棉花水分檢測的基本原理和方法

摘要：棉花是我國農業生產的主要經濟作物之一，是輕紡工業的重要原料，它在我國國民經濟中占有重要地位。棉花檢驗工作是棉花生產、收購、加工、貿易以及使用過程中不可缺少的環節。棉花檢驗學是以研究棉纖維的結構、成分、性能和棉花標準、檢驗技術、測試手段以及檢驗儀器為主要內容的技術學科。本文主要介紹了棉花水分檢測的基本原理和各種水分檢測的方法，對各種水分檢驗方法進行對比，得出最優的測試方法。對于以后我國棉花水分檢驗工作有重要的作用。

關鍵詞：水分檢測 基本原理 方法

衣、食、住、行是我們每個人都離不開的基本需求，從他們的變化可以清晰地看到社會的飛速發展。近年來衣服的千變萬化意味著原材料的供不應求，而棉花是主要的原材料之一，因此，對于棉農來說，怎樣能夠快速的進行棉花的收購和檢驗，這是首要考慮的問題。棉花含水的多少影響棉花真實的重量和纖維的物理、化學性能，它與生產、收購、初加工、運輸、儲存及紡織使用等方面也有著密切關系，并且為了促進生產，保障棉農的利益以及正確的計算重量，水分檢驗是棉花檢驗的重要項目之一。

1 棉花水分的含義及指標

棉花水分是指棉纖維中含有的水分子。它有兩方面的內容：一是纖維大分子上的羥基（OH）所吸入的水分，亦稱為吸收水。二是由纖維的毛細管的作用、多層吸附作用于纖維表面的粘著作用而產生的水分，亦稱為吸附水。但由于吸收水只有在高溫條件下或借助于化學作用才能逸出，且其纖維結構亦會被破壞，因此，棉花水分多指吸附水而言，而且所謂棉花水分檢驗的對象也正是指吸附水。從棉纖維的內部結構來講，吸附水只能進入纖維內部的無定型區。而結晶度與取向度均較高的結晶區（定形區）水分子是不能進入的。所以棉纖維不會被水溶解。

棉花含水的指標用含水率或回潮率來表示。含水率指纖維內所含水的重量對濕纖維重量的百分比，用下面的計算公式：Wa=[（g0-g1）/g0]×100 其中：Wa指含水率（%）；g0指濕纖維重量（g）；g1指干纖維重量（g）?；爻甭手咐w維內所含水的重量對于干纖維重量的百分比，用下面的計算公式：W=[（g0-g1）/g1]×100 其中：W指回潮率（%）；g0指濕纖維重量（g）；g1指干纖維重量（g）。由以上的定義公式推導出二者直接的換算的理論公式：Wa=[W/（100+W）]×100或W=[Wa/（100-Wa）]×100，其中W指回潮率（%），Wa指含水率（%）。棉花含水率標準為10%，（相當于電測器回潮率9.66%）實際含水率不足或超過標準時，實行扣補。最高限度為12%，超過最高限度應攤曬整理。

2 棉花水分測試的基本原理

含水不同的棉花，具有不同的導電性能。棉花含水多，導電性能好，棉花含水少，導電性能差。在棉花兩端加上一定的直流電壓，采用電流表來量度通過棉花的電流，我們就可以從電流指針偏轉的大小來確定棉花含水率的高低。原理如下圖所示：

由圖可知，棉花是作為一個電阻串聯在電路中的。不同含水率的棉花具有不同的電阻值，棉花含水與電阻值之間的關系是一種非線性的負相關關系。棉花的阻值除因含水多少而有所不同外，棉花的密度，溫差和外加電壓的高低，對棉花的電阻值也有很大的影響。

3 棉花水分的檢驗方法

3.1 直接法：通過各種干燥方法，驅除棉花中的水分，前后稱重得到棉樣的濕重和干重，求得棉花回潮率。常用的干燥方法有：烘箱法。我國細絨棉國家標準規定采用烘箱法測定原棉回潮率。

