一种电子式全量程木材含水率测试仪∗

全 鹏 贺 霞 程曦依 李 芸 李贤军

含水率既是木材的重要材性指标，也是木材干燥过程中对介质参数和干燥条件进行调节和控制的重要依据。因此，采用合适的含水率测试方法实现木材含水率的快速准确测量具有非常重要的现实意义[1]。目前，在实际生产中普遍使用的含水率测定方法主要有称重法和电测法。其中称重法具有准确可靠、简便易行的优点[2]，适用于科学研究中准确测量木材的含水率，但其存在着测量周期长、效率低的缺陷，不能满足木材干燥过程中含水率快速检测的需求。电测法具有在线快速检测的优点，但其测量量程受限，尤其在高含水率阶段（含水率高于40%），测量精度很差,无法满足使用要求。近年来，国内外部分学者曾尝试开展木材含水率高精度、全量程的快速检测，但结果均不太令人满意[3-9]，木材含水率的快速准确检测成为木材干燥业界的一大难题。鉴于此，笔者基于称重法测试原理新研制了一种电子式全量程木材含水率测试仪，并对其测量精度进行了实际检测，对其测量误差进行了系统分析，以期为实际生产中木材含水率的快速准确检测提供一种切实可行的方法和装置，并为木材含水率检测技术的后续研究提供参考和借鉴。

1 仪器结构与使用方法

新研发的电子式全量程木材含水率测试仪由数据显示区、数据输入区、功能键区、称量托盘及集成电路板6个部分构成。其中数据显示区主要用于实时显示木材试件质量、绝干质量和含水率；数据输入区主要用于输入木材试件的绝干质量；功能键区包括输入、删除、清除、去皮和背光5个功能键，其中输入键和删除键分别用于输入和删除木材绝干质量数值，清除键用于一次性删除所有输入数据，去皮键用于去除容器的质量（测量木粉、木纤维或木刨花含水率时使用），背光键用于打开显示屏的背光灯；称量托盘用于待测试样的放置；集成电路板用于主要数据的运算。图1为该仪器结构简图与实物图，其最大质量测量量程为5 000.0 g，质量分度值为1 g，含水率分度值为0.01%。

图1 电子式全量程木材含水率测试仪结构简图与实物图Fig.1 Schematic and optical diagram of the electronic full scale wood moisture meter

在实际生产中，电子式全量程木材含水率测试仪的具体使用方法和测试步骤如下：

1）按照GB/T 6491—2012《锯材干燥质量》 标准的要求选取和锯制含水率检验板[10]；

2）称取含水率检验板的初始质量，并采用称重法测试初含水率试片的初始含水率；

3）根据检验板的初重和初含水率试片的含水率反算检验板的绝干质量；

4）按照GB/T 6491—2012 标准的要求放置木材含水率检验板；

5）干燥过程中，如需测试含水率检验板的实时含水率，从干燥窑中取出木材含水率检验板，把检验板的绝干质量数值输入电子式全量程木材含水率测试仪，然后将检验板放置在装置的称量托盘上，该装置即显示此时检验板的含水率。

2 精度测试与分析

为有效检验新研制的电子式全量程木材含水率测试仪的测量精度，笔者以新采伐的杨木(Populus L.)和杉木(Cunninghamia lanceolata)锯材为检测对象，分别采用称重法、电阻式含水率测试仪（YM-50A）、感应式含水率测试仪（YM-50B）和笔者研制的电子式全量程木材含水率测试仪对干燥过程中的杨木和杉木锯材含水率进行动态测试，再以称重法测得的木材含水率为参照，比较另外三种木材含水率测试仪的测量精度。测试检验板的锯制按照GB/T 6491—2012 标准进行，杨木和杉木含水率检验板的规格为600 mm（长）×100 mm（宽）×30 mm（厚）。检验板的干燥在恒温干燥箱中进行，干燥温度恒定在70 ℃，采用电阻式和感应式含水率测试仪测量检验板含水率时，每次测试的位置相同。称重法含水率测量值是通过记录干燥过程中检验板的实时质量，待干燥过程结束后，进一步将检验板烘至绝干，通过其绝干质量反算检验板在各个阶段的实时含水率，即通过称重法测量得到的含水率。

