干燥過程物料內部水分無損檢測技術

祝樹森，張緒坤，*，黃儉花，余 蓉，徐 剛，徐建國

(1.南昌航空大學航空制造工程學院，江西南昌330063;2.江西省科學院，江西南昌330029)

干燥過程物料內部水分無損檢測技術

祝樹森1，張緒坤1，*，黃儉花1，余 蓉1，徐 剛2，徐建國2

(1.南昌航空大學航空制造工程學院，江西南昌330063;2.江西省科學院，江西南昌330029)

干燥過程物料含水量以及物料內部水分分布是物料干燥的重要特性，也是影響物料干燥過程的主要因素。干燥過程物料內部水分含量、水分的分布以及水分流動性的檢測有助于真實反映干燥過程中物料內部的傳質現象，并且為干燥工藝的優化和物料干燥數學模型的建立提供依據。文章綜述了目前測定物料干燥過程中物料內部水分常用的無損檢測方法，通過對各種測定方法的比較得出磁共振成像技術是一種比較理想的測量干燥過程物料內部水分的方法。

磁共振成像，干燥，綜述，水分分布

1 測定物料內部含水量以及水分分布的方法

干燥物料內部水分的檢測主要包括物料內部的水分含量和物料內部水分狀態分布。對干燥物料中水分的最早研究僅僅是測定物料中的水分總含量，應用廣泛的有烘干稱重法、化學干燥法(用濕分吸附劑吸收水分)、卡爾－費休法(化學滴定法)、DSC (Differential Scanning Calorimetry差示掃描量熱)、DMA(Dynamic Thermomechanical Analysis動態機械分析)等測定方法。但物料作為非均勻的復合體系，這些方法不能提供關于物料水分的完整信息(如結合水的物理狀態和干燥過程的遷移等)［7］，而且測定過程中的加熱會導致一系列諸如蛋白質變性、淀粉糊化、汁液外流等變化，影響測試結果的準確度。另外，還存在對樣品有損測量，不能實現原位測量等缺點。

傳統的物料內部水分分布的研究方法是切片法，這種方法精度差(切片時受高溫和環境影響水分損失造成誤差)，具有破壞性，不能實現原位測量。近年來，各種無損水分含量及分布狀態測量方法被廣泛應用。文獻上檢測干燥過程物料水分含量和水分分布的無損檢測方法主要有近紅外光譜法、電阻率成像法(Electrical Resistivity Tomography，ERT)、計算機斷層成像法(Computed Tomography，簡稱CT)以及磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，簡稱MRI)技術測水分等。

1.1 近紅外光譜法

利用近紅外具有的吸收特性，近紅外線被吸收的量正比于光程中產生光吸收的分子數目的原理來測量水分方法，即為近紅外光譜測定法。其測量水分具有快速準確、無接觸、無損傷原位、連續測量的優點。

近紅外線照射物料，根據郎伯比爾定律，近紅外線通過水分時被有選擇的吸收，透射后的近紅外線強度如下列公式:

式中:I0和I分別表示近紅外線透射物料前和后的強度，μ為質量衰減系數，ρ為近紅外線照射區域物料的平均密度，l為近紅外線照射方向穿透尺寸。

由式(1)可以得到ρ的表達式:

一般用最易被水分吸收的波長為1.94μm的紅外射線作為測量波長，同時用幾乎不被水分吸收的1.81μm波長作為參比［8］。根據被測物料對這兩種波長的能量吸收量，便可判斷物料被照射區域的含水量。該方法只能作表面測量，難以測得物料內部水分的分布和水分的狀態，而且測量精度受物料形狀、大小和密度影響大。此方法通常被用在操作線上做在線測量，目前廣泛用于砂子、織物、谷物、食品和紙的濕含量測量。

1.2 電阻率成像法(ERT)

