棉花水分检测的基本原理和方法

摘要：棉花是我国农业生产的主要经济作物之一，是轻纺工业的重要原料，它在我国国民经济中占有重要地位。棉花检验工作是棉花生产、收购、加工、贸易以及使用过程中不可缺少的环节。棉花检验学是以研究棉纤维的结构、成分、性能和棉花标准、检验技术、测试手段以及检验仪器为主要内容的技术学科。本文主要介绍了棉花水分检测的基本原理和各种水分检测的方法，对各种水分检验方法进行对比，得出最优的测试方法。对于以后我国棉花水分检验工作有重要的作用。

关键词：水分检测 基本原理 方法

衣、食、住、行是我们每个人都离不开的基本需求，从他们的变化可以清晰地看到社会的飞速发展。近年来衣服的千变万化意味着原材料的供不应求，而棉花是主要的原材料之一，因此，对于棉农来说，怎样能够快速的进行棉花的收购和检验，这是首要考虑的问题。棉花含水的多少影响棉花真实的重量和纤维的物理、化学性能，它与生产、收购、初加工、运输、储存及纺织使用等方面也有着密切关系，并且为了促进生产，保障棉农的利益以及正确的计算重量，水分检验是棉花检验的重要项目之一。

1 棉花水分的含义及指标

棉花水分是指棉纤维中含有的水分子。它有两方面的内容：一是纤维大分子上的羟基（OH）所吸入的水分，亦称为吸收水。二是由纤维的毛细管的作用、多层吸附作用于纤维表面的粘着作用而产生的水分，亦称为吸附水。但由于吸收水只有在高温条件下或借助于化学作用才能逸出，且其纤维结构亦会被破坏，因此，棉花水分多指吸附水而言，而且所谓棉花水分检验的对象也正是指吸附水。从棉纤维的内部结构来讲，吸附水只能进入纤维内部的无定型区。而结晶度与取向度均较高的结晶区（定形区）水分子是不能进入的。所以棉纤维不会被水溶解。

棉花含水的指标用含水率或回潮率来表示。含水率指纤维内所含水的重量对湿纤维重量的百分比，用下面的计算公式：Wa=[（g0-g1）/g0]×100 其中：Wa指含水率（%）；g0指湿纤维重量（g）；g1指干纤维重量（g）。回潮率指纤维内所含水的重量对于干纤维重量的百分比，用下面的计算公式：W=[（g0-g1）/g1]×100 其中：W指回潮率（%）；g0指湿纤维重量（g）；g1指干纤维重量（g）。由以上的定义公式推导出二者直接的换算的理论公式：Wa=[W/（100+W）]×100或W=[Wa/（100-Wa）]×100，其中W指回潮率（%），Wa指含水率（%）。棉花含水率标准为10%，（相当于电测器回潮率9.66%）实际含水率不足或超过标准时，实行扣补。最高限度为12%，超过最高限度应摊晒整理。

2 棉花水分测试的基本原理

含水不同的棉花，具有不同的导电性能。棉花含水多，导电性能好，棉花含水少，导电性能差。在棉花两端加上一定的直流电压，采用电流表来量度通过棉花的电流，我们就可以从电流指针偏转的大小来确定棉花含水率的高低。原理如下图所示：

由图可知，棉花是作为一个电阻串联在电路中的。不同含水率的棉花具有不同的电阻值，棉花含水与电阻值之间的关系是一种非线性的负相关关系。棉花的阻值除因含水多少而有所不同外，棉花的密度，温差和外加电压的高低，对棉花的电阻值也有很大的影响。

3 棉花水分的检验方法

3.1 直接法：通过各种干燥方法，驱除棉花中的水分，前后称重得到棉样的湿重和干重，求得棉花回潮率。常用的干燥方法有：烘箱法。我国细绒棉国家标准规定采用烘箱法测定原棉回潮率。

