CN108169572A - 一种基于混合方程的杏仁介电常数检测方法 - Google Patents

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宋春芳
罗归
罗归一
李静
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    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
    • G01R27/2617—Measuring dielectric properties, e.g. constants

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Abstract

本发明涉及介电常数检测的技术领域，具体涉及一种基于混合方程的杏仁介电常数检测方法。其步骤包括，将含水率较低的样品研磨成粉，并使用自制的圆柱形不锈钢测量单元对不同质量下的粉末状样品进行压实。使用与网络分析仪相连的末端开路同轴探头对压实后的样品进行介电常数测量。运用回归分析方法得出样品介电常数与频率的关系，将样品介电常数实际测量值与预先选用的介电混合方程理论值进行拟合得到一定频率下适用于杏仁介电常数测量的数学模型。

Description

一种基于混合方程的杏仁介电常数检测方法
技术领域
本发明属于介电常数检测的技术领域，特别是涉及一种杏仁介电常数的检测方法。
背景技术
杏仁，作为一种蔷薇科杏的种子，具有丰富的蛋白质、糖类、脂肪及微量元素。营养价值极高同时还具有美容和软化皮肤的功效。在工业上常需要进行干燥脱去水分和部分油脂得到优良的口感。现阶段常用的杏仁干燥方法主要有：喷雾干燥、热风干燥、冷冻干燥。但这些方案都存在一定的缺陷，如热风干燥容易造成加热不均匀产生过热现象，冷冻干燥效率较低、成本较高等。
近年来，微波干燥因其快速高效的特点在食品加工领域应用日益广泛，微波干燥过程中，微波和杏仁会相互耦合作用，而杏仁的介电特性影响着其微波吸收能力，对干燥过程和最终的产品品质会产生重要影响
介电常数是电介质固有的一种物理属性，可表示电介质存储电场能量的能力，反映该电介质提高电容器电容量的能力。现阶段对介电常数检测方法主要运用的是基于网络分析仪的介电频谱技术，它的优点是测量迅速、快捷，且一次测量就可以得到所有频率下的介电参数。但为了保证测量的精确性，对被测量的物体要求是表面平整的固体或者是均匀的液体。针对不规整形状的杏仁，单纯的利用此技术测量会产生较低的重复率和测量误差。介电常数理论值实际上需要通过混合方程得出，样品也需要进行预处理保证测量的精准。在专利方面，运用此方法检测杏仁的介电常数的技术几乎为空白。
发明内容
针对现有介电测试技术存在的缺陷，本申请人提供了杏仁介电常数的检测方法。本方法可以保证杏仁介电常数测量的精确性,从而为杏仁的微波干燥过程工艺优化提供参考和指导。
本发明的技术方案如下：
(1)样品预处理：将杏仁放入微波炉内微波干燥至较低含水量，运用药用粉碎机将近乎绝干的样品粉碎成粉，用筛子筛选出均匀细致的粉末。
(2)压实：使用液压装置将粉末样品压实于一个自制的圆柱形不锈钢测量单元中，被压实的粉末最终成型的样品直径与厚度分别等于测试单元的内径和高度，改变不同的粉末质量依次得到不同密度下的粉末样品。最后铺平表面后将其置于压边机压边。
(3)密度与孔隙率的测定：使用质量和体积比计算出粉碎过后的粉末样品的密度ρ，原始样品的密度测量采用比重瓶法。用水作替代溶液重复五次实验取平均值得原始杏仁密度为ρm，孔隙率用公式计算得出。
(4)不同密度下样品介电特性的测定：在进行测量实验前，先将网络分析仪预热30min后，再设置相关参数范围并分别采用空气、短路器件及去离子水对网络分析仪的末端开路同轴高温探头进行校准。保证开放末端同轴探头的测量值灵敏度小于0.5。校准完成后，将装有粉末样品的圆柱形不锈钢测量单元装配在处于恒温油浴锅的不锈钢桶中，操作时确保测量单元的样品与同轴探头的表面紧密接触以防止产生空气间隙。恒温油浴锅用于控制物料的温度，热电偶插入物料对其温度进行在线监测。
(5)用相关软件对不同频率范围内的介电常数与损耗因子进行回归分析，得到样品介电常数、损耗因子和频率之间的关系如下所示：
其中，a、b为回归分析得到的常数。
(6)将原始不规则的样品密度ρm带入线性方程可求得对应的a、b参数，进而得到原始不规则样品介电与频率的关系。
(7)将所得到的介电常数与频率的关系式带入相关混合方程(1)、(2)、(3)、 (4)，从而计算出基于不同混合方程的介电理论值。通过对比样品的实际测量值与不同混合方程的理论计算值，确定最适合杏仁介电计算的混合方程。
lgε2＝Algε1 2+(1-A)lgε2 2 (1)
lnε＝[ln(ε1)+Aln(ε2)]3 (3)
其中，A为杏仁的孔隙率。
附图说明
图1为本发明的介电特性检测装置示意图(1-计算机；2-网络分析仪；3-金属探头架；4同轴电缆；5-温度传感器；6-温度表；7-恒温油浴锅；8-介电探头； 9-样品)
图2为杏仁介电常数理论值和计算值与频率的关系
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
对杏仁的介电特性检测方法包括以下步骤：
(1)样品预处理：将杏仁取50g样品放入微波炉干燥至10％左右湿基含水量，研磨成粉，用筛子筛选出均匀细致的粉末。
(2)压实：使用液压装置将粉末样品压实于一个自制的圆柱形不锈钢测量单元中(不锈钢测量单元上有不同的刻度，总单元内径为25mm，高度为15mm)，被压实的粉末最终成型的样品直径与厚度分别等于测试单元的内径和高度，改变不同的粉末质量依次来得到3种不同密度下的粉末样品。分别为0.968、1.034、 1.129g/cm3，最后铺平表面后将其置于压边机下20min得到最终的压实样品。
(3)密度与孔隙率的测定：原始样品的密度测量采用比重瓶法。用水作替代溶液重复五次实验取平均值得原始杏仁颗粒密度为1.257±0.015g/cm3，孔隙率通过相关公式计算为0.68±0.05
(4)不同密度下样品介电常数的测定：在进行测量实验前，先将网络分析仪预热30min后，再设置相关参数范围并分别采用空气、短路器件及去离子水对网络分析仪的末端开路同轴高温探头进行校准。保证开放末端同轴探头的测量值灵敏度小于0.5。校准完成后，将装有粉末样品的圆柱形不锈钢测量单元装配在处于恒温油浴锅的不锈钢桶中，操作时确保测量单元的样品与同轴探头的表面紧密接触以防止产生空气间隙。恒温油浴锅用于控制物料的温度，热电偶插入物料对其温度进行在线监测。
(5)用相关软件对不同频率范围内的介电常数进行回归分析结果如下所示；
a＝113.48ρ-92.93 R2＝0.998
b＝3106.81ρ-2837.51 R2＝0.980
表1杏仁在不同密度下对应的常数
(6)将原始不规则的杏仁样品密度ρm＝1.257±0.015g/cm3带入线性方程可求得对应的a、b参数，进而得到原始不规则样品介电与频率的关系如下所示：
将所得到的介电与频率的关系式带入相关混合方程(1)、(2)、(3)、(4)，计算出基于不同混合方程的介电理论值。样品的实际测量值与不同混合方程的理论计算值如附图2所示。由图可知，最适合杏仁介电常数计算的混合方程为方程4 。

