JP6416355B1 - Method for measuring the moisture content of logs by natural frequency - Google Patents
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Abstract
【課題】繊維飽和点以上の含水率を、はい積みのまま測定することにより、高含水率木材の含水率管理の実用化に資する技術を提供すること
【解決手段】下記の工程を含む、木材の含水率を特定する方法：
Ａ．ある時刻（時刻0）における、木材の含水率（MC0）、縦振動固有振動数（F0）及び丸太の温度（T0）を特定する工程；
Ｂ．T0の後の任意の時刻（時刻ｔ）において、前記木材の縦振動固有振動数（Ft）及び木材の温度（Tt）を測定する工程；及び
Ｃ． 下記（式４’）にF0、T0、Ft及びTtを代入してMCt（％）を計算し、MCtを時刻ｔにおける前記木材の含水率とする工程。
（式中、MC0は時刻0における前記木材の含水率の測定値又は推定値である）。
【選択図】なし[PROBLEMS] To provide a technology that contributes to the practical use of moisture content management of high moisture content wood by measuring the moisture content above the fiber saturation point as it is piled up. To determine the moisture content of:
A. Identifying the wood moisture content (MC 0 ), longitudinal vibration natural frequency (F 0 ), and log temperature (T 0 ) at a certain time (time 0 );
B. C. measuring the natural frequency (F t ) of the longitudinal vibration of the wood and the temperature (T t ) of the wood at any time after time T 0 (time t 2 ); A step of calculating MC t (%) by substituting F 0 , T 0 , F t and T t into the following (formula 4 ′) and setting MC t as the moisture content of the wood at time t.
(Where MC 0 is the measured or estimated value of the moisture content of the wood at time 0).
[Selection figure] None
Description
本発明は固有振動数により丸太等の木材の含水率を測定する方法に関する。より詳細には本発明は、繊維飽和点以上の高含水率にある含水率の測定が物理的な障害のために測定し難い状況にある木材について、任意の時刻の木材の縦振動固有振動数と材温及びある１つの時刻の含水率から、任意の時刻の含水率を簡便に測定する技術に関する。 The present invention relates to a method for measuring the moisture content of wood such as logs by the natural frequency. More specifically, the present invention relates to the natural frequency of longitudinal vibration of wood at an arbitrary time for wood in which it is difficult to measure the moisture content at a high moisture content above the fiber saturation point due to physical failure. Further, the present invention relates to a technique for simply measuring the moisture content at an arbitrary time from the material temperature and the moisture content at a certain time.
近年、バイオマス発電による発電が増加している。バイオマス発電とは、廃材、穀物、生活ごみなど生物由来の有機物資源（バイオマス：biomass）を発電用燃料とする発電の方式であり、バイオマス発電においてはバイオマスを直接あるいはガス化して燃焼させ、生み出した水蒸気やガスでタービンを回して発電する。
木材などの木質系バイオマスは成長過程で二酸化炭素を吸収するため、バイオマスを発電用燃料に使って二酸化炭素を排出しても、吸収と排出が相殺されるカーボンニュートラルなものであるため、バイオマス発電は地球環境に優しい発電とされる。また化石燃料と違ってバイオマスは枯渇することがなく、風力発電や太陽光発電と同様にバイオマス発電は再生可能エネルギーの一つである。
日本では、バイオマス発電は2012年（平成24）7月に始まった再生可能エネルギーの固定価格買取制度（FIT）の対象となり、増加傾向にある。バイオマス発電が増加傾向にあるのは、欧州のような諸外国においても増加している。
In recent years, power generation by biomass power generation has increased. Biomass power generation is a power generation system that uses biomass as a fuel for power generation, such as waste materials, cereals, and household waste. Biomass power generation is generated by burning biomass directly or by gasification. Power is generated by turning the turbine with steam or gas.
Woody biomass such as timber absorbs carbon dioxide during the growth process, so even if carbon dioxide is emitted using biomass as a fuel for power generation, it is a carbon neutral one that absorbs and discharges. Is considered to be an environmentally friendly power generation. Unlike fossil fuels, biomass does not become depleted, and biomass power generation is one of the renewable energies, just like wind power generation and solar power generation.
In Japan, biomass power generation is subject to the feed-in tariff for renewable energy (FIT) that started in July 2012 and is on an increasing trend. The trend of increasing biomass power generation is increasing in other countries such as Europe.
木質系バイオマスを用いるバイオマス発電（木質バイオマス発電）では、発電用燃料として、間伐材などの原木（丸太）から生産された木屑のようなペレットやチップが提供される。原木は、伐採後特定の場所に集積された後に発電に供される。また、原木が伐採されてから発電に供されるまで一定の時間をかけて天然乾燥をすることもある。天然乾燥の目的は、燃料用原木あたりの発熱量が増大し発電効率が高められること、もって現状では割高であるといわざるを得ない木質バイオマス発電のコスト減に資するからである。 In biomass power generation using woody biomass (woody biomass power generation), pellets and chips such as wood chips produced from raw wood (logs) such as thinned wood are provided as fuel for power generation. Logs are collected at a specific location after logging and then used for power generation. In addition, natural drying may be performed over a certain period of time after the log is cut down before being used for power generation. The purpose of natural drying is to increase the calorific value per log for fuel and increase power generation efficiency, and thus contribute to reducing the cost of wood biomass power generation, which is inevitably expensive.
