韓志恒, 陶志影, 曾育寧, 葉鼎承, 何金成

(1.福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,福建 福州 350002;2.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所,福建 福州 350013)

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗選用新鮮干稻殼(濕基含水率為8.24%)和鋸末(濕基含水率為11.23%)作為試驗材料[15,16]，利用孔徑為1 mm的方孔篩(紹興市上虞華豐五金儀器有限公司提供)過篩，篩去碎殼、灰分、細(xì)小秸稈等其他雜物.鋸末首先經(jīng)孔徑為0.5 mm的方孔篩過篩，篩去微小木屑，再經(jīng)孔徑為1.43 mm的方孔篩篩去樹皮等其他雜物.本研究中谷殼∶鋸末(干重)=2∶3.

1.2 方法

1.2.1 樣品制備 將過篩后的谷殼和鋸末烘干，再分別裝入密封袋中保存，放在實驗室陰涼干燥處.按照墊料配比，分別從密封袋中取出谷殼和鋸末共80 g，放入電子天平(WXL-C30002，0.01 g，深圳市無限量衡器有限公司提供)上的塑料盆中，用高壓超細(xì)霧噴壺向樣品噴灑水，邊噴灑邊攪拌；將配制好的樣品裝入密封袋中，排空空氣后再套一層密封袋封存，在陰涼干燥處放置2 d，以保證樣品水分均勻擴(kuò)散.

1.2.2 含水率測定 樣品的實際濕基含水率采用烘干法測定.墊料樣品和鋸末含水率參考文獻(xiàn)[17]測定；谷殼含水率參考文獻(xiàn)[18]測定.

1.微分頭;2.玻璃纖維板;3.鋁型材;4.聯(lián)軸器;5.上極板;6.圓柱壁;7.下極板引出電極.圖1 平行板電容器Fig.1 Parallel plate capacitor

(1)

(2)

式中，ω=2πf，f為測試信號頻率.

1.2.4 溫度測定 樣品的溫度主要通過探針式數(shù)顯溫度計(TP600型，杭州美佳杭新儀表有限公司提供)測定.將溫度計插入樣品內(nèi)部來獲取溫度，樣品溫度達(dá)到預(yù)測溫度時，再對樣品的介電常數(shù)進(jìn)行測量.

1.2.5 體積密度測定 由樣品質(zhì)量除以由平行板電容器構(gòu)成的圓柱體的體積來計算.樣品的體積密度分為3個水平，即低等緊實度、中等緊實度和高等緊實度.將樣品以自由落體的方式填滿，分別由不加干預(yù)、振動和加壓方式來獲得不同水平下的體積密度.

1.2.6 電導(dǎo)率測定 將配制好含水率的樣品放進(jìn)無蓋鋁盒中，置于實驗室外通風(fēng)處進(jìn)行風(fēng)干.稱取風(fēng)干墊料20 g，放在250 mL三角瓶中，水土比為1∶5，加純凈水100 mL，振蕩5 min，經(jīng)濾紙過濾于干燥燒杯中；吸取墊料浸出液，放在25 mL燒杯中；將土壤EC傳感器(HSTL-DDL，北京華控興業(yè)科技發(fā)展有限公司提供，測量精度±2%)電極放入被測浸出液中，測定EC值.

2 結(jié)果與分析

2.1 墊料電導(dǎo)率對墊料樣品介電特性的影響

考慮到電導(dǎo)率會對物料的介電特性產(chǎn)生影響，對不同含水率下風(fēng)干墊料的電導(dǎo)率進(jìn)行測定，結(jié)果如圖2所示.

圖2 不同含水率下墊料的電導(dǎo)率Fig.2 Electrical conductivity of padding at different moisture contents

從圖2可以看出，各個含水率下墊料的電導(dǎo)率值相差無幾，且無明顯的增減趨勢.其中40.77%含水率下的墊料電導(dǎo)率最大，為2.200 0；68.61%含水率下的電導(dǎo)率最小，為2.062 5.樣品整體的電導(dǎo)率均值為2.125 0，標(biāo)準(zhǔn)差為0.127 5.因此，電導(dǎo)率對墊料樣品介電特性的影響可以忽略不計.