ERT方法基于陣列電探的思想，通過一次性布極、自動變換電極距，實現多尺度斷面數據的采集。借助于二維或三維反演軟件完成視電阻率→真電阻率→地質斷面影像之間的轉化，提供了豐富的地質空間信息［9］，作為一種新興的地電學勘探方法，在地球物理學中得到廣泛的運用和發展。近年來ERT被應用于樹木內阻檢測的嘗試，并取得一定效果。

物料的電阻率是濕含量的函數，通過在樹干某一截面布置一圈電極，并利用一個二維迭代有限元反演算法進行反演，經過反演計算獲得樹干各截面上電阻率的空間分布圖像，由得到的平面分布圖上反映出樹木內水分含量的空間分布和動態變化特征。

電導率成像法的結構簡單、成本低，但不足在于:a.其測量精度受到電極幾何形狀、物料的形狀和狀態、溫度以及電極和物料間的接觸電阻的影響。b.由于樹干中含有一定量的無機礦物成分，因而具有一定的導電性，所以此法測量精度不高。c.ERT測量法不能測出整個物料水分的分布狀態，對于較大的物料如木材只能做有限個層面的電導率分布圖像。對干燥過程中樹干水分的變化只能粗略的估計。d.受物料的形狀和狀態影響很大，已經應用于木材、糧食等的濕含量測量。

1.3 計算機斷層成像法(CT)

CT的信息載體是X射線，所以又稱為X射線計算機斷層成像(X－CT)。首先通過X線射束從各個方向對被探測的斷面進行掃描，利用現代計算機技術對檢測器獲得的各個方向投影數據進行分析和處理，然后重建斷層影像，并獲得斷面內相應點的CT值。常規X射線成像雖然影像信息豐富，但成像慢、影像信息重疊，CT的影像對比度較高，最突出的優點是可實現斷層成像，有選擇地對物料某一切面進行觀察分析，因為X射線通過不同物質時的衰減值不同，通過切面掃描圖我們可以分出不同的物質。綜合觀察相鄰斷面的影像，可獲得不完全連續的準三維結構信息，得到物料內部的水分梯度分布。

通過圖片分析，發現物料某點的含水率與相應CT圖片上點的CT值之間、CT圖片上的點的RGB值與其CT值之間都有著顯著的線性相關性［10］，從而我們可以通過某點的CT值或RGB值得到該點的含水率，進而通過CT圖片得到物料內部水分的分布。

CT測量水分的方法是一種準確、快速、無損的測量物料含水率及含水梯度分布的方法。但相對于MRI技術測水分有一定的不足之處:a.信息載體X射線具有輻射作用，引起生物效應對測量結果的影響。b.CT成像一般為橫斷面成像，單參數成像，成像含信息量少，不能提供物料干燥過程中試樣的生化信息(物料內部水分的狀態、遷移等)，三維成像層面厚度約是MRI的一半。c.CT成像的掃描時間和重建時間均比MRI成像長，而且CT對水的顯示不如MRI明顯。

1.4 MRI技術測水分

MRI技術主要有兩個學科分支:磁共振成像(MRI)和磁共振波譜分析(Magnetic Resonance Spectroscopy，簡稱MRS)。MRI基本原理是將人體置于特殊的磁場中，用無線電射頻脈沖激發人體內氫原子核，引起氫原子核共振，并吸收能量。在停止射頻脈沖后，氫原子核按特定頻率發出射電信號(磁共振信號)，并將吸收的能量釋放出來，被體外的接受器收錄，經電子計算機處理獲得圖像。MRS是將磁共振信號，經傅立葉公式轉換成頻率(波譜)作為定量檢測的方法。

MRI誕生于1973年，它是一種無損測量技術，成像速度快，可以用于獲取多種物質的內部結構圖像，MRI為多參數成像，現在的低磁場MRI在水質子成像時一般只作三參數成像，即自旋質子密度ρ成像、縱向馳豫時間T1－加權ρ成像、橫向馳豫時間成像T2－加權ρ成像［11］。而且MRI可以對物料任意層面(橫斷面，矢狀面，冠狀面)或任意斜面直接成像，還可以三維成像，為物料內部水分梯度分布的直觀觀察提供了可能。

