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(biāo)，也是木材干燥過(guò)程中對(duì)介質(zhì)參數(shù)和干燥條件進(jìn)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(cè)試方法實(shí)現(xiàn)木材含水率的快速準(zhǔn)確測(cè)量具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。目前，在實(shí)際生產(chǎn)中普遍使用的含水率測(cè)定方法主要有稱重法和電測(cè)法。其中稱重法具有準(zhǔn)確可靠、簡(jiǎn)便易行的優(yōu)點(diǎn)[2]，適用于科學(xué)研究中準(zhǔn)確測(cè)量木材的含水率，但其存在著測(cè)量周期長(zhǎng)、效率低的缺陷，不能滿足木材干燥過(guò)程中含水率快速檢測(cè)的需求。電測(cè)法具有在線快速檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，但其測(cè)量量程受限，尤其在高含水率階段（含水率高于40%），測(cè)量精度很差,無(wú)法滿足使用要求。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外部分學(xué)者曾嘗試開(kāi)展木材含水率高精度、全量程的快速檢測(cè)，但結(jié)果均不太令人滿意[3-9]，木材含水率的快速準(zhǔn)確檢測(cè)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(cè)試原理新研制了一種電子式全量程木材含水率測(cè)試儀，并對(duì)其測(cè)量精度進(jìn)行了實(shí)際檢測(cè)，對(duì)其測(cè)量誤差進(jìn)行了系統(tǒng)分析，以期為實(shí)際生產(chǎn)中木材含水率的快速準(zhǔn)確檢測(cè)提供一種切實(shí)可行的方法和裝置，并為木材含水率檢測(cè)技術(shù)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(cè)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(gè)部分構(gòu)成。其中數(shù)據(jù)顯示區(qū)主要用于實(shí)時(shí)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(gè)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(cè)量木粉、木纖維或木刨花含水率時(shí)使用），背光鍵用于打開(kāi)顯示屏的背光燈；稱量托盤用于待測(cè)試樣的放置；集成電路板用于主要數(shù)據(jù)的運(yùn)算。圖1為該儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖與實(shí)物圖，其最大質(zhì)量測(cè)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(cè)試儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖與實(shí)物圖Fig.1 Schematic and optical diagram of the electronic full scale wood moisture meter

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

1）按照GB/T 6491—2012《鋸材干燥質(zhì)量》 標(biāo)準(zhǔn)的要求選取和鋸制含水率檢驗(yàn)板[10]；

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

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

4）按照GB/T 6491—2012 標(biāo)準(zhǔn)的要求放置木材含水率檢驗(yàn)板；

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

2 精度測(cè)試與分析

為有效檢驗(yàn)新研制的電子式全量程木材含水率測(cè)試儀的測(cè)量精度，筆者以新采伐的楊木(Populus L.)和杉木(Cunninghamia lanceolata)鋸材為檢測(cè)對(duì)象，分別采用稱重法、電阻式含水率測(cè)試儀（YM-50A）、感應(yīng)式含水率測(cè)試儀（YM-50B）和筆者研制的電子式全量程木材含水率測(cè)試儀對(duì)干燥過(guò)程中的楊木和杉木鋸材含水率進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，再以稱重法測(cè)得的木材含水率為參照，比較另外三種木材含水率測(cè)試儀的測(cè)量精度。測(cè)試檢驗(yàn)板的鋸制按照GB/T 6491—2012 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，楊木和杉木含水率檢驗(yàn)板的規(guī)格為600 mm（長(zhǎng)）×100 mm（寬）×30 mm（厚）。檢驗(yàn)板的干燥在恒溫干燥箱中進(jìn)行，干燥溫度恒定在70 ℃，采用電阻式和感應(yīng)式含水率測(cè)試儀測(cè)量檢驗(yàn)板含水率時(shí)，每次測(cè)試的位置相同。稱重法含水率測(cè)量值是通過(guò)記錄干燥過(guò)程中檢驗(yàn)板的實(shí)時(shí)質(zhì)量，待干燥過(guò)程結(jié)束后，進(jìn)一步將檢驗(yàn)板烘至絕干，通過(guò)其絕干質(zhì)量反算檢驗(yàn)板在各個(gè)階段的實(shí)時(shí)含水率，即通過(guò)稱重法測(cè)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(gè)干燥過(guò)程中，采用上述四種方法和儀器得到的木材含水率動(dòng)態(tài)測(cè)試值。圖4表示了在上述兩種木材的整個(gè)干燥過(guò)程中，電阻式含水率測(cè)試儀、感應(yīng)式含水率測(cè)試儀和新研制的電子式全量程木材含水率測(cè)試儀測(cè)試數(shù)據(jù)的實(shí)際絕對(duì)偏差。從圖2～4中可以明顯看出：與電阻式和感應(yīng)式兩種含水率測(cè)試儀相比，電子式全量程木材含水率測(cè)試儀（圖例為電子稱重式）在鋸材整個(gè)干燥過(guò)程中的含水率大跨度測(cè)試范圍內(nèi)（0～140%）的測(cè)量精度均較高，且絕對(duì)偏差波動(dòng)?。浑S著鋸材含水率的增加，上述三種測(cè)試儀器的含水率測(cè)量值與鋸材實(shí)際含水率的差值均呈增加趨勢(shì)，但電阻式和感應(yīng)式含水率測(cè)試儀的測(cè)量偏差增加速度遠(yuǎn)大于電子式全量程木材含水率測(cè)試儀的含水率測(cè)量偏差。

