干燥过程中树盘含水率的在线检测1)

付宗营　赵景尧　杨叶丽　蔡英春

(东北林业大学，哈尔滨，150040)



干燥过程中树盘含水率的在线检测1)

付宗营赵景尧杨叶丽蔡英春

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

摘要为实现干燥过程中树盘含水率的在线精准检测，分析了环境温度对电阻应变式称质量装置测量精度的影响规律，获得了利用环境温度和电测质量计算精准质量的二元回归方程，并用其将树盘的电测质量校正为精准质量。用树盘绝干质量、干燥过程中在线测算的精准质量计算含水率实际值，对HYD-B型含水率仪进行了实验校正。探讨了纤维饱和点之下探针深度、间距、位置及材温补偿和介质温度补偿对含水率仪测量精度的影响规律，确定适宜的探针深度和间距，得到了适宜探针深度、间距下含水率测值的修正公式。结果显示：称质量装置测量精度的二元回归校正方程的相关系数达0.99；纤维饱和点以下，探针插入木材深度距离上表面为木材厚度的1/2～2/3、间距30 mm时，含水率仪检测精度高；材温补偿和介质温度补偿对检测精度影响不大，可用方便的介质温度补偿代替材温补偿。

关键词木材干燥；木材含水率；含水率在线检测

木材含水率的检测在木材加工利用中具有重要意义，Wengert认为，木制品中75%的质量问题是由于木材加工时对所用原材料的含水率掌握不准造成的[1]。木材含水率不仅影响着木材的物理力学性质及机械加工性能，同时也是干燥基准选取以及干燥质量检测的重要指标之一[2]，因此快速、准确地实现木材干燥过程中含水率的检测尤为重要。

目前，国内木材含水率检测设备缺乏应用广泛性，相对于美国、加拿大等木材工业发达地区尚有差距[3]。传统的木材含水率检测主要采用称质量法和电阻法。称质量法是检测木材含水率最准确的方法之一，但耗时长，且受人为误差的影响。蔡英春等从带热称质量、热分解及锯解时水分损失等方面对称质量法木材含水率测算精度进行过探讨，一定程度上提高了木材含水率的检测精度[4]。随着科技的发展，电磁波技术开始应用于木材含水率的检测，此方法是利用木材水分对电磁波吸收程度的不同来测量木材含水率，要求其传感面与木材表面贴紧才能保证测量精度，对于表面粗糙的木材含水率测定会有一定误差，最主要的局限是不能实现木材含水率的连续在线监测[5-8]。张佳薇等采用一些计算机模拟方法预测木材含水率[9-10]。电阻法是目前国内木材加工企业最主要的含水率检测方法之一，能够实现木材的在线快速检测，纤维饱和点之下检测精度相对较高[11-12]。由于温度对含水率检测仪的电阻率具有较大影响，另外树种、探针插入木材的深度、探针位置、探针间距对检测精度都会有不同程度的影响，因此使用前需要对其进行校正。

随着经济发展和生活水平的提高，人们对木材的重视程度不断增加，而优质木材资源则不断匮乏，木材供需矛盾日渐突出。合理高效利用弯曲木、小径木等劣质木材资源成为解决这一矛盾的有效途径之一。一直以来，小径木大多集中于沿纤维方向的锯切利用，而对于垂直纤维方向的锯切研究则相对较少。将上述小径木及弯曲的劣质木材资源横截成适宜厚度的圆木段即树盘(以下简称树盘)，干燥后可加工成钟表盘、立木地板及其他工艺品，可以提高木材利用率、增加附加值。树盘纵向物理力学性能好，但在干燥过程中较板材更容易产生开裂等缺陷，因此树盘干燥过程中准确检测含水率变得更为重要。