原木の含水率は、天然乾燥後には、w.b.50〜60%からw.b.約30%まで低下する。
これらの含水率は、原木の乾燥前と乾燥後の重量の差を用いて含水率を求める絶乾法により求めなければならない。いずれの含水率も原木の繊維飽和点（d.b.22%）以上での含水率であり、既存の測定方法や含水率計では正確な計測ができないためである（図１）。
The moisture content of raw wood drops from wb 50-60% to about 30% wb after natural drying.
These moisture contents must be determined by the absolutely dry method for determining the moisture content using the difference between the weight before and after drying the raw wood. This is because the moisture content is the moisture content above the fiber saturation point (db22%) of the raw wood, and cannot be accurately measured with existing measurement methods and moisture content meters (Fig. 1).
木材中の水は、液状の自由水と木繊維に結合した結合水の2種類がある。結合水はおおむねw.b.22%の含水率で木繊維中に結晶水として飽和し（繊維飽和点）、以降は自由水が木材中の空隙を満たすことで含水率が増加する。w.b.は湿量基準含水率であることを表す表記である。
既存の含水率計（電気抵抗式、高周波式）では、測定に用いられる電気抵抗や高周波誘電率が木繊維中の結合水量と相関するものの、自由水量とは相関しないため、繊維飽和点以上の高含水率を測定することはできない。
Water in the timber, there are two types of bound water attached to the free water and wood fibers of the liquid. The combined water is saturated as crystallization water in the wood fiber with a water content of wb22% (fiber saturation point), and thereafter the water content increases as free water fills the voids in the wood. wb is a notation representing a moisture content based on moisture content.
In the existing moisture meter (electric resistance type, high frequency type), the electrical resistance and high frequency dielectric constant used for measurement correlate with the amount of bound water in the wood fiber, but it does not correlate with the amount of free water . High water content cannot be measured.
原木（丸太）の含水率（重量）の測定に関する技術として、丸太のヤング率および絶乾密度が一定とする条件下において、固有振動数の測定のみにより丸太の重量を測定する技術がある（非特許文献１）。
また、固有振動数を基に主として木材の含水率を測定する方法や装置についての報告もある（特許文献１）。
As a technique for measuring the moisture content (weight) of logs (logs), there is a technique for measuring the weight of logs only by measuring the natural frequency under the condition that the Young's modulus and absolute dry density of the logs are constant (non- Patent Document 1).
There is also a report on a method and apparatus for mainly measuring the moisture content of wood based on the natural frequency (Patent Document 1).
これらの方法は原木（丸太）の重量や木材の含水率の測定を、絶乾法ではなく固有振動数を用いて行う方法である。しかしながら、これらの方法を用いて測定した丸太の含水率の測定値の精度は必ずしも高いものではない。そのためバイオマス発電用にはい積みされているような大量の丸太の集合体全体について含水率を高い精度で特定することは、不可能である。すなわち、繊維飽和点以上の高含水率域について木材の平均的な含水率を測定する場合、絶乾法以外の測定技術では測定精度が低いといわざるを得ないのが現状である。
原木の保管現場において原木の含水率を測定し、天然乾燥の実態把握や乾燥期間の管理を行おうとしても、原木は高くはい積みされており、重量等の測定が難しいといった問題もある（図２Ａ及び図２Ｂ）。また、絶乾法は重量測定や乾燥に多大なコストがかかるため、実用的な方法ではない。
In these methods, the weight of the log (log) and the moisture content of the wood are measured using the natural frequency instead of the absolute dry method. However, the accuracy of the measured value of the moisture content of logs measured using these methods is not necessarily high. For this reason, it is impossible to specify the moisture content with high accuracy for the entire aggregate of a large number of logs piled up for biomass power generation. In other words, when measuring the average moisture content of wood in the high moisture content region above the fiber saturation point, it can be said that the measurement accuracy is low with measurement techniques other than the absolutely dry method.
Even if the moisture content of raw wood is measured at the raw wood storage site to grasp the actual condition of natural drying and control of the drying period, there is a problem that the raw wood is piled high and it is difficult to measure weight, etc. (Fig. 2A and FIG. 2B). Further, the absolutely dry method is not a practical method because it requires a great deal of cost for weight measurement and drying.
非特許文献１における技術においては、１本ずつ積み重ねられることなく個別に静置された丸太が測定の対象とされ、ヤング率および絶乾密度が一定であるという前提の下、個々の丸太の固有振動数の測定のみにより丸太の重量が測定されている。しかしながら、はい積みの場合に考慮するべき固有振動数及びヤング率が受ける影響は、同文献においては考慮されていない。しかも実際には材温の変化もヤング率に影響するにもかかわらず、同文献における報告では材温変化によるかかる影響は無視されている。
特許文献１に記載の方法においては、固有振動数と含水率の検量線をあらかじめ参照データとして与えているため、必然的に木材のヤング率及び絶乾密度は全ての木材で一定との仮定されている。そのため、同文献に記載の技術を用いて木材の含水率を測定しても、実際の値を十分に反映するものとはならないことが明らかである。
In the technique of Non-Patent Document 1, logs that are individually placed without being stacked one by one are taken as objects of measurement, and the uniqueness of each log is assumed on the assumption that Young's modulus and absolute dry density are constant. The weight of the log is measured only by measuring the frequency. However, the influence of the natural frequency and Young's modulus that should be taken into account in the case of a pile is not considered in this document. Moreover, although the change in the material temperature actually affects the Young's modulus, the effect of the change in the material temperature is ignored in the report in this document.