從圖4中可以看出：當(dāng)楊木和杉木試件含水率在0～60%范圍內(nèi)時(shí)，電阻式含水率測(cè)試儀的偏差范圍分別介于2%～13%、2%～18%；當(dāng)楊木和杉木試件含水率高于60%時(shí)，電阻式含水率測(cè)試儀的測(cè)量偏差幾乎呈直線增大，且最大偏差值均超過(guò)了55%。當(dāng)楊木和杉木試件含水率在0～70%范圍內(nèi)時(shí)，感應(yīng)式含水率測(cè)試儀的測(cè)量偏差曲線波動(dòng)較大，偏差范圍分別為7%～20%、6%～27%；當(dāng)試件含水率高于70%時(shí)，感應(yīng)式含水率測(cè)試儀的測(cè)量偏差值幾乎呈直線增大，且最大偏差值分別達(dá)到50%和40%，這說(shuō)明電阻式、感應(yīng)式含水率測(cè)試儀的測(cè)量誤差不僅與含水率[11-12]有關(guān)，還與試件的條件、操作方式等諸多因素有關(guān)。當(dāng)木材含水率在40%～70%范圍內(nèi)時(shí)，電阻式和感應(yīng)式木材含水率測(cè)試儀的測(cè)量偏差均出現(xiàn)了先上升后下降的波動(dòng)，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因還有待進(jìn)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(cè)試儀的測(cè)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(cè)量偏差范圍為2%～4%，杉木的含水率測(cè)量偏差范圍為3%～5%，這說(shuō)明樹(shù)種對(duì)該裝置的測(cè)量精度影響較小。

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

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

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

如果木材為絕對(duì)均質(zhì)體，從理論上而言，采用電子式全量程木材含水率測(cè)試儀獲得的含水率測(cè)量值應(yīng)該完全等于木材含水率實(shí)際值，可試驗(yàn)結(jié)果顯示雖然電子式全量程木材含水率測(cè)試儀獲得的測(cè)試結(jié)果最接近實(shí)際值，但兩者之間還是存在較小的測(cè)量誤差。產(chǎn)生這種誤差的主要原因在于木材是一個(gè)非均質(zhì)體，在鋸材長(zhǎng)度方向，木材的含水率并非恒定，而是存在一定程度的波動(dòng)。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(dǎo)大試件的絕干質(zhì)量時(shí)，不可避免地就會(huì)存在誤差，從而直接導(dǎo)致了電子式全量程木材含水率測(cè)試儀測(cè)量誤差的存在。為了驗(yàn)證上述解釋的正確性，筆者以楊木鋸材（長(zhǎng)250 mm×寬95 mm×厚29 mm）為研究對(duì)象，沿長(zhǎng)度方向?qū)⑵滗徑鉃?5片含水率試片（厚度為10 mm），然后通過(guò)稱重法測(cè)量每片含水率試片的含水率。圖5表示了楊木試件沿長(zhǎng)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(zhǎng)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(dǎo)致其含水率較低，因此在試件上鋸取初含水率試片時(shí)應(yīng)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(zhǔn)確地反映整塊試件的初始含水率，使測(cè)試值更加接近實(shí)際值。

圖5 楊木試件沿長(zhǎng)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(cè)試對(duì)象，對(duì)電子式全量程木材含水率測(cè)試儀的測(cè)量精度和測(cè)量誤差進(jìn)行了系統(tǒng)分析。結(jié)果表明：新研制的含水率測(cè)試儀可以實(shí)現(xiàn)任意含水率范圍內(nèi)木材含水率的快速測(cè)量，并具有較高的測(cè)量精度；與現(xiàn)有電阻式和感應(yīng)式含水率測(cè)試儀相比，新研制的含水率測(cè)試儀具有更高的測(cè)量精度和更小的測(cè)量誤差，尤其是當(dāng)木材含水率在40%以上時(shí)，該含水率測(cè)試儀更具有優(yōu)勢(shì)；在0～140%的含水率變化范圍內(nèi)，其測(cè)量結(jié)果的絕對(duì)偏差范圍為2%～5%，且絕對(duì)偏差波動(dòng)小；新研制的含水率測(cè)試儀測(cè)量誤差是由木材的非均質(zhì)特性造成的，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，可以通過(guò)合理取樣有效減少測(cè)量誤差，提高測(cè)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(cè)試儀的測(cè)量精度高于該公司使用的電阻式和感應(yīng)式木材含水率測(cè)試儀，是實(shí)際生產(chǎn)中快速準(zhǔn)確檢測(cè)木材含水率的一種切實(shí)可行的方法和裝置。

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