一種電子式全量程木材含水率測試儀?

全 鵬 賀 霞 程曦依 李 蕓 李賢軍

含水率既是木材的重要材性指標，也是木材干燥過程中對介質(zhì)參數(shù)和干燥條件進行調(diào)節(jié)和控制的重要依據(jù)。因此，采用合適的含水率測試方法實現(xiàn)木材含水率的快速準確測量具有非常重要的現(xiàn)實意義[1]。目前，在實際生產(chǎn)中普遍使用的含水率測定方法主要有稱重法和電測法。其中稱重法具有準確可靠、簡便易行的優(yōu)點[2]，適用于科學研究中準確測量木材的含水率，但其存在著測量周期長、效率低的缺陷，不能滿足木材干燥過程中含水率快速檢測的需求。電測法具有在線快速檢測的優(yōu)點，但其測量量程受限，尤其在高含水率階段（含水率高于40%），測量精度很差,無法滿足使用要求。近年來，國內(nèi)外部分學者曾嘗試開展木材含水率高精度、全量程的快速檢測，但結(jié)果均不太令人滿意[3-9]，木材含水率的快速準確檢測成為木材干燥業(yè)界的一大難題。鑒于此，筆者基于稱重法測試原理新研制了一種電子式全量程木材含水率測試儀，并對其測量精度進行了實際檢測，對其測量誤差進行了系統(tǒng)分析，以期為實際生產(chǎn)中木材含水率的快速準確檢測提供一種切實可行的方法和裝置，并為木材含水率檢測技術的后續(xù)研究提供參考和借鑒。

1 儀器結(jié)構(gòu)與使用方法

新研發(fā)的電子式全量程木材含水率測試儀由數(shù)據(jù)顯示區(qū)、數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)、功能鍵區(qū)、稱量托盤及集成電路板6個部分構(gòu)成。其中數(shù)據(jù)顯示區(qū)主要用于實時顯示木材試件質(zhì)量、絕干質(zhì)量和含水率；數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)主要用于輸入木材試件的絕干質(zhì)量；功能鍵區(qū)包括輸入、刪除、清除、去皮和背光5個功能鍵，其中輸入鍵和刪除鍵分別用于輸入和刪除木材絕干質(zhì)量數(shù)值，清除鍵用于一次性刪除所有輸入數(shù)據(jù)，去皮鍵用于去除容器的質(zhì)量（測量木粉、木纖維或木刨花含水率時使用），背光鍵用于打開顯示屏的背光燈；稱量托盤用于待測試樣的放置；集成電路板用于主要數(shù)據(jù)的運算。圖1為該儀器結(jié)構(gòu)簡圖與實物圖，其最大質(zhì)量測量量程為5 000.0 g，質(zhì)量分度值為1 g，含水率分度值為0.01%。

圖1 電子式全量程木材含水率測試儀結(jié)構(gòu)簡圖與實物圖Fig.1 Schematic and optical diagram of the electronic full scale wood moisture meter

在實際生產(chǎn)中，電子式全量程木材含水率測試儀的具體使用方法和測試步驟如下：

1）按照GB/T 6491—2012《鋸材干燥質(zhì)量》 標準的要求選取和鋸制含水率檢驗板[10]；

2）稱取含水率檢驗板的初始質(zhì)量，并采用稱重法測試初含水率試片的初始含水率；

3）根據(jù)檢驗板的初重和初含水率試片的含水率反算檢驗板的絕干質(zhì)量；

4）按照GB/T 6491—2012 標準的要求放置木材含水率檢驗板；

5）干燥過程中，如需測試含水率檢驗板的實時含水率，從干燥窯中取出木材含水率檢驗板，把檢驗板的絕干質(zhì)量數(shù)值輸入電子式全量程木材含水率測試儀，然后將檢驗板放置在裝置的稱量托盤上，該裝置即顯示此時檢驗板的含水率。

2 精度測試與分析

為有效檢驗新研制的電子式全量程木材含水率測試儀的測量精度，筆者以新采伐的楊木(Populus L.)和杉木(Cunninghamia lanceolata)鋸材為檢測對象，分別采用稱重法、電阻式含水率測試儀（YM-50A）、感應式含水率測試儀（YM-50B）和筆者研制的電子式全量程木材含水率測試儀對干燥過程中的楊木和杉木鋸材含水率進行動態(tài)測試，再以稱重法測得的木材含水率為參照，比較另外三種木材含水率測試儀的測量精度。測試檢驗板的鋸制按照GB/T 6491—2012 標準進行，楊木和杉木含水率檢驗板的規(guī)格為600 mm（長）×100 mm（寬）×30 mm（厚）。檢驗板的干燥在恒溫干燥箱中進行，干燥溫度恒定在70 ℃，采用電阻式和感應式含水率測試儀測量檢驗板含水率時，每次測試的位置相同。稱重法含水率測量值是通過記錄干燥過程中檢驗板的實時質(zhì)量，待干燥過程結(jié)束后，進一步將檢驗板烘至絕干，通過其絕干質(zhì)量反算檢驗板在各個階段的實時含水率，即通過稱重法測量得到的含水率。