图2和图3分别表示了在杨木和杉木锯材的整个干燥过程中，采用上述四种方法和仪器得到的木材含水率动态测试值。图4表示了在上述两种木材的整个干燥过程中，电阻式含水率测试仪、感应式含水率测试仪和新研制的电子式全量程木材含水率测试仪测试数据的实际绝对偏差。从图2～4中可以明显看出：与电阻式和感应式两种含水率测试仪相比，电子式全量程木材含水率测试仪（图例为电子称重式）在锯材整个干燥过程中的含水率大跨度测试范围内（0～140%）的测量精度均较高，且绝对偏差波动小；随着锯材含水率的增加，上述三种测试仪器的含水率测量值与锯材实际含水率的差值均呈增加趋势，但电阻式和感应式含水率测试仪的测量偏差增加速度远大于电子式全量程木材含水率测试仪的含水率测量偏差。

从图4中可以看出：当杨木和杉木试件含水率在0～60%范围内时，电阻式含水率测试仪的偏差范围分别介于2%～13%、2%～18%；当杨木和杉木试件含水率高于60%时，电阻式含水率测试仪的测量偏差几乎呈直线增大，且最大偏差值均超过了55%。当杨木和杉木试件含水率在0～70%范围内时，感应式含水率测试仪的测量偏差曲线波动较大，偏差范围分别为7%～20%、6%～27%；当试件含水率高于70%时，感应式含水率测试仪的测量偏差值几乎呈直线增大，且最大偏差值分别达到50%和40%，这说明电阻式、感应式含水率测试仪的测量误差不仅与含水率[11-12]有关，还与试件的条件、操作方式等诸多因素有关。当木材含水率在40%～70%范围内时，电阻式和感应式木材含水率测试仪的测量偏差均出现了先上升后下降的波动，出现该现象的原因还有待进一步探究。

从图4中还可以看出新研制的电子式全量程木材含水率测试仪的测量偏差曲线在试件的初始含水率到绝干范围内比较平稳，偏差范围为2%～5%，其中杨木的含水率测量偏差范围为2%～4%，杉木的含水率测量偏差范围为3%～5%，这说明树种对该装置的测量精度影响较小。

图2 杨木试件的干燥过程曲线Fig.2 Drying curves for poplar wood

图3 杉木试件的干燥过程曲线Fig.3 Drying curves for Chinese fi r wood

图4 3种测量木材含水率方法的测量偏差曲线Fig.4 Measured deviation curves of wood moisture content of 3 methods

如果木材为绝对均质体，从理论上而言，采用电子式全量程木材含水率测试仪获得的含水率测量值应该完全等于木材含水率实际值，可试验结果显示虽然电子式全量程木材含水率测试仪获得的测试结果最接近实际值，但两者之间还是存在较小的测量误差。产生这种误差的主要原因在于木材是一个非均质体，在锯材长度方向，木材的含水率并非恒定，而是存在一定程度的波动。因此，在用锯材两端小试件的含水率代替大试件的初含水率，并理论推导大试件的绝干质量时，不可避免地就会存在误差，从而直接导致了电子式全量程木材含水率测试仪测量误差的存在。为了验证上述解释的正确性，笔者以杨木锯材（长250 mm×宽95 mm×厚29 mm）为研究对象，沿长度方向将其锯解为25片含水率试片（厚度为10 mm），然后通过称重法测量每片含水率试片的含水率。图5表示了杨木试件沿长度方向的含水率变化规律。从图中可以看出，同一块试件长度方向上的含水率是不均匀的，其中试件两端含水率较低（平均值为110.08%），中间含水率较高（平均值为131.24%），考虑到试件置于空气中后，试件两端水分蒸发较快，导致其含水率较低，因此在试件上锯取初含水率试片时应尽可能多地从试件两端锯除端部部分，使锯制的含水率试片能较准确地反映整块试件的初始含水率，使测试值更加接近实际值。

图5 杨木试件沿长度方向的含水率分布曲线Fig.5 Longitudinal distribution curve for moisture content of poplar wood

3 结论

以杨木和杉木为测试对象，对电子式全量程木材含水率测试仪的测量精度和测量误差进行了系统分析。结果表明：新研制的含水率测试仪可以实现任意含水率范围内木材含水率的快速测量，并具有较高的测量精度；与现有电阻式和感应式含水率测试仪相比，新研制的含水率测试仪具有更高的测量精度和更小的测量误差，尤其是当木材含水率在40%以上时，该含水率测试仪更具有优势；在0～140%的含水率变化范围内，其测量结果的绝对偏差范围为2%～5%，且绝对偏差波动小；新研制的含水率测试仪测量误差是由木材的非均质特性造成的，在实际生产过程中，可以通过合理取样有效减少测量误差，提高测量精度。在广东省宜华木业股份有限公司的中试结果表明，该含水率测试仪的测量精度高于该公司使用的电阻式和感应式木材含水率测试仪，是实际生产中快速准确检测木材含水率的一种切实可行的方法和装置。

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