In the method described in Patent Document 1, since a calibration curve of natural frequency and moisture content is given as reference data in advance, it is assumed that the Young's modulus and absolute dry density of wood are necessarily constant for all wood. ing. Therefore, it is clear that even if the moisture content of wood is measured using the technique described in this document, the actual value is not sufficiently reflected.
ところで、バイオマス発電用の原木の乾燥が行われる場所や時期によっては、１年を経る前に、天然乾燥後の原木の含水率であるw.b.約30%の含水率程度に原木の含水率が低下している場合があると考えられる。含水率が十分に低下しているにもかかわらず原木を保管し続けることは、丸太の在庫管理の面において大きなコスト・労力の無駄を生じさせることになり避けるべきである。にもかかわらず、上記したような含水率を測定することの困難性のため、これまでは保管中の原木の含水率の測定は行われていないのが現状であった。換言すれば、とくにはい積みされた保管中の丸太の含水率を正確に測定し発電に供試する時期を見極める技術を用いることにより、丸太の在庫管理におけるコスト・労力を削減することが可能になり、多大なる経済的・物理的な効果が見込まれることに、本発明者らは他者に先駆けて着眼したのである。 By the way, depending on where and when the raw wood for biomass power generation is dried, the moisture content of the raw wood drops to about 30% wb, which is the moisture content of the raw wood after natural drying, before passing through a year. It is thought that there may be. Continuing to store logs even when the water content is sufficiently low should be avoided as it will cause a great waste of cost and labor in terms of log inventory management. Nevertheless, due to the difficulty in measuring the moisture content as described above, the moisture content of the raw wood being stored has not been measured so far. In other words, it is possible to reduce costs and labor in inventory management of logs by using a technology that accurately measures the moisture content of logs that are stored in storage and determines when to test power generation. Thus, the present inventors have focused on the fact that a great economic and physical effect is expected before others.
上記のような背景の下、本発明者らは、保管中の木材の含水率を正確に測定するために有効な技術として、繊維飽和点以上の含水率を、例えばはい積みのまま測定することにより、高含水率木材の含水率管理の実用化に資する技術を提供することを課題とした。 Under the background as described above, the present inventors measure the moisture content above the fiber saturation point, for example, as piled up, as an effective technique for accurately measuring the moisture content of wood during storage. Thus, it was an object to provide a technology that contributes to the practical application of moisture content management of high moisture content wood.
上記課題の解決を試みる中で本発明者らは、あるパラメータを考慮することにより丸太の含水率を簡便かつより正確に特定できる可能性があることを見出し、さらに鋭意研究を重ねて本発明を完成した。本発明は少なくとも以下の各発明に関する：
［１］
下記の工程を含む、木材の含水率を測定する方法：
Ａ．ある時刻（時刻0）における、木材の湿量基準含水率MC0、縦振動固有振動数F0（Hz）及び木材の温度T0（℃）を特定する工程；
Ｂ．T0の後の任意の時刻（時刻ｔ）において、前記木材の縦振動固有振動数Ft（Hz）及び木材の温度Tt（℃）を測定する工程；及び
Ｃ．下記（式４’）にF0、T0、Ft及びTtを代入してMCt（％）を計算し、MCtを時刻ｔにおける前記木材の含水率とする工程：
（式中、MC0は時刻0における前記木材の含水率の測定値又は推定値である）。
［２］
工程Ｃが、
Ｃ’．下記（式７）にF0、T0、Ft及びTtを代入してMCt（％）を計算し、MCtを時刻ｔにおける前記木材の含水率とする工程：
（式中、expαは、前記木材と同一の樹種の木材の、温度1℃の変化に対するヤング率の変化率である）
である［１］に記載の方法。
［３］
木材が丸太であり、はい積みされた３本以上の丸太により構成される丸太の集合体について、前記丸太の集合体を形成する丸太の一部についての含水率を測定し、該測定値を前記丸太の集合体を形成する丸太の含水率とすることを含む、［１］又は［２］に記載の方法。
［４］
αの特定が、木材についての含水率の実測値を用いてなされる、［２］又は［３］に記載の方法。
［５］
MC0の特定が、時刻0における木材の含水率の実測により行われる、［１］〜［４］のいずれかに記載の方法。
［６］
以下を備える、木材の含水率を測定する含水率測定システム：
（１）木材の縦振動固有振動数を測定する縦振動固有振動数測定部；及び
（２）時刻ｔにおける前記木材の含水率（MCt［％］）を計算し、MCtを測定値として与える含水率計算部、
ただしMCtの計算は下記式により行われる：
（式中、MC0は時刻ｔより前の時刻0における前記木材の含水率の測定値又は推定値であり、expαは、前記木材と同一の樹種の木材の、温度1℃の変化に対するヤング率の変化率である。F0及びFtはそれぞれ時刻0及び時刻ｔにおける前記木材の縦振動固有振動数であり、T0及びTtはそれぞれ時刻0及び時刻ｔにおける前記木材の温度である）。
［７］
縦振動固有振動数測定部が、木材に与えられた縦振動を感知する振動センサ部、及び前記縦振動を音声ファイルにして収録するレコーダー部をさらに備える、［６］に記載のシステム。
［８］
含水率計算部が、レコーダー部に音声ファイルとして収録された縦振動を周波数スペクトルに変換し、F0又はFtを特定する固有振動数特定手段をさらに具備する、［６］又は［７］に記載のシステム。
While trying to solve the above problems, the present inventors have found that there is a possibility that the moisture content of logs can be specified easily and more accurately by taking certain parameters into consideration, and the present invention has been further studied through repeated research. completed. The present invention relates to at least the following inventions:
[1]
A method for measuring the moisture content of wood, including the following steps:
A. Identifying the moisture reference moisture content MC 0 , longitudinal natural frequency F 0 (Hz) and wood temperature T 0 (° C.) at a certain time (time 0);
B. C. measuring the natural vibration frequency F t (Hz) of the wood and the temperature T t (° C.) of the wood at an arbitrary time (time t 2 ) after T 0 ; Substituting F 0 , T 0 , F t and T t into the following (formula 4 ′) to calculate MC t (%), and making MC t a moisture content of the wood at time t:
(Where MC 0 is the measured or estimated value of the moisture content of the wood at time 0).