圖2和圖3分別表示了在楊木和杉木鋸材的整個干燥過程中，采用上述四種方法和儀器得到的木材含水率動態(tài)測試值。圖4表示了在上述兩種木材的整個干燥過程中，電阻式含水率測試儀、感應式含水率測試儀和新研制的電子式全量程木材含水率測試儀測試數(shù)據(jù)的實際絕對偏差。從圖2～4中可以明顯看出：與電阻式和感應式兩種含水率測試儀相比，電子式全量程木材含水率測試儀（圖例為電子稱重式）在鋸材整個干燥過程中的含水率大跨度測試范圍內(nèi)（0～140%）的測量精度均較高，且絕對偏差波動?。浑S著鋸材含水率的增加，上述三種測試儀器的含水率測量值與鋸材實際含水率的差值均呈增加趨勢，但電阻式和感應式含水率測試儀的測量偏差增加速度遠大于電子式全量程木材含水率測試儀的含水率測量偏差。

從圖4中可以看出：當楊木和杉木試件含水率在0～60%范圍內(nèi)時，電阻式含水率測試儀的偏差范圍分別介于2%～13%、2%～18%；當楊木和杉木試件含水率高于60%時，電阻式含水率測試儀的測量偏差幾乎呈直線增大，且最大偏差值均超過了55%。當楊木和杉木試件含水率在0～70%范圍內(nèi)時，感應式含水率測試儀的測量偏差曲線波動較大，偏差范圍分別為7%～20%、6%～27%；當試件含水率高于70%時，感應式含水率測試儀的測量偏差值幾乎呈直線增大，且最大偏差值分別達到50%和40%，這說明電阻式、感應式含水率測試儀的測量誤差不僅與含水率[11-12]有關，還與試件的條件、操作方式等諸多因素有關。當木材含水率在40%～70%范圍內(nèi)時，電阻式和感應式木材含水率測試儀的測量偏差均出現(xiàn)了先上升后下降的波動，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因還有待進一步探究。

從圖4中還可以看出新研制的電子式全量程木材含水率測試儀的測量偏差曲線在試件的初始含水率到絕干范圍內(nèi)比較平穩(wěn)，偏差范圍為2%～5%，其中楊木的含水率測量偏差范圍為2%～4%，杉木的含水率測量偏差范圍為3%～5%，這說明樹種對該裝置的測量精度影響較小。

圖2 楊木試件的干燥過程曲線Fig.2 Drying curves for poplar wood

圖3 杉木試件的干燥過程曲線Fig.3 Drying curves for Chinese fi r wood

圖4 3種測量木材含水率方法的測量偏差曲線Fig.4 Measured deviation curves of wood moisture content of 3 methods

如果木材為絕對均質(zhì)體，從理論上而言，采用電子式全量程木材含水率測試儀獲得的含水率測量值應該完全等于木材含水率實際值，可試驗結(jié)果顯示雖然電子式全量程木材含水率測試儀獲得的測試結(jié)果最接近實際值，但兩者之間還是存在較小的測量誤差。產(chǎn)生這種誤差的主要原因在于木材是一個非均質(zhì)體，在鋸材長度方向，木材的含水率并非恒定，而是存在一定程度的波動。因此，在用鋸材兩端小試件的含水率代替大試件的初含水率，并理論推導大試件的絕干質(zhì)量時，不可避免地就會存在誤差，從而直接導致了電子式全量程木材含水率測試儀測量誤差的存在。為了驗證上述解釋的正確性，筆者以楊木鋸材（長250 mm×寬95 mm×厚29 mm）為研究對象，沿長度方向?qū)⑵滗徑鉃?5片含水率試片（厚度為10 mm），然后通過稱重法測量每片含水率試片的含水率。圖5表示了楊木試件沿長度方向的含水率變化規(guī)律。從圖中可以看出，同一塊試件長度方向上的含水率是不均勻的，其中試件兩端含水率較低（平均值為110.08%），中間含水率較高（平均值為131.24%），考慮到試件置于空氣中后，試件兩端水分蒸發(fā)較快，導致其含水率較低，因此在試件上鋸取初含水率試片時應盡可能多地從試件兩端鋸除端部部分，使鋸制的含水率試片能較準確地反映整塊試件的初始含水率，使測試值更加接近實際值。

圖5 楊木試件沿長度方向的含水率分布曲線Fig.5 Longitudinal distribution curve for moisture content of poplar wood

3 結(jié)論

以楊木和杉木為測試對象，對電子式全量程木材含水率測試儀的測量精度和測量誤差進行了系統(tǒng)分析。結(jié)果表明：新研制的含水率測試儀可以實現(xiàn)任意含水率范圍內(nèi)木材含水率的快速測量，并具有較高的測量精度；與現(xiàn)有電阻式和感應式含水率測試儀相比，新研制的含水率測試儀具有更高的測量精度和更小的測量誤差，尤其是當木材含水率在40%以上時，該含水率測試儀更具有優(yōu)勢；在0～140%的含水率變化范圍內(nèi)，其測量結(jié)果的絕對偏差范圍為2%～5%，且絕對偏差波動??；新研制的含水率測試儀測量誤差是由木材的非均質(zhì)特性造成的，在實際生產(chǎn)過程中，可以通過合理取樣有效減少測量誤差，提高測量精度。在廣東省宜華木業(yè)股份有限公司的中試結(jié)果表明，該含水率測試儀的測量精度高于該公司使用的電阻式和感應式木材含水率測試儀，是實際生產(chǎn)中快速準確檢測木材含水率的一種切實可行的方法和裝置。

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