烘箱法：①基本原理：取一定量的试样，把其放入一定温度的电热烘箱内烘验，直到试样中的水分蒸发后试样达到恒重，从烘干重量和原始重量的差异计算出原棉的回潮率。②试验方法：在烘验前应该把称好的试验试样撕松，在进行这项工作之前需要在下面放一张纸，所有落在这种纸上的杂物和短纤维等都应该放回到试验试样里，并且在这个过程中发现的棉籽、油棉等杂物，都应该替换成同等重量的棉样。最后把收集好的试验试样放入烘篮里，要求充满其容积的1/2-2/3。

把烘箱电源打开，等到其温度升至105℃±3℃时，就可以把准备好的烘篮放入其中，并在箱内的温度到达规定温度的时候记录时间。90分钟后关闭电源。进行第一次的箱内称重工作，做好记录，称完后，据关闭电源1分钟时重新打开电源，等到箱内的温度重新到达规定的温度后进行续烘，如此15分钟之后，再要要求进行第二次称量。直到两次称量的结果差异不超过后一次重量的0.05%，则后一次重量视为恒重。

试验结果计算：

试样回潮率Ri=[（Gi-Gio）/Gio]×100（i=1、2……n）其中：Ri指第i个试验试样回潮率（%）；Gi指第i个试验试样湿重（g）；Gio指第i个试验试样干重（g）。

平均回潮率R=ΣRi（i=1、2……n）/n，其中：R指平均回潮率，（%），n指试验试样数。

3.2 间接法：凡是不驱除棉花中的水分，不损坏试样，并利用棉纤维的某些性质，如电阻、介电常数等，在棉花回潮率不同时，具有不同数值特性，通过标定这些特性与棉花所含水分的关系，就可间接测量而直接读出棉花所含水分的数值。常用的间接法有电学测定法（电阻测湿仪、棉包回潮率在线测试系统、电容测湿仪）。我国细绒棉国家标准规定：批样检验时，采用烘箱法或电测器法测定原棉回潮率，以烘箱法为准；逐包检验时使用回潮率在线自动检测装置在线测试棉花回潮率，以烘箱法为准。

电测器法：首先必须了解棉纤维在不同的回潮率下它的电阻值是不同的，棉纤维的这种特性，如果能够保证其他的实验条件是相同的，只需要测量棉纤维的电流大小就可以计算出棉花的回潮率。测定仪的方框图：

4 棉花测试方法的对比

很多的因素都会影响棉花的水分，这些影响因素中既有内部原因，也有外部原因。其中内部因素是指棉花本身的微观结构。棉花是一种纤维素纤维，这种物质的大分子上具有很多的亲水集团，能够吸附很多的水，并且棉纤维里存在着结晶区和非结晶区，由于非结晶区的分子排列非常的紊乱，水分子很容易就可以进入。此外影响棉花回潮率的内部因素还有纤维素的伴生物，因为其具有很强的吸水性。

棉花的放置环境和放置方式是影响棉花回潮率的外部因素。棉花被放置在不同的位置它的回潮率是不同的，而不同密度的棉花吸水能力是不同的，说明棉花的放置方式对棉花的回潮率也有着很重要的影响。

4.1 两种方法的测试原理及特点：①烘箱法测试原理：这种测试方法的原理是取一定量的试样，把这些试样放入电热烘箱内烘验，并且对烘箱的温度进行了规定，直到烘验到试样达到恒重，从烘验后得出的试样重量和原始试样重量的差异就可以计算出棉花的回潮率。这种测试方法的特点是根据棉花回潮率定义的公式，把需要的各项数据都先得出，然后直接计算出棉纤维的回潮率。它的优点是不受环境变化的影响、测试结果也比较科学可靠。缺点是测试时间较长，工作效率不高等。②HVI法测试原理：让被测试棉花和HVI仪器中的水分感应元件进行接触，仪器就会把试样的含水情况传送到水分测试运算单元，由其计算出最终的回潮率数值。整个过程有电脑运算是该测试方法的特点，它的优点是工作效率高、不仅节省人力，还节约时间，缺点是这种测试方法得出的结果受自身仪器大小的限制，一般都只能代表一部分棉样的回潮率，所以采取这种测试方法的时候必须进行多次测试取平均值。