[2]
Process C is
C '. Substituting F 0 , T 0 , F t and T t into the following (Equation 7) to calculate MC t (%) and setting MC t as the moisture content of the wood at time t:
(Where expα is the rate of change of Young's modulus with respect to a change in temperature of 1 ° C. of wood of the same tree species as the wood)
The method according to [1].
[3]
For a log aggregate composed of three or more logs in which the wood is a log, the moisture content of a part of the log forming the log aggregate is measured, and the measured value is The method according to [1] or [2], comprising setting a moisture content of logs forming an aggregate of logs.
[4]
The method according to [2] or [3], wherein the specification of α is performed using an actual measurement value of moisture content of wood.
[5]
The method according to any one of [1] to [4], wherein MC 0 is specified by actual measurement of the moisture content of wood at time 0.
[6]
Moisture content measuring system for measuring the moisture content of wood, comprising:
(1) Longitudinal vibration natural frequency measuring unit for measuring the natural vibration frequency of wood; and (2) calculating the moisture content (MC t [%]) of the wood at time t and using MC t as a measurement value. Moisture content calculator,
However, MC t is calculated by the following formula:
(In the formula, MC 0 is a measured value or an estimated value of the moisture content of the wood at time 0 before time t, and expα is the Young's modulus of the wood of the same tree species as the wood with respect to a change in temperature of 1 ° C. F 0 and F t are the natural vibration frequencies of the wood at time 0 and time t, respectively, and T 0 and T t are the temperatures of the wood at time 0 and time t, respectively) .
[7]
The system according to [6], wherein the longitudinal vibration natural frequency measurement unit further includes a vibration sensor unit that senses longitudinal vibration applied to the wood, and a recorder unit that records the longitudinal vibration as an audio file.
[8]
[6] or [7], wherein the moisture content calculation unit further comprises natural frequency specifying means for converting the longitudinal vibration recorded as an audio file in the recorder unit into a frequency spectrum and specifying F 0 or F t The system described.
本発明は、材温（木材の温度）を実測し、材温に応じてヤング率変化を補正することによって、木材における含水率の測定精度を向上させたものである。したがって本発明によれば、バイオマス発電用に丸太又は原木といった木材をはい積み・桟積み（木材の乾燥方法の一種。風の通るよう、間隔を空けて桟木を置いた上に木材を並べ、何段にも重ねるもの）で自然乾燥する場合にも、含水率を経時的に精度よく測定でき、バイオマス燃料用として供される原木（丸太）の出荷時期が簡便に管理できる。
また本発明によれば、任意の時刻に固有振動数および材温を測定することで、当該任意の時刻に繊維飽和点以上の高含水率な木材の平均的な含水率を簡便に測定することが可能になる。かかる効果を奏するため、本発明はパーティクルボードやMDF等の丸太の原材料管理にも応用が可能である。
The present invention improves the measurement accuracy of moisture content in wood by actually measuring the wood temperature (wood temperature) and correcting the Young's modulus change according to the wood temperature. Therefore, according to the present invention, wood such as logs or raw wood is piled and stacked for biomass power generation (a kind of drying method of wood. Even when it is naturally dried in a stack, the moisture content can be accurately measured over time, and the shipping time of logs (logs) used for biomass fuel can be easily managed.
Further, according to the present invention, by measuring the natural frequency and the material temperature at an arbitrary time, it is possible to easily measure the average moisture content of wood having a high water content above the fiber saturation point at the arbitrary time. Is possible. In order to achieve such an effect, the present invention can be applied to raw material management of logs such as particle board and MDF.