为实现木材含水率的在线高精度检测，本研究分析了环境温度对电阻应变式称质量装置测量精度的影响规律，获得了利用环境温度和电测质量计算电测精准质量的二元回归校正方程；以由树盘绝干质量、干燥过程中在线测算的电测精准质量计算出的含水率为精确值，对HYD-B型电阻式木材含水率仪测值进行了实验校正，分别探讨了纤维饱和点以下，探针插入木材深度、间距、位置以及材温补偿和介质温度补偿对木材含水率仪测量精度的影响，确定优化方案，最大程度提高干燥过程中树盘含水率的在线检测精度。

1材料与方法

试件：取自黑龙省小兴安岭林区的22年生白桦横截树盘，平均径级23cm，厚度30mm,初含水率60%以上，材质均匀，无可见缺陷。

设备、仪器与附件：CFBLS拉压型电阻应变式测力传感器，量程为0～5kg，输出灵敏度1.995mV/V，使用环境温度-20～60 ℃，激励电压10V；HYD-B型电阻式木材含水率仪，检测范围4%～80%，准确测量范围5%～26%，精度±0.1%，使用220V、50Hz交流电源，使用环境温度10～60 ℃；GDS-100恒温恒湿干燥箱，温度范围-10～100 ℃，均匀性±2 ℃，湿度范围35%～98%，电源220V、50Hz，砝码质量范围10～2 000g。

电阻应变式称质量装置电测质量校正：由CFBLS拉压型电阻应变式测力传感器制作称质量装置(见图1)，将其放置于恒温恒湿箱内，湿度稳定为60%，温度逐渐升高。选取质量分别为100、300、500、700、900、1 200、1 500、2 000g的砝码，置于称质量装置上，自20 ℃起每隔5 ℃记录一组传感器电测质量(显示值)，至55 ℃时实验结束。分析环境温度对称质量装置测量精度的影响规律，获得利用温度和电测质量计算精准质量的二元回归校正方程。

干燥过程中树盘含水率实际值的测算：用HYD-B型木材含水率仪在相应条件下测得含水率检测值(显示值)。然后用二元回归校正方程对树盘的电测质量进行校正，再根据校正后的精确质量、绝干质量(实验结束后测出)计算树盘的含水率实际值。

图1　电阻应变式称质量装置

干燥实验：在GDS-100恒温恒湿干燥箱内进行，采用干球温度恒定，相对湿度阶段性递减的缓慢干燥基准。干球温度始终设定为40 ℃，干湿球温差缓慢增大(见图2)。

图2　试材干燥基准

HYD-B型木材含水率仪检测值(显示值)校正：用含水率实际值对HYD-B型电阻式木材含水率仪检测值进行校正。①探针深度：根据说明书将探针间距定为30mm，探针深度分别取10、15、20mm。图3①为探针插入木材位置示意图，为减小材性差异对实验结果的影响，3种情况下的探针位置尽可能保证在同一生长轮上。共做3组重复试验，减少偶然性误差。②探针间距：选择探针适宜深度20mm，探针间距分别取20、30、40mm，探针位置如图3②所示。同样保证探针位置尽可能在同一生长轮上，共做3组重复实验。③探针径向位置：选择探针适宜间距30mm、适宜深度20mm，选择4个不同径向位置，分别为髓心处、心材处、心边材交界处(混合材处)、边材处。探针径向位置如图3③所示。④材温补偿和介质温度补偿：选用2个具有相同检测精度的PT100温度传感器，一个从树盘侧面垂直插入木材内部60mm处，用于测量木材温度，另一个置于干燥箱内测量介质温度。通过一个双向开关，根据需要切换这2个传感器与含水率仪自动温度补偿用温度传感器接口的连通。这样可准确快速地检测2种温度补偿对测量精度的影响。

①探针深度:a为10mm、b为15mm、c为20mm②探针间距:d为20mme为30mm、f为40mm、③探针径向位置:g为髓心处、h为心材处、i为混合材处、j为边材处。

