淺析木材含水率測量方法及影響因素

夏海燕

摘要 ：木材含水率是調控干燥過程的關鍵參數。其測量的準確性直接影響到木材干燥質量的好壞、干燥成本的高低、及其干燥周期的長短。木材干燥過程中，木材含水率的在線檢測受多種因素影響，針對以上問題，通過對幾種測量木材含水率方法的介紹 ，詳細分析了各種測量方法中誤差形成的影響因素 ，指出了各測量方法的優缺點 ，并對使用過程中應注意的問題提出建議

關鍵詞 ：含水率 在線測量 影響因素 方法建議

正常狀態下的木材及其制品，都會有一定數量的水分。我國把木材中所含水分的重量與絕干后木材重量的百分比，定義為木材含水率。測量木材含水率的方法很多 ，在木材加工企業中應用最多的是傳統的稱量法和電阻法 ，較新的方法是電磁波技術。本文就該種技術投入市場的時間以及引進國家不同，價格因素 ，目前國內企業應用不多等方面進行分析，由于儀器儀表的設計及制造過程中不可避免地存在一些誤差及使用中操作熟練程度不等 ，可導致測量誤差 ，筆者對此進行初步分析 ，與同行探討。

一、引言

多年來，木材含水率的測試一直是各國木材科學者努力探索和解決的研究課題。為了更好地改善木材形體穩定和延長其使用壽命，提高木材的使用價值和利用率，人們對木材含水率的測試極為重視。一方面因為含水率是了解和使用木材的一個重要參數；另一方面也是因為木材含水率的檢測受外界因素影響較大。在以木材含水率為基準的干燥過程中，含水量檢測的精準度直接影響到木材干燥質量，尤其是噪聲和突變信號的影響，使木材干燥的自動控制難以進行。

小波分析能同時在時域和頻域中對信號進行分析，有效地區分信號中的突變部分和噪聲，因此作為一種新型的信號處理方法在工程界得到越來越廣泛的應用。但由于其時頻分解尺度是按二進制變化，在高頻段其頻率分辨率較高，而在低頻段其時間分辨率較差。小波包分析則是更加精細的信號處理方法，它能將頻帶進行多層次劃分，對低頻和高頻部分同時進行分解，其突出之處在于能將細節部分回歸地作為鏡像濾波器的輸入，產生一系列小波包的集合，然后應用某種代價函數來選擇最佳自子集。小波包是小波函數的推廣，具有更高的頻率分辨率，能對信號在時域進行更為精細的分析處理。

二、木材含水率在線檢測系統

1.1稱量法

木材干燥過程中的木材含水率自動檢測是木材干燥作業的一個重要方面，木材含水率作為被控質量，是干燥基準選取的指標之一，也是木材干燥階段的評價指標。傳統木材含水率的測量采用稱量法。稱量法是傳統的、也是最基本的木材含水率測量方法。我國林業行業標準[1 ]及國家標準[2 ， 3]中都規定以稱量法測量的含水率為準。其計算公式如下 ：木材含水率 =（濕木材質量 -絕干木材質量 ） /絕干木材質量× 1 0 0在實際測量過程中 ，按標準規定 ，從鋸材上截取兩個試片為代表。截取的試片立即稱量 ，精確到 0 .0 1g，然后放入烘箱 ，在 （1 0 3± 2 ）℃下烘干 ，至最后兩次稱量之差 （2 h間隔 ）小于 0 .0 2 g，即認為該試片達到了恒定質量 ，再用上述公式計算每片試片的含水率及兩試片的平均含水率 ，作為木材的含水率值。稱量法測量結果準確，但在操作過程中不能實時在線監測木材含水率的變化值，而且測量周期長、操作復雜、易受人為因素影響。

從理論上講 ，稱量法是木材含水率測量最準確的方法，但在操作過程中也存在很多引起木材含水率測量誤差的因素 ，使所測含水率值與實際值有偏差。

造成誤差的原因有如下幾點 ：

（1）氣候條件指試驗環境空氣的溫、濕度所對應的平衡含水率[5]與木材本身含水率不一致所引起的水分轉移。首先在鋸解時 ，高速旋轉的鋸片與木材磨擦生熱 ，使試片兩側的溫度高于空氣的溫度。由于試片的厚度僅為 1 0～ 1 2 mm，相對暴露面積達試片表面積的 70 %以上 ，當空氣所對應的平衡含水率低于試片的含水率時 ，試片在截取及稱量過程中都會釋放出水分 ，造成試片的質量低于實際值 ；反之 ，又會使稱量的試片質量高于實際值。另外 ，木材端面水分傳遞最快 ，由此表面傳遞的水分相對于試片的質量 （一般2 0～ 1 0 0 g）來說 ，誤差已足夠大。其次 ，在絕干材測量時 ，環境空氣的平衡含水率高于木材含水率 ，試片由烘箱中取出到稱量完畢 ，試片會從空氣中吸收水分 ，環境空氣越濕 ，造成的絕干材質量的誤差越大 ，導致計算出的含水率出現偏差。