以下に本発明をさらに詳細に説明する。
本明細書においては他の定義や断りがない限り、「原木」の語を伐採後とくに加工されていない木材、すなわち製材される前の伐採された状態の木材を意味する語として用いる。「丸太」の語は山から伐り出した原木について、その形状を端的に表すために用いられる語であり、「原木」と実質的な相違はない。これら「丸太」及び「原木」、ならびに角状に製材された木質材（角材・ラミナ）等を総称して、本明細書においては「木材」ということがある。しかしながら、「木材」も「丸太」及び「原木」と、本発明の適用対象としての実質的な相違はない。
また本明細書においては他の定義や断りがない限り、「含水率」は湿量基準含水率（％）を意味する。湿量基準含水率（％）は、以下の式で算出される。
（ρ：みかけ密度（kg/m3）、dry_ρ：絶乾密度（kg/m3））
The present invention is described in further detail below.
In this specification, unless otherwise defined or noted, the term “raw wood” is used to mean wood that has not been particularly processed after cutting, that is, wood that has been cut before being sawn. The term “log” is used to express the shape of a log cut from a mountain, and there is no substantial difference from “log”. These “logs” and “logs”, as well as wooden materials (corners and lamina) and the like that are timbered in a square shape, are collectively referred to as “wood” in this specification. However, “wood” is not substantially different from “log” and “raw wood” as an application target of the present invention.
In the present specification, unless otherwise defined or indicated, “moisture content” means a moisture content moisture content (%). The moisture reference moisture content (%) is calculated by the following formula.
(Ρ: Apparent density (kg / m 3 ), dry_ρ: Absolute dry density (kg / m 3 ))
本発明が基礎を置くのは、下記の工程を含む、木材の含水率を測定する方法である：
Ａ．ある時刻（時刻0）における、木材の含水率、縦振動固有振動数（F0）及び丸太の温度（T0）を特定する工程；
Ｂ．T0の後の任意の時刻（時刻ｔ）において、前記木材の縦振動固有振動数（Ft）及び丸太の温度（Tt）を測定する工程；
Ｃ．下記（式４’）にF0、T0、Ft及びTtを代入してMCt（％）を計算し、MCtを時刻ｔにおける前記木材の含水率とする工程：
（式中、MC0は時刻0における前記木材の含水率の測定値又は推定値である）。
。
本発明の方法のうち、工程Ｃが、
Ｃ’．下記式にF0、T0、Ft及びTtを代入してMCt［％］を計算し、MCtを時刻ｔにおける前記木材の含水率とする工程：
（式中、expαは、前記丸太と同一の樹種の木材の、温度1℃の変化に対するヤング率の変化率である。）
である本発明の方法は好ましい。（式７）においても、MC0は時刻0における前記木材の含水率の測定値又は推定値である。
The present invention is based on a method for measuring the moisture content of wood, including the following steps:
A. Identifying the wood moisture content, longitudinal vibration natural frequency (F 0 ) and log temperature (T 0 ) at a certain time (time 0);
B. Measuring the natural frequency (F t ) and log temperature (T t ) of the wood at any time (time t) after T 0 ;
C. Substituting F 0 , T 0 , F t and T t into the following (formula 4 ′) to calculate MC t (%), and making MC t a moisture content of the wood at time t:
(Where MC 0 is the measured or estimated value of the moisture content of the wood at time 0).
.
Among the methods of the present invention, step C is
C '. In the following formula by substituting F 0, T 0, F t and T t to calculate the MC t [%], the moisture content of the wood MC t at time t Step:
(In the formula, expα is a change rate of Young's modulus with respect to a change in temperature of 1 ° C. of wood of the same tree species as the log.)
The method of the present invention is preferred. Also in (Formula 7), MC 0 is a measured value or an estimated value of the moisture content of the wood at time 0.
式の導出
上記（式４’）及び（式７）は、以下のように導出することができる。
固体の固有振動数、密度及びヤング率の物理的な関係式として、下記の式が知られている：
（E：縦振動ヤング率(Pa)、ρ：原木（木材）のみかけ密度（実重量／材積）(kg/m3)、L：原木（木材）の長さ(m)、F：固有振動数(Hz)）。
上記式１により求められるヤング率は、個々の原木においてほぼ一定である。すなわち、原木の長さ（L）は実質的に一定であるから、原木のみかけ密度（ρ）は固有振動数（F）の２乗に反比例する。
Derivation of Expression The above (Expression 4 ′) and (Expression 7) can be derived as follows.
The following formula is known as a physical relational expression of the natural frequency, density and Young's modulus of a solid:
(E: Young's modulus of longitudinal vibration (Pa), ρ: Apparent density (actual weight / volume) (kg / m 3 ), L: Length of raw wood (wood) (m), F: Natural vibration Number (Hz).
The Young's modulus obtained by the above equation 1 is substantially constant for each individual log. That is, since the length (L) of the raw wood is substantially constant, the apparent density (ρ) of the raw wood is inversely proportional to the square of the natural frequency (F).
また、湿量基準含水率（含水率：MC（％））は、下記式により定義されることは公知である。
（MC：湿量基準含水率（％）、dry_ρ：原木の絶乾密度（kg/m3））
上記式１と２からρを消去し、（式３）を得る。
(MC: Moisture standard moisture content (%), dry_ρ: Absolute dry density of raw wood (kg / m 3 ))
Ρ is eliminated from the above formulas 1 and 2, and (formula 3) is obtained.