图3试材探针插法示意图

2结果与分析

2.1电阻应变式称质量装置电测质量的校正结果

电阻应变式称质量装置的核心原件CFBLS拉压型电阻应变式测力传感器的主要工作原理是，弹性体在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在它表面上的电阻应变片随同产生变形，从而使应变片阻值发生变化，再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号[13]。不同温度时砝码的电测质量和精确质量如表1所示。

表1　不同温度时称质量装置砝码的精准质量和电测质量　g

同一砝码的电测质量，随温度升高而增大，且增大幅度随砝码精准质量的增加而增大：砝码精准质量100g时，电测质量增幅为0.29g/℃；砝码精准质量2 000g时，电测质量增幅达1.83g/℃。同一温度下，电测质量随砝码精准质量增加而增大，平均增幅为1.17，波动范围为1.16～1.18。将温度和砝码精准质量对电测质量的影响进行二元回归，得到回归方程

Gc=0.85T+1.19Gj-31.81,0 ℃≤T≤60 ℃,R2=0.99。

由此得到电测质量的校正公式：

Gj=f(Gc,T)=(Gc-0.85T+31.81)/1.19。

(1)

式中：Gj为砝码精准质量(g)；T为环境温度(℃)；Gc为砝码电测质量(g)。

2.2干燥过程中树盘含水率实际值测算

由式(1)和木材绝对含水率的定义可得：

(2)

式中：Mj为树盘含水率实际值(%)；Gc为树盘电测质量(g)；T为环境温度(℃)；Gg为树盘绝干质量(绝干后电子天平称量)(g)。

2.3含水率仪探针深度对检测精度的影响

图4给出了探针深度对检测精度的影响，不同含水率范围内检测精度较高(显示值接近实际值)的探针插入深度不同。0<干燥时间≤26h(含水率24%～16%)，深度为20mm；26h<干燥时间≤60h(含水率16%～11%)，深度为15mm；60h<干燥时间≤120h(含水率11%～5%)，深度为20mm。可知，纤维饱和点以下探针插入木材深度距离上表面为木材厚度的1/2～2/3处时具有较高检测精度。分别对探针深度为15、20mm时的树盘含水率检测值与含水率实际值进行拟合，得到如下修正公式。

探针深度为15mm时，

(3)

探针深度为20mm时，

Mj=1.012 2Mc+0.345 3,R2=0.997。

(4)

式中：Mj为树盘含水率实际值(%)；Mc为树盘含水率检测值(%)。

图4不同探针深度时树盘含水率检测值与实际值随时间的变化曲线

2.4探针间距对检测精度的影响

探针深度20mm时，间距对检测精度的影响结果如图6所示。可知，纤维饱和点以下树盘含水率检测值均小于实际值。检测精度从高至低，对应的探针间距依次为30、20、40mm。这说明探针间距过大或过小均会降低木材含水率仪的检测精度，较适宜的探针间距为30mm。这是由于探针间距过大时，两探针间木材自身物质增多，节子、抽提物等均会对电阻产生较大影响，从而影响含水率检测精度；而探针间距过小时，检测结果偶然性增大，使得局部区域的含水率不足以代表整块树盘含水率。对探针间距30mm时含水率检测值与实际值拟合，得到修正公式：

Mj=0.978 6Mc+0.835 8，R2=0.997 5。

(5)

图5　树盘含水率检测值与实际值的回归分析

图6不同探针间距时树盘含水率检测值与实际值随时间的变化曲线

2.5探针位置对检测精度的影响

图7为探针径向位置对含水率仪检测精度的影响结果。探针插入边材部位所测含水率最高，混合材部位次之，髓心和心材部位最低，边材和混合材部位含水率检测值更接近实际值。实际检测过程中，将探针插入混合材、边材部位可提高含水率仪检测精度。树盘常规干燥过程中含水率呈现心材高、边材低的分布[14]，而探针插入高含水率部位的检测值却降低。推测原因是由于心材部位含有单宁、树脂、色素等物质，对低含水率范围(0～20%)内影响木材导电性能最关键的自由离子的浓度产生影响，从而影响了木材的电导率。