烘箱法：①基本原理：取一定量的試樣，把其放入一定溫度的電熱烘箱內烘驗，直到試樣中的水分蒸發后試樣達到恒重，從烘干重量和原始重量的差異計算出原棉的回潮率。②試驗方法：在烘驗前應該把稱好的試驗試樣撕松，在進行這項工作之前需要在下面放一張紙，所有落在這種紙上的雜物和短纖維等都應該放回到試驗試樣里，并且在這個過程中發現的棉籽、油棉等雜物，都應該替換成同等重量的棉樣。最后把收集好的試驗試樣放入烘籃里，要求充滿其容積的1/2-2/3。

把烘箱電源打開，等到其溫度升至105℃±3℃時，就可以把準備好的烘籃放入其中，并在箱內的溫度到達規定溫度的時候記錄時間。90分鐘后關閉電源。進行第一次的箱內稱重工作，做好記錄，稱完后，據關閉電源1分鐘時重新打開電源，等到箱內的溫度重新到達規定的溫度后進行續烘，如此15分鐘之后，再要要求進行第二次稱量。直到兩次稱量的結果差異不超過后一次重量的0.05%，則后一次重量視為恒重。

試驗結果計算：

試樣回潮率Ri=[（Gi-Gio）/Gio]×100（i=1、2……n）其中：Ri指第i個試驗試樣回潮率（%）；Gi指第i個試驗試樣濕重（g）；Gio指第i個試驗試樣干重（g）。

平均回潮率R=ΣRi（i=1、2……n）/n，其中：R指平均回潮率，（%），n指試驗試樣數。

3.2 間接法：凡是不驅除棉花中的水分，不損壞試樣，并利用棉纖維的某些性質，如電阻、介電常數等，在棉花回潮率不同時，具有不同數值特性，通過標定這些特性與棉花所含水分的關系，就可間接測量而直接讀出棉花所含水分的數值。常用的間接法有電學測定法（電阻測濕儀、棉包回潮率在線測試系統、電容測濕儀）。我國細絨棉國家標準規定：批樣檢驗時，采用烘箱法或電測器法測定原棉回潮率，以烘箱法為準；逐包檢驗時使用回潮率在線自動檢測裝置在線測試棉花回潮率，以烘箱法為準。

電測器法：首先必須了解棉纖維在不同的回潮率下它的電阻值是不同的，棉纖維的這種特性，如果能夠保證其他的實驗條件是相同的，只需要測量棉纖維的電流大小就可以計算出棉花的回潮率。測定儀的方框圖：

4 棉花測試方法的對比

很多的因素都會影響棉花的水分，這些影響因素中既有內部原因，也有外部原因。其中內部因素是指棉花本身的微觀結構。棉花是一種纖維素纖維，這種物質的大分子上具有很多的親水集團，能夠吸附很多的水，并且棉纖維里存在著結晶區和非結晶區，由于非結晶區的分子排列非常的紊亂，水分子很容易就可以進入。此外影響棉花回潮率的內部因素還有纖維素的伴生物，因為其具有很強的吸水性。

棉花的放置環境和放置方式是影響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，說明棉花的放置方式對棉花的回潮率也有著很重要的影響。

4.1 兩種方法的測試原理及特點：①烘箱法測試原理：這種測試方法的原理是取一定量的試樣，把這些試樣放入電熱烘箱內烘驗，并且對烘箱的溫度進行了規定，直到烘驗到試樣達到恒重，從烘驗后得出的試樣重量和原始試樣重量的差異就可以計算出棉花的回潮率。這種測試方法的特點是根據棉花回潮率定義的公式，把需要的各項數據都先得出，然后直接計算出棉纖維的回潮率。它的優點是不受環境變化的影響、測試結果也比較科學可靠。缺點是測試時間較長，工作效率不高等。②HVI法測試原理：讓被測試棉花和HVI儀器中的水分感應元件進行接觸，儀器就會把試樣的含水情況傳送到水分測試運算單元，由其計算出最終的回潮率數值。整個過程有電腦運算是該測試方法的特點，它的優點是工作效率高、不僅節省人力，還節約時間，缺點是這種測試方法得出的結果受自身儀器大小的限制，一般都只能代表一部分棉樣的回潮率，所以采取這種測試方法的時候必須進行多次測試取平均值。