Claims (4)

1.一种基于混合方程的杏仁介电常数检测方法，其特征在于：运用网络分析仪同轴探头技术测定一定频率范围内的介电常数，在此基础上运用回归分析法对混合方程的理论计算值与实际检测值相拟合得到最适合杏仁介电常数的数学模型。
2.根据权利要求1的运用网络分析仪同轴探头技术介电常数，其特征在于：被测量的杏仁经过粉碎和压实的预处理，预处理过后产品密度ρ用质量和体积比计算出来，原始样品的密度用比重瓶法得出，孔隙率用公式计算得出。
3.根据权利要求1的运用回归分析法对混合方程的理论计算值与实际检测值相比较，其特征在于：对不同频率范围内的介电常数进行回归分析，选用的样品介电常数和频率之间的关系模型如下所示：
其中，a、b为回归分析得到的常数，f为频率。
4.根据权利要求1中的混合方程的理论计算值与实际检测值相比较得到最适合杏仁介电常数的数学模型。其特征在于：将所得到的介电常数与频率的关系式带入相关混合方程(1)、(2)、(3)、(4)，计算出基于不同混合方程的介电理论值,
lgε2＝Algε1 2+(1-A)lgε2 2 (1)
lnε＝[ln(ε1)+Aln(ε2)]3 (3)
其中，A为杏仁的孔隙率。
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