2.2 頻率對墊料介電常數(shù)的影響

在室溫24.6 ℃、墊料體積密度為中等緊實度的條件下，在測試信號頻率0.1～100.0 kHz選取了28個頻率點，探究頻率對不同含水率下墊料的介電常數(shù)的影響，結(jié)果如下圖3所示.32.16%～68.61%含水率下對應(yīng)樣品的體積密度分別為154.181 4、175.457 3、213.919 7、266.750 3、322.454 6 kg·m-3.

圖3 頻率對不同含水率墊料相對介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)的影響Fig.3 Effect of frequency on the relative dielectric constant and loss factor of padding at different moisture contents

2.3 溫度對墊料介電常數(shù)的影響

圖4 溫度對不同含水率下墊料相對介電常數(shù)(a)和介質(zhì)損耗因數(shù)(b)的影響Fig.4 Effect of temperature on the relative dielectric constant(a) and loss factor of padding(b) at different moisture contents

2.4 含水率對墊料介電常數(shù)的影響

在所選頻率50 kHz、墊料樣品體積密度為中等緊實度的條件下，研究了含水率(32.16%～68.61%)對25～65 ℃下墊料樣品的相對介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)的影響，結(jié)果如圖5所示.32.16%～68.61%含水率對應(yīng)樣品的體積密度分別為139.724 8、152.904 8、186.229 3、246.955 4、316.502 8 kg·m-3.

圖5 含水率對不同溫度下墊料相對介電常數(shù)(a)和介質(zhì)損耗因數(shù)(b)的影響Fig.5 Effect of moisture content on the relative dielectric constant(a) and loss factor of padding(b) under different temperatures

2.5 體積密度對墊料介電常數(shù)的影響

圖6 體積密度對不同溫度下墊料相對介電常數(shù)(a)和介質(zhì)損耗因數(shù)(b)的影響Fig.6 Effect of bulk density on the relative dielectric constant(a) and loss factor of padding(b) under different temperatures

表1 不同含水率下墊料樣品的體積密度Table 1 Effect of moisture content on the relative dielectric constant and loss factor of padding under different temperatures

2.6 墊料介電常數(shù)模型的建立與驗證

表2 所選頻率下墊料介電常數(shù)與其影響因素之間關(guān)系模型的決定系數(shù)Table 2 Determination coefficients of relationship models between dielectric constants of padding and its influencing factors within selected frequency range

其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(3)

對式(3)進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3所示.

表3 回歸模型方差分析表1)Table 3 ANOVA of regression models

從表3可以看出，模型的P值小于0.01，表明模型極顯著.其中，W、T、WT、WT2、W3、T3、W3T、WT3、W4各項均對模型有著極顯著或顯著的影響.

圖7 含水率的實測值與計算值的相關(guān)性Fig.7 Relationship between measured values and calculated values of padding moisture contents

從圖7可以看出，墊料樣品含水率的計算值與實測值之間的決定系數(shù)R2為0.993 2，說明建立的數(shù)學(xué)模型(式(3))可以很好地描述墊料含水率與相對介電常數(shù)和溫度之間的關(guān)系.含水率的預(yù)測值與實測值之間的絕對誤差在±2.33%內(nèi)，說明墊料的含水率可以由建立的數(shù)學(xué)模型來計算得到.

3 小結(jié)

在測試信號頻率為0.1～100.0 kHz、含水率為32.16%～68.61%、溫度為25～65 ℃、體積密度為101.958 6～459.394 1 kg·m-3條件下，墊料的相對介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)會隨含水率和溫度的增大而增大，但隨頻率的增大而減小.在含水率≤40.77%時，體積密度對墊料的相對介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)的影響并不顯著；但隨著含水率的增大，體積密度對二者的影響顯著.

在1、10、50和100 kHz頻率下建立的墊料介電常數(shù)與含水率、溫度和體積密度的3因素模型及與含水率和溫度的2因素模型的決定系數(shù)皆大于0.98，說明可以通過測定墊料的溫度、含水率和體積密度來準(zhǔn)確預(yù)測出墊料的含水率.對建立的2因素模型進(jìn)行驗證，根據(jù)模型計算出來的含水率值與實測含水率值之間的決定系數(shù)為0.993 2，說明二者之間具有很好的線性相關(guān)性，所建立的模型可以很好地描述墊料的介電常數(shù)與其主要影響因素之間的關(guān)系.說明利用墊料的介電特性來預(yù)測含水率是可行的.