自动化棉包回潮率检测技术初探

文/贾冬 吴志勇 谢代梁 徐志鹏

1 棉花回潮率检测技术概述

棉花回潮率是指棉花中所含的水分与干纤维重量的百分比，回潮率过高不仅会增加棉花重量，而且会使棉花的性能指标发生变化。因此在棉花的生产和流通中，回潮率检验都是非常重要的环节[1-2]。

棉花回潮率的检测方法可以分为直接法和间接法两大类。直接法是通过烘干等方法获得干燥的棉花样品，并称量干燥前后的重量计算得到回潮率，检测准确度高，但检测过程费时，需要天平、烘箱等试验设备，只适宜于实验室使用，不能满足棉花收购现场的使用要求[3]；间接法是通过检测与水分有关的物理量（例如电导率、介电常数等），间接地测定水分含量，一般速度较快，操作便利，典型的棉花水分间接测量方式有微波法、红外线法、CCD（黑白摄像）法、电容法和电阻法等[4-6]。

在国外市场上比较常见的是日本棉花水分测试仪，采用高周波原理研制而成，具有测量水分范围宽、体积小、重量轻、操作简便等特点，可在现场快速测定被测物水分，但高周波的强穿透性使仪器的使用受到了一定的限制。韩国开发出了K-331K型便携式棉花水分测定仪，它采用高频率原理制成，但其售价昂贵，制约了在国内的推广普及。1998年由美国轧棉实验室研制的一种新型电阻式水分测试仪，具有快速准确的优点，而且成本不高[7]。

我国从1901年就开始棉花回潮率的检验与监督工作。但我国棉检仪器的研制比较迟，解放前只有几种比较简单的测定棉花水分杂质等指标的烘箱、显微镜、天平等，而且大部分都依赖进口。1951年就研制成功了快速的棉花水分电测仪，传统的“手估目测法”逐渐被电测器法取代。随着电子技术的飞速发展，特别是新型传感器及元器件不断涌现，仪器的技术水平得到了提高。近年来又研制出一批新型的棉花水分测量仪，包括Y412A、Y412B等型号，以及在此基础上研制出的新型微机原棉水分测定仪BD-M6等型号，在检测精度和速度上都有较大的提高[8-9]。

2 棉包回潮率自动检测装置的提出

目前在我国棉花收购、交接检验部门广泛使用手动式电阻型棉花水分测量仪器，该仪器主要由直流稳压电源、直流电压变换、含水测量、温差测量四部分电路组成，它的原理是测定棉纤维的电阻大小，间接地测定原棉的含水率：原棉含水率高时，其电阻值低，电流大；相反原棉含水率低时，其电阻值高，电流小。影响棉纤维的导电性能的主要因素除了含水率，还有温度、密度和外加电压等，为了消除温度、密度和外加电压等因素对测量含水率的影响，必须将棉纤维的密度和外加电压固定，并附加温度补偿电路。

电阻法回潮率测定仪通常由两个探测器和主机构成（图1所示），在检测时由检定人员将两个探测器分别插入棉包，然后通过搭扣连接两个探测器开始测试，测试结果通过主机以数字显示以及语音播报等形式给出。其优点是测试精度高，速度快，采用电池供电，具有较好的便携性。

图1 MBS-Z棉包回潮率测定仪

依据规定，棉花入库时现场检验人员需要按批随机选取10%（19包）的棉包测试回潮率。在棉花集中入库的季节，检验人员每天需要测试80甚至上百批棉包，此外现场棉包摆放通常为3层6包一个单元，检测第一层与第二层时需要弯腰操作。通过多个棉花仓库走访以及与检定人员交流得知，目前的人工检测方式存在以下一些问题：（1）探测器插入过程阻力大，而棉花仓库现场温度在冬天可低至－30℃以下，检定人员劳动强度过高，很难适应长时间连续检定；（2）探测器两次插入过程位置差异大，有较强的随机性，偏差可达5cm甚至更高，导致检测数据可信度下降；（3）插入过程探测器方向无法精确控制，探针方向偏离时插入阻力会显著增大，且容易导致探针断裂；（4）检测数据需要人为逐个记录，不能与棉包信息化系统有机结合，既增加了人力成本，也容易导致数据记录、输入过程的偏差。

针对人工检测方式的问题，本文提出一种棉包回潮率自动检测装置，以电阻法回潮率测定仪为基础，针对新疆地区复杂的室外工况以及棉花仓库现场供电不便等情况，设计能适应低温工况的电池供电伺服运动系统，整合数据处理单元，实现检测位置与插入深度的精确定位，极大降低检测人员的劳动强度，并提高检测结果的一致性。

3 棉包回潮率自动检测装置初步方案

自动检测装置总体构成如图2所示，主要由以下几个单元构成：（1）回潮率测定仪，由手动操作版本改造而来；（2）机架与伺服运动机构，包括能实现检测高度调节的升降轴以及控制探测器进出的水平轴；（3）信息处理单元，实现包括条码读取以及检测数据记录、与检测数据库的交互等功能；（4）中心控制单元，负责协调各单元的协同工作；（5）电池供电单元。

图2 自动检测装置总体构成图

伺服运动机构升降轴和水平轴主要参数如表1所示，机械结构如图3所示，在底部配置有万向滚轮，检测时将该装置推至棉包正面，选择棉包检测层数后升降轴将检测位置调整至对应的棉包，然后依次启动两个水平轴的电机将探测器插入棉包，获取检测数据后拔出探测器。一次完整的检测预计可在20s以内完成，检测人员仅需选择按键即可完成全部工作。

图3 自动结构装置外形示意图

表1 伺服运动机构主要参数

4 小结

棉花回潮率现场检测过程存在劳动强度大、检测数据容易产生偏差等缺点，本文提出的棉包回潮率现场自动检测装置，结合了电阻法电测器成熟可靠与伺服运动机构定位准确的优点，利用电池供电，针对低温工况设计，单次检测预计可在30s以内完成。其成功研制对于降低纤检人员的劳动强度，提高检测数据的准确性将有显著作用。