2.6材温补偿和介质温度补偿对检测精度的影响

木材温度与干燥箱体内介质温度补偿下的含水率检测值如图8所示。可知，整个干燥周期内，两种不同温度补偿下的含水率检测值均略低于实际值；0<干燥时间≤60h时，材温补偿含水率检测值高于介质温度补偿含水率检测值；60h<干燥时间≤120h时，检测结果则与之相反。两种温度补偿下含水率检测值平均相差0.81%，最大仅相差1.6%。因此，实际干燥过程中可以将温度传感器直接放置于干燥介质中，利用介质温度补偿代替材温补偿。如果对测量精度有过高要求，则可实验测得不同介质温度，且以其为补偿依据分析树盘含水率实际值与检测值之间的关系，求得回归方程，进而对检测值进行修正。

图7不同探针位置时树盘含水率检测值与实际值随时间的变化曲线

图8两种温度补偿下树盘含水率检测值与实际值随时间的变化曲线

3结论

称质量装置测量精度的二元回归校正方程相关系数达0.99，具有较高可信度；据树盘绝干质量、干燥过程称质量装置的在线检测值，可得含水率的较精确值。纤维饱和点以下HYD-B型木材含水率仪具较适宜的使用方法：①探针插入木材深度距离上表面为木材厚度的1/2～2/3处时具有较高检测精度，适宜探针间距为30mm，可由含水率检测值求得适宜探针深度、间距下的含水率较准确值；②较适宜的探针插入位置为混合材、边材；③材温补偿和介质温度补偿差异不明显，实际干燥过程中可用方便的介质温度补偿代替材温补偿。

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第一作者简介：付宗营，男，1987年10月生，东北林业大学材料科学与工程学院，博士研究生。E-mail:fzy-1001@163.com。 通信作者：蔡英春，东北林业大学材料科学与工程学院，教授。E-mail:caiyingchunnefu@163.com。

收稿日期：2015年12月25日。

分类号S781.71

On-lineMeasurementofMoistureContentforWoodDisksduringDrying//

FuZongying,ZhaoJingyao,YangYeli,CaiYingchun

(NortheastForestryUniversity,Harbin150040,P.R.China)//JournalofNortheastForestryUniversity，2016,44(8)：61-64，72.

Forimprovingtheonlinedetectionprecisionofmoisturecontentduringwooddrying,westudiedtheeffectofworktemperatureonresistancestraintypeweighingdevice,andacquiredtheregressionequationforevaluatingexactweightbasedontemperatureandelectricalmeasuringweight,whichwasusedtorevisetheelectricalmeasuringweighttoexactweight.WecalibratedtheHYD-Bwoodmoisturecontentmeterbyaccuratemoisturecontent,whichwascalculatedbyovendryweightandtheexactweightfromweighingdevice.Weinvestigatedtheinfluenceofthedepth,intervalandpositionofprobe,temperatureandmediumcompensationonthedetectionprecisionforwoodmoisturecontent,whenwoodmoisturecontentwasbelowfibersaturationpoint.Thetestvalueandactualvalueofwoodmoisturecontentwerecurvefittedandthenthecorrectionformulaswereeducedwiththeoptimalprobedepthandinterval.Thetwo-variableregressionequationhashighcredibilitywithacoefficientof0.99.Belowfibersaturationpoint,thereisahigherdetectionprecisionwiththeprobedepththatis1/2to2/3ofthewoodthicknessandthe30mmprobespacing.Theeffectoftemperatureandmediumcompensationontestresultsissmall,thusthematerialtemperaturecompensationcanbereplacedbymediumcompensation.

KeywordsWood drying; Wood moisture content; Moisture content; Online measurement

1)国家自然科学基金项目(31270595)。

责任编辑：戴芳天。