4.2試驗

4.2.1 試驗設備：Y802A型八籃烘箱是烘箱法所采用的儀器；M-1000型HVI是HVI法所采用的儀器。

4.2.2 試驗方法：選擇不同性質的20批棉花進行比對測試，要求每批棉花的質量必須大于等于2kg，然后把這些棉花分成重量相等的兩份，分別進行HVI測試和烘箱。并且為了減少環境變化帶來的誤差，應該保證各棉花試樣是在相同的溫濕度條件下同時進行的測試。

烘箱法：依照GB/T 6102.1-2006《原棉回潮率測試法 烘箱法》規定要求，應該稱取8份50g的棉花樣品，適當加以開松后，依次放入烘箱的8個轉籃。開啟烘箱，進行測試。每隔一定的時間對樣品進行稱重一次，直到樣品重量不再發生變化，達到恒重狀態。通過用鏈條天平稱量記錄下樣品的恒重G0。分別計算每個轉籃中樣品的回潮率，以8個轉籃中樣品的平均回潮率作為烘箱法測試的樣品的最終回潮率。

HVI法：選擇HVI模塊測試中的長/強模塊程序進行測試，測試過程應該嚴格按照GB/T 20392-2006《HVI棉纖維物理性能試驗方法》規定要求進行。從樣品中取出兩份20g左右的棉花，分別放入HVI儀器的兩個取樣器進行測試，電腦將取兩個數值的平均結果作為本次試驗的最終結果。取出測試完畢樣品，另取不同部位的棉花進行測試。重復上述步驟10次，將10次試驗得到的回潮率數值平均后，即為利用HVI法測得的樣品的最終回潮率。

4.3 數據分析方法。當完成這20批棉樣的測試后，會得出這20批樣品的回潮率數據。把這些數據以數據點的形式在平面直角坐標系中呈現出來，然后觀察它的分布趨勢，可以發現它是呈直線分布趨勢，所以可以用一元線性回歸法進行分析。

計算公式

兩者的關系依據直線回歸原則可以表現為：

Y=a+bx（a-常數項，b-回歸系數）

根據以上20批棉樣的回潮率測試結果進行計算，可以得到直線回歸方程：

Y=0.05+0.99x

4.4 結論和建議

4.4.1 通過比較分析不難發現，兩種方法測量的棉花回潮率的結果大體相同，可以采用直線回歸方程來體現兩者的關系。所以，在實際的檢測工作中，不僅可以采用烘箱法進行測量，HVI法測試棉花回潮率也是科學的。

4.4.2 采取HVI法測試棉花回潮率比采取烘箱法更加的簡單快捷，更加的有效率，因為HVI法測試棉花回潮率每次只需30秒，即使需要多次測試，也不過幾分鐘的時間，而傳統的烘箱法測試一批棉花的回潮率需要大概90分鐘。

4.4.3 GB/T 6012.1-2006《原棉回潮率測試法 烘箱法》要求回潮率的有效數值必須保存到小數點后兩位，而通過HVI測試方法得到的回潮率結果的有效數位只是小數點后一位，所以采用HVI方法測試棉花回潮率時應該進行多次試驗取平均值作為最終結果。

4.4.4 采用HVI測試方法測定棉花回潮率，必須注意對HVI儀器的清潔保養，尤其是對水分感應元件和水分電路板的保養，應該保證它們一直處于最佳工作狀態。

棉花水分檢測的原理理解和測試方法的對比對于今后棉花水分檢驗儀器的研發起到了舉足輕重的作用，進一步提高我國棉花收購市場的公平、公正。

參考文獻：

[1]韓剛.原棉水分電測器的原理及應用指南[M].陜西科學技術出版社.

[2]《中國纖檢》2013年3月（下）.

[3]《中國棉業》2013年第11期.

作者簡介：穆亞娟（1989-），女，陜西咸陽人，助理工程師，研究方向：機械電子，微電子設備的設計和維修。