MRS是基于化學位移理論發展起來的主要用于測定物質的化學成分和分子結構，核磁共振譜峰的面積正比于相應的質子數，這不僅應用于結構分析中，同樣用于定量分析［12］。用核磁共振定量分析最大的優點就是不需要引進任何校正因子繪制工作曲線，核磁共振可以用于多組分混合物的分析、元素的分析、有機物中活潑氫及重氫試劑的分析［13］。由于MRS譜信號對分子可流動性非常敏感可用來進行食品結構的微動力學研究，MRS可以得到充分詳實的實驗數據，從而有針對的找到提高食品質量的途徑和方法［14］。因此，MRS為干燥過程中物料內部水分的定量測量以及水分的狀態及移動提供了有效的方法。

由于MRI技術可獲取的信息豐富，受到了國內外學者的重視，Sally G Hardin g等［15］利用磁共振技術測量木板干燥過程中的水分分布，證明了在含有纖維素的木板干燥過程中，磁共振可以提供有用的可視化和定量的水分分布數據。Bertram等［16］利用低場強的NMR研究了豬肉中水分的分布與流動性，發現與額外的肌原纖維蛋白水分子數目相關的NMR數據和膜完整性的阻抗特性是有聯系的，并且縱肌的收縮與橫肌縮水是肌原纖維蛋白中水分逸出的主要動力。Prabal.K.Ghosh等［18］利用自旋回波序列磁共振成像技術獲得小麥種子干燥過程中的水分分布圖像，通過分析利用該圖像研究了干燥動力學，建立數學模型為谷物的干燥提供理論基礎。而Lodi等［19］利用磁共振對大豆和杏仁面包儲存過程中水分分布和移動進行研究，得出水分的均勻分布和流動在阻礙大豆和杏仁面包的變質過程中發揮著基礎作用的結論。王喜明等［33］利用磁共振分析儀檢測樟子松木材在120℃高溫干燥過程中，含水率不同階段，試件中水分的橫向馳豫時間T2的變化情況，通過對水分T2的個參數分析，初步確定高溫干燥過程中水分的移動及分布情況。姜曉文［20］將7份0.89體積約為lcm3的肉丁(含水量為72%)放入鹵素水分測定儀105℃烘干至含水量分別為70.5%，68.9%，65%，60%，53.3%，30%，然后放入檢測管中 32℃水浴10min進行磁共振檢測。結果顯示:隨著烘干程度的增大，通過橫向馳豫時間T2和質子密度關系圖明顯看出磁共振橫向馳豫時間T2譜線總積分面積減少，即水分含量的減少，通過統計分析，橫向弛豫總積分面積與豬肉中水分質量的關系式為Y=116744X－8300.1，線性相關系數R2=0.9936。水分質量與NMR橫向弛豫時間的積分面積之間得出了較高的相關系數，從而表明NMR檢測的豬肉中的氫質子絕大部分是豬肉水分中的氫質子。因此，磁共振是一種比較準確測定水分含量的方法。

MRI技術測量水分具有以下優點:a.測量迅速，準確，一般不受物料形狀和大小的限制的。b.MRI多參數成像，提供豐富的信息:如氫核質子密度ρ、T1、T2、水分子狀態及流動特性、MRS等。c.任意層面成像，實現橫斷面、冠狀面、矢狀面、任意斜位多個方向成像，可以獲得物料不同層面含水量、物料總的含水量和干燥過程物料內部水分分布。

2 結論與展望

上面討論的4種無損測量水分的方法都能測出干燥過程物料內部水分的含水量。近紅外光譜法以及CT法測水分是利用光的特性測量物料內部水分含量，電阻率成像法和MRI分別利用電和磁的特性研究物料內部水分。