ここで、乾燥期間を通じ、原木の絶乾密度dry_ρ、原木の長さLは一定と仮定し、
●時刻0におけるMC、F及びEをそれぞれMC0、F0及びE0とし、
●時刻tにおけるMC、F及びEをそれぞれMCt、Ft及びEtとして、下記（式３−１）及び（式３−２）を得る：
（MC0：時刻0における湿量基準含水率（％）、MCt：時刻tにおける湿量基準含水率（％）、F0：時刻0における固有振動数(Hz)、Ft：時刻tにおける固有振動数(Hz)
、E0：時刻0における縦振動ヤング率（Pa）、Et：時刻tにおける縦振動ヤング率（Pa））
Here, it is assumed that the absolute dry density dry_ρ of the raw wood and the length L of the raw wood are constant throughout the drying period,
MC, F and E at time 0 are MC 0 , F 0 and E 0 respectively.
● MC, F and E at time t are respectively MC t , F t and E t to obtain the following (formula 3-1) and (formula 3-2):
(MC 0 : moisture reference moisture content (%) at time 0, MC t : moisture reference moisture content (%) at time t, F 0 : natural frequency (Hz) at time 0, F t : at time t Natural frequency (Hz)
, E 0 : longitudinal vibration Young's modulus (Pa) at time 0, E t : longitudinal vibration Young's modulus (Pa) at time t)
（式３−１）と（式３−２）において、これら２式に共通するdry_ρ及びLを消去し、（式４）を得る。
ここで、乾燥期間を通じ、原木のヤング率Eが一定、すなわちE0＝Etであると仮定すると、（式４）より（式４’）を得る。
In (Expression 3-1) and (Expression 3-2), dry_ρ and L that are common to these two expressions are eliminated to obtain (Expression 4).
Here, assuming that the Young's modulus E of the raw wood is constant throughout the drying period, that is, E 0 = E t , (Expression 4 ′) is obtained from (Expression 4).
一方、木材のヤング率は繊維飽和点以上の含水率においては温度Tに応じて僅かながら変化することも公知である。すなわち、温度上昇に伴いヤング率Eはわずかに低下することが知られている（図３、「ティンバーメカニクス: 木材の力学理論と応用」（2015））。
前記変化の変化率の定数（α）は小さい（約−0.002〜-0.004）ため考慮せずに含水率を求める方法が考えられている。これに対し、含水率の特定に際してαの影響を、その影響の大きさを考慮しながら勘案して、ヤング率と材温との関係を下記式により定義することにより、含水率をより高い精度で測定し特定できることを本発明者らは見出したのである。
ヤング率Eと材温Tの関係を（式５）のように表すことができる：
（expα：気温1℃あたりの縦振動ヤング率Eの変化率に相当する定数（Pa/℃）、expβ：気温0℃における縦振動ヤング率Eに相当する定数（Pa）、T：材温 (℃)）。
On the other hand, it is also known that the Young's modulus of wood varies slightly depending on the temperature T at the moisture content above the fiber saturation point. In other words, it is known that the Young's modulus E slightly decreases with increasing temperature (Fig. 3, "Timber Mechanics: Wood Dynamics and Applications" (2015)).
Since the constant (α) of the change rate of the change is small (about −0.002 to −0.004), a method for obtaining the water content without considering it is considered. On the other hand, when the moisture content is specified, the effect of α is taken into account while taking into account the magnitude of the effect, and the relationship between Young's modulus and material temperature is defined by The present inventors have found that it can be measured and specified by
The relationship between Young's modulus E and material temperature T can be expressed as (Equation 5):
(Expα: Constant corresponding to the rate of change of the longitudinal vibration Young's modulus E per 1 ° C (Pa / ° C), expβ: Constant corresponding to the longitudinal vibration Young's modulus E at a temperature of 0 ° C (Pa), T: Material temperature ( ° C)).