4.2试验

4.2.1 试验设备：Y802A型八篮烘箱是烘箱法所采用的仪器；M-1000型HVI是HVI法所采用的仪器。

4.2.2 试验方法：选择不同性质的20批棉花进行比对测试，要求每批棉花的质量必须大于等于2kg，然后把这些棉花分成重量相等的两份，分别进行HVI测试和烘箱。并且为了减少环境变化带来的误差，应该保证各棉花试样是在相同的温湿度条件下同时进行的测试。

烘箱法：依照GB/T 6102.1-2006《原棉回潮率测试法 烘箱法》规定要求，应该称取8份50g的棉花样品，适当加以开松后，依次放入烘箱的8个转篮。开启烘箱，进行测试。每隔一定的时间对样品进行称重一次，直到样品重量不再发生变化，达到恒重状态。通过用链条天平称量记录下样品的恒重G0。分别计算每个转篮中样品的回潮率，以8个转篮中样品的平均回潮率作为烘箱法测试的样品的最终回潮率。

HVI法：选择HVI模块测试中的长/强模块程序进行测试，测试过程应该严格按照GB/T 20392-2006《HVI棉纤维物理性能试验方法》规定要求进行。从样品中取出两份20g左右的棉花，分别放入HVI仪器的两个取样器进行测试，电脑将取两个数值的平均结果作为本次试验的最终结果。取出测试完毕样品，另取不同部位的棉花进行测试。重复上述步骤10次，将10次试验得到的回潮率数值平均后，即为利用HVI法测得的样品的最终回潮率。

4.3 数据分析方法。当完成这20批棉样的测试后，会得出这20批样品的回潮率数据。把这些数据以数据点的形式在平面直角坐标系中呈现出来，然后观察它的分布趋势，可以发现它是呈直线分布趋势，所以可以用一元线性回归法进行分析。

计算公式

两者的关系依据直线回归原则可以表现为：

Y=a+bx（a-常数项，b-回归系数）

根据以上20批棉样的回潮率测试结果进行计算，可以得到直线回归方程：

Y=0.05+0.99x

4.4 结论和建议

4.4.1 通过比较分析不难发现，两种方法测量的棉花回潮率的结果大体相同，可以采用直线回归方程来体现两者的关系。所以，在实际的检测工作中，不仅可以采用烘箱法进行测量，HVI法测试棉花回潮率也是科学的。

4.4.2 采取HVI法测试棉花回潮率比采取烘箱法更加的简单快捷，更加的有效率，因为HVI法测试棉花回潮率每次只需30秒，即使需要多次测试，也不过几分钟的时间，而传统的烘箱法测试一批棉花的回潮率需要大概90分钟。

4.4.3 GB/T 6012.1-2006《原棉回潮率测试法 烘箱法》要求回潮率的有效数值必须保存到小数点后两位，而通过HVI测试方法得到的回潮率结果的有效数位只是小数点后一位，所以采用HVI方法测试棉花回潮率时应该进行多次试验取平均值作为最终结果。

4.4.4 采用HVI测试方法测定棉花回潮率，必须注意对HVI仪器的清洁保养，尤其是对水分感应元件和水分电路板的保养，应该保证它们一直处于最佳工作状态。

棉花水分检测的原理理解和测试方法的对比对于今后棉花水分检验仪器的研发起到了举足轻重的作用，进一步提高我国棉花收购市场的公平、公正。

参考文献：

[1]韩刚.原棉水分电测器的原理及应用指南[M].陕西科学技术出版社.

[2]《中国纤检》2013年3月（下）.

[3]《中国棉业》2013年第11期.

作者简介：穆亚娟（1989-），女，陕西咸阳人，助理工程师，研究方向：机械电子，微电子设备的设计和维修。