近紅外光譜法是表面測量技術，不能揭示干燥過程物料內部水分狀態及分布，且受物料形狀、狀態和大小影響較大;電阻率成像法不能實現每一層面的水分分布圖，只能粗略估計水分的分布情況，而且受電極幾何形狀、物料的形狀影響較大，測量精確度較差;CT法測量雖然能測出干燥過程物料內部水分分布，但與MRI相比，CT成像一般為橫斷面成像，單參數成像，成像含信息量少，不能提供物料干燥過程中試樣的生化信息(物料內部水分的狀態、遷移等)，三維成像層面厚度約是MRI的一半，CT成像的掃描時間和重建時間均比MRI長，以及CT對水的顯示不如MRI明顯。因此，磁共振成像技術是一種比較理想的測量干燥過程物料內部水分的方法。但是，MRI技術的缺點是設備昂貴，成本高。目前，MRI主要應用于研究木材干燥過程物料內部水分分布及傳遞規律。可以預測的是:隨著經濟的快速發展，設備成本降低，MRI技術將在其它物料水分分布研究中得到廣泛的應用。

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Material internal moisture nondestructive testing technology during drying process

ZHU Shu－sen1，ZHANG Xu－kun1，*，HUANG Jian－hua1，YU Rong1，XU Gang2，XU Jian－guo2
(1.School of Aeronautical Manufacturing Engineering，Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China; 2.Jiangxi Academy of Sciences，Nanchang 330039，China)

Moisture content and moisture distribution of the materials is not only the important drying characteristics，but also the main factors of influence during material drying.The testing of drying materials internal moisture content，study on distribution and mobility of water helps to truly reflect mass－transfer phenomenon of material interior during drying process，And for drying technology optimization of improvement and the establishing of materials drying mathematical model provides the basis.This paper reviewed common NDT(nondestructive testing)methods which were applied to the measurement of materials internal moisture in drying process.Through comparing various measurement methods and drawing the conclusion，magnetic resonance imaging technology was an ideal measuring material internal water method in drying process.

magnetic resonance imaging;drying;reviews;moisture distribution

TS201.1

A

1002－0306(2012)08－0409－04

干燥是一個高耗能的工藝過程，在許多工業生產中干燥耗能高達12%，占全部生產費用的60%～70%，因此，干燥所面臨的問題就是既要保證產品質量又要減少能量的消耗［1］。由于物料的種類繁多，各自的干燥特性不盡相同，而且沒有一個普遍適用的干燥理論，多數干燥數學模型只適用于特定的物料和設備。因此，為了提高干燥效率、降低能耗、提高干燥產品質量，對物料的干燥特性研究是有必要的。如對物料中的水分分布、物料的干燥速度、升溫規律、內部結構變化及物料的狀態等隨外界條件變化的規律研究［2］。含水率是物料物理性質中重要的物理參數，其大小不僅幾乎與物料所有性質密切相關，且是物料干燥過程參數控制與調整的主要依據［3］。對物料中的水分，尤其是水分分布的研究是理解干燥現象的重點［4］。干燥過程可分為三個階段:物料的預熱階段、恒速干燥階段和降速干燥階段。在前兩個階段，傳質阻力主要存在于氣相側，即為外部條件控制干燥，這兩個階段的干燥速率主要取決于空氣溫度與物料表面溫度的差值、熱空氣的速度和濕度等［5］。當物料的尺寸較大，或物料內的濕分擴散率較低時，即為內部條件干燥的過程，這時降速干燥階段濕分擴散是控制干燥速率的主要因素，可用Fick擴散定律描述的模型來計算擴散速率［6］。但是Fick擴散定律模型并不能適應于所有物料。因此通過實測干燥過程中物料內部含水率、水分狀態分布及遷移規律，不僅可以為物料的干燥工藝優化提供依據，而且為新型干燥技術的開發提供理論基礎。

2011－05－09 *通訊聯系人

祝樹森(1986－)，男，在讀碩士，研究方向:機電一體化技術。

國家自然科學基金(31060231)。