（式３）〜（式４）の操作と同様に、時刻0におけるE及びTをそれぞれE0及びT0とし（（式５−１））、時刻tにおけるE及びTをそれぞれEt及びTtとし（（式５−２））、
（E0：時刻0における縦振動ヤング率（Pa）、Et：時刻tにおける縦振動ヤング率（Pa）、T0：時刻0における材温 (℃)、Tt：時刻tにおける材温（℃））、（式５−１）及び（式５−２）から下記式６を得る：
(E 0 : longitudinal vibration Young's modulus (Pa) at time 0, E t : longitudinal vibration Young's modulus (Pa) at time t, T 0 : material temperature (° C.) at time 0, T t : material temperature at time t ( ° C)), (Formula 5-1) and (Formula 5-2) to obtain the following Formula 6:
（式６）を（式４）に代入し、下記（式７）を得る：
（MCt：時刻tにおける湿量基準含水率（％）、MC0：初期（時刻0における）含水率（％）、Ft：時刻tにおける固有振動数(Hz)、F0：初期の（時刻0における）固有振動数(Hz)、Tt:時刻tにおける材温（℃）、T0:初期の（時刻0における）材温（℃）、α：定数（expαが材温1℃あたりの縦振動ヤング率Eの変化率（Pa/℃）に相当））。
上記（式７）が、時刻ｔにおける前記丸太の含水率を得るための、本発明の方法における最も好ましい式である。すなわち本発明の方法により丸太の含水率を最も好ましく求めるためには、
・時刻tにおける湿量基準含水率（MCt）
・初期（時刻0における）含水率（MC0）
・時刻tにおける固有振動数(Ft)
・初期の（時刻0における）固有振動数(F0)
・時刻tにおける材温（Tt）
・初期の（時刻0における）材温（T0）、及び
・定数α
を測定又は特定し、（式７）に測定又は特定された各値を代入して計算を行えばよい。
なお、ヤング率EとTの関係を、指数関数を用いず簡便に（式５’）のように表し、
（α’：気温1℃あたりの縦振動ヤング率Eの変化率に相当する定数（Pa/℃）
β’：気温0℃における縦振動ヤング率Eに相当する定数（Pa））、
（式５）〜（式７）と同様の操作により、（式６’）及び（式７’）を得ることができ、（式７’）も時刻tにおける湿量基準含水率MCtの算出に用いることができる：
（式７’）を用いる本発明の方法は、（式４’）を用いる方法より高い精度で湿量基準含水率MCtを求めることを可能にするため、好ましい。
一方、（式７’）においては、時刻tの湿量基準含水率MCtを算出するために、MC0、α’、β’の３つを測定又は参照により特定する必要がある。これに対し（式７）を用いた場合の湿量基準含水率と（式７’） を用いた場合の湿量基準含水率の値は、ほぼ同等である。そのため、ヤング率Eと材温Tの関係は、（式５’）によって表すより（式５）により表すほうが、より好ましい。
Substituting (Equation 6) into (Equation 4) to obtain (Equation 7) below:
(MC t : Moisture reference moisture content (%) at time t, MC 0 : Initial (at time 0) moisture content (%), F t : Natural frequency (Hz) at time t, F 0 : Initial ( Natural frequency (Hz) at time 0, T t : Material temperature (° C) at time t, T 0 : Initial material temperature (at time 0) (° C), α: Constant (expα is per material temperature 1 ° C) The rate of change of the longitudinal vibration Young's modulus E (corresponding to Pa / ° C))).
The above (formula 7) is the most preferred formula in the method of the present invention for obtaining the moisture content of the log at time t. That is, in order to obtain the moisture content of logs most preferably by the method of the present invention,
・ Moisture reference moisture content at time t (MC t )
・ Initial (time 0) moisture content (MC 0 )
・ Natural frequency at time t (F t )
-Initial natural frequency (at time 0) (F 0 )
・ Material temperature at time t (T t )
Initial material temperature (at time 0) (T 0 ), and constant α
May be calculated by substituting each value measured or specified in (Equation 7).
The relationship between Young's modulus E and T is simply expressed as (Equation 5 ′) without using an exponential function,
(Α ': constant corresponding to the rate of change of Young's modulus E of longitudinal vibration per 1 ° C temperature (Pa / ° C)
β ′: constant (Pa) corresponding to the longitudinal Young's modulus E at a temperature of 0 ° C.
(Expression 6 ′) and (Expression 7 ′) can be obtained by the same operations as in (Expression 5) to (Expression 7), and (Expression 7 ′) is also used to calculate the moisture reference moisture content MCt at time t. Can be used:
The method of the present invention using (Equation 7 ′) is preferable because it makes it possible to determine the moisture reference moisture content MC t with higher accuracy than the method using (Equation 4 ′).
On the other hand, in (Expression 7 ′), in order to calculate the moisture reference moisture content MC t at time t, it is necessary to specify three of MC 0 , α ′, and β ′ by measurement or reference. On the other hand, the moisture reference moisture content when (Equation 7) is used and the moisture reference moisture content when (Equation 7 ′) is used are substantially the same. Therefore, the relationship between the Young's modulus E and the material temperature T is more preferably expressed by (Expression 5) than by (Expression 5 ′).
上記（式７）におけるαは、樹種ごとに特定することができ、実測により決定するか、又は当該樹種についての標準的な値がある場合には当該標準的な値を採用して決定する。含水率の測定の精度をより高くするためには、測定対象の丸太等の木材と同じ集積場所に存在する他の木材を用いて、実測により決定することは好ましい。αの値を実測により決定する方法については、別途説明する。 Α in the above (Expression 7) can be specified for each tree species, and is determined by actual measurement, or when there is a standard value for the tree species, the standard value is adopted. In order to further increase the accuracy of the measurement of the moisture content, it is preferable to determine by actual measurement using another wood that is present at the same accumulation location as the wood such as a log to be measured. A method for determining the value of α by actual measurement will be described separately.
含水率管理時に1本の木材について痩躯低を2回以上行うことを想定し、時刻0と時刻tにおけるMC、F、TをそれぞれMC0及びMCt、F0及びFt、T0及びTtとし（原木の長さLと絶乾密度dry_ρは変化しないものとする）、上記（式１）〜（式６）からMCtを求める式（（式７））が得られるのである。 Assuming that one wood is dredged twice or more at the time of moisture content management, MC, F and T at time 0 and time t are MC 0 and MC t , F 0 and F t, T 0 and T It is assumed that t (the length L of the raw wood and the absolute dry density dry_ρ do not change), and the equation ((Equation 7)) for obtaining MC t from the above (Equation 1) to (Equation 6) is obtained.