（2）操作熟練程度操作者動作不熟練 ，易造成試片在空氣中暴露時間過長 ，引起稱量誤差增大 ，故應盡量使用電子天平稱量 ，并要求操作者動作熟練。

1 .2電阻法

電阻法測量木材含水率時 ，只需將探針釘入木板中 ，就可直接讀出含水率數值。正是其這一便捷的特性 ，使得眾多企業選用電阻法測量木材含水率。材性的影響電阻法測含水率值與木材本身材性有很大關系 ，一般電阻法儀表上都按不同木材樹種、密度等分成幾個檔次 （一般分為 4檔 ，有的稱為組 ） ，此外還需溫度校正裝置 ，以補償電阻隨溫度的變化而改變。但對于因樹木生長立地的土質不同 ，使木材中的礦物質含量存在差異而造成的木材性質差別 ，電阻法則無能為力 ，這時就會產生同種木材由于電阻不同 ，即使含水率相同 ，測量值卻不同的結果。木材紋理方向對其含水率值有影響。木材弦向電導率比徑向電導率小 1 0 %～ 1 2 % [6 ]，檢測同樣含水率的弦向板和徑向板時 ，結果會顯示不同的數值2儀表使用誤差 電阻法測濕儀在使用過程中也會由于操作方法不同而造成結果的差異。一般電阻法測量儀探針的后部都涂有絕緣材料 ，只有最前端的露出部分 ，用以測量兩點間的電阻值 ，所測含水率即為兩探針端點間的含水率 ，而不是木材的平均含水率值。木材在干燥后一般都存在中間高、表層低的含水率分布 ，探針刺入的深度不同 ，所顯示的含水率值亦不同 ，即使同一操作者 ，兩次測量的結果也會有差異。此外 ，木材表面受潮、雨淋、帶有濕心、經化學處理或有表面涂層者也會影響讀數的準確性。電阻法測量木材含水率還存在局限性 ，當木材含水率在纖維飽和點以下時所測值準確 ，當木材含水率低于 7%時 ，其電阻值約為 2 0 0億 Ω，又很難準確測量其含水率值[7]。這對于在木材干燥過程中控制含水率變化極為不便 ，特別是某些硬闊葉樹材 ，因無法準確測量木材在干燥過程各階段的含水率 ，使干燥材產生很大的缺陷 （如早期開裂等 ）。

1 .3電磁法

電磁法木材含水率儀在 90年代開始出現 ，是利用木材水分對電磁波吸收程度的不同來測量木材的含水率 ，具有不破壞木材表面、方便快捷、讀數穩定可靠等特點。測量的含水率值為儀表傳感器所覆蓋部分木材含水率的平均值 ，不受溫度影響 ，但一定程度上受木材材性的影響 ，對于不同樹種的木材所測量的含水率值需有不同的補償值。但對于未列出樹種的含水率值的測定就只能用密度相近的方式近似求出 ，此類測濕儀還要求其傳感面與木材表面貼緊才能保證測量精度 ，對于表面粗糙的板材的含水率測定會有一定誤差 ，人為誤差小。其局限性與電阻法相同 ，即無法準確測量纖維飽和點以上時木材的含水率值。

三、討論與建議

當用戶了解主要幾種含水率測量方法的優缺點，就可依不同需要確定使用方法，以避免或減少誤差。測量高含水率木材時盡量使用稱量法，而木材加工企業測量加工木材的含水率時，使用電阻法或電磁法測量儀表就可滿足要求；研究過程中或在比較精密的場合中，還應盡可能使用稱量法測量，以期得到一個比較準確的結果，隨著電子技術及相關學科的技術進步，相信會有更準確、適用范圍更廣、實時性又好的儀表被開發出來，以滿足不同要求的木材含水率測量？？

專業提供：水分測量儀，顆粒水分儀，木材水分儀，紡織原料水分儀，糧食水分儀，紙張水分儀等產品。

參考文獻：

1.王立昌，常建民，司慧2006 - 2006年全國博士生學術論壇——林業及生態建設領域相關學科.

2.馬曉春， 梁芳 - 《計量與測試技術》 2010年4期