105°±2℃）使經過粉碎的定量式樣中的水分全部汽化蒸發，根據所失水分的質量來計算水分含量。該方法是水分檢測最常用的標準方法之一。
15、定溫定時烘干法
該方法又稱130°±2℃電烘箱法。其原理為：在一定規格的烘盒內稱取經過粉碎的試樣，在規定加熱溫度的烘箱內烘干一定時間，烘干前后質量差即為水分含量。
16、雙烘法
雙烘法主要用于測量高含水量糧食。測量時，先稱取整粒試樣20～30g，放入105℃烘箱中烘干30min，取出冷卻稱質量，然后粉碎，再用105℃恒重法進行烘干測量。
17、隧道式烘箱法
隧道式烘箱法也是定溫定時法的一種，它將象限秤與烘箱結合起來，烘干試樣后無需冷卻可直接用象限秤稱量，并可在象限秤上直接讀出試樣的水分含量。
18、快速失重法
該方法是在物料的極限失重溫度下烘干物料，與經典烘箱法的主要區別是烘干溫度不同。它可以測量一切粉體物料，目前主要用來測量玉米水分。
19、減壓干燥稱重法
該方法利用真空處理技術、微小定量測定技術和數據處理技術來測定水分的。它不受被測物料形狀影響，無需特殊的預處理，操作簡便，可靠性高，并可檢測微量水分。代表儀器為VME型，測量精度為≤0.01%，測水范圍為0.01%~10%。該法不能進行在線測量
20、直流電阻法
干燥糧食的直流電阻很大，而水的電阻很小，被測樣品的含水量的變化勢必引起其導電能力的變化。含水量越高，電阻越小，通過測量樣品的電阻，即可以間接地測定含水量。由于被測樣品的電阻較大，影響檢測取樣，必須降低電阻以獲得更大的取樣信號，因此該方法一般要求將樣品粉碎后再進行測量。代表儀器為LSKC-4B，測量精度為±0.5%，測水范圍為10%~20%，主要影響因素為溫度、品種、緊實度和電極間距。該法可進行在線測量。
21、甲苯蒸餾法
這是一種較常用的化學測水方法，利用與水分不相溶的溶劑(甲苯、二甲苯)組成沸點較低的二元共沸體系，將試樣中的水分蒸餾出來。測量精度比一般干燥法略高，主要用于油脂中水分測量。由于該方法容器壁易附著蒸餾出來的水分，會造成一定的誤差。
22、卡爾·費休法
卡爾·費休（Karl Fischer）法是一種經典的水分測定方法，應用十分廣泛。它利用甲醇和吡啶存在的情況下，水與碘和亞硫酸發生定量化學反應的原理，根據碘的消耗量測出水分含量。卡爾·費休法水分計分為容量法和庫侖法兩大類，都需要用水分標準物質進行標定。該法主要用于微量水分測量，檢測精度很高，但試劑的成本也很昂貴，安裝麻煩，電路復雜。代表儀器為MKS-500，測量精度為±0.015%，測水范圍為10%~100%，主要影響因素為試劑測量誤差。該法不能進行在線測量。
23、壓力法
水與碳化鈣發生化學反應生成乙炔，在一定條件下，乙炔氣體的壓力與其含水量呈線性關系。以上3種方法都是依據化學反應來進行糧食水分測定的。壓力法處于研究階段，卡爾·費休法已經作為某些國家的標準方法。甲苯蒸餾法由于誤差較大，所以目前應用不是很多。
水分檢測技術的發展趨勢
水分儀的種類雖然很多，但其市場潛力卻不盡相同，計算機技術、原子技術與半導體技術的飛速發展，給糧食水分檢測技術的發展提供了廣闊的空間。為了實現全數字、實時在線測量，就必須要有快速無損檢測技術作為保證。隨著對無損檢測技術的需要，無損檢測儀器將逐步實現標準化、通用化和系列化，大規模可編程邏輯器件和數字信號處理器的推廣和成本的降低，必將加速其在無損檢測技術上的應用，不僅提高信號采集和處理速度，滿足市場大量實時性要求，也將縮短開發時間，增加硬件的功能和擴展性。計算機軟件及硬件在無損檢測技術上的應用，將實現溫度等重要檢測因素的自動補償，使檢測儀器由過去的單一化向多用途方向發展，適用于多種不同環境下的無損檢測。互聯網技術的迅猛發展會為無損檢測技術帶來質的飛躍，實現多用戶共享和遠程控制，避免人力、物力和財力的浪費。
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