本発明の測定方法
はい積みされた丸太（又は原木）の集合体における含水率を測定する場合について例示する。個別の木材の含水率については、以下に示す方法において示されている個々の丸太についての測定方法を適用することにより求めることができる。
はい積み後間もなく（例えば同日〜約１週間の間）に、含水率の測定対象として選択した丸太の振動（縦振動）を加速度ピックアップ（振動センサ）を用いて検知し、該振動をレコーダーに固有振動数F0として記録する。また、同じ原木について、含水率を実測するか又は含水率の推定値を設定し、初期（時刻0における）含水率MC0を特定する。含水率を実測してMC0とする本発明の方法は、含水率の測定（推定）がより正確に行えるため好ましい。初期含水率MC0として、時刻0における原木ごとの含水率実測値を個別に適用してもよいし、各原木の含水率実測値の平均値を各原木に適用してもよい。含水率実測値を個別に適用することにより、含水率をより高い精度で推定することができる。原木ごとの含水率実測値の平均値を各原木について用いる場合には、実用上十分に高い精度でかつ一層簡便に各測定対象の含水率を推定することができる。
含水率の実測は絶乾法により行うことができる。含水率の推定値を用いる場合には、例えば前年度以前の同時期に測定された含水率の値を含水率として用いてよい。
任意の日数経過後（時刻ｔ）に前記丸太の振動（縦振動）を加速度ピックアップ（振動センサ）を用いて検知し、該振動をレコーダーに固有振動数Ftとして記録する。
また、各記録時における気温を記録し、固有振動数F0を記録した際の気温及び固有振動数Ftを記録した際の気温をそれぞれT0及びTtとして記録する。
The measurement method of the present invention is exemplified for the case of measuring the moisture content in an aggregate of stacked logs (or logs). The moisture content of individual wood can be determined by applying the measurement method for individual logs shown in the method shown below.
Yes. Immediately after loading (for example, between the same day and about a week), the vibration (longitudinal vibration) of the log selected as the moisture content measurement target is detected using an acceleration pickup (vibration sensor), and the vibration is specific to the recorder. Record as frequency F 0 . Further, the moisture content is measured or the estimated value of the moisture content is set for the same log, and the initial (at time 0) moisture content MC 0 is specified. The method of the present invention in which the moisture content is actually measured to make MC 0 is preferable because the moisture content can be measured (estimated) more accurately. As the initial moisture content MC 0 , the measured moisture content for each log at time 0 may be applied individually, or the average value of the measured moisture content for each log may be applied to each log. By applying the moisture content measurement values individually, the moisture content can be estimated with higher accuracy. When the average value of the measured moisture content for each log is used for each log, the moisture content of each measurement object can be estimated more easily with a sufficiently high accuracy in practice.
The actual measurement of the moisture content can be performed by the absolutely dry method. When using the estimated value of the moisture content, for example, the value of the moisture content measured in the same period before the previous year may be used as the moisture content.
After an arbitrary number of days have passed (time t), the vibration of the log (longitudinal vibration) is detected using an acceleration pickup (vibration sensor), and the vibration is recorded as a natural frequency F t on a recorder.
Further, the temperature at the time of recording is recorded, and the temperature at the time of recording the natural frequency F 0 and the temperature at the time of recording the natural frequency F t are recorded as T 0 and T t , respectively.
振動の記録は、加速度ピックアップを木口面に付け、ハンマーのような打撃用器具で各試験体の木口面を叩いて振動させ、加速度ピックアップで前記振動を前記レコーダーに記録して行ってよい。なお、叩く強さによって固有振動数の値は変わらない。丸太を叩く際には、「素材の日本農林規格」に記載の方法に従って行うことは好ましい。 The vibration may be recorded by attaching an acceleration pickup to the surface of the wooden table, striking the surface of each specimen with a hammering device such as a hammer to vibrate, and recording the vibration on the recorder using the acceleration pickup. In addition, the value of the natural frequency does not change depending on the tapping strength. When hitting a log, it is preferable to follow the method described in “Japanese Agricultural Standards for Materials”.
αは−0.002〜−0.004の間で設定してよく、樹種について予め求めるか入手した特定の値を用いてよい。例えばスギにおいては−0.0028を用いてよい。
本発明の方法により推定される含水率が実際の含水率より高くなるようにαを選択することにより、丸太の乾燥度が高くなったことをより確実に判断することが可能になる。一方本発明の方法により推定される含水率が実際の含水率より低くなるようにαを選択することにより、丸太の出荷時期をより早めることが可能になる。
本発明の方法により含水率の測定を行う場合、αの値を別途測定及び管理することにより、含水率推定精度を向上させることができる。
α may be set between −0.002 and −0.004, and a specific value obtained or obtained in advance for the tree species may be used. For example, −0.0028 may be used for cedar.
By selecting α so that the moisture content estimated by the method of the present invention is higher than the actual moisture content, it becomes possible to more reliably determine that the dryness of the log has increased. On the other hand, by selecting α so that the moisture content estimated by the method of the present invention is lower than the actual moisture content, it is possible to make the log shipping time earlier.
When the moisture content is measured by the method of the present invention, the moisture content estimation accuracy can be improved by separately measuring and managing the value of α.
αの値の測定は、例えば以下のようにして行うことができる。
上記（式１）：
を用い、みかけ密度ρ（kg/m3）、固有振動数F（Hz）、材長L（m）のｎ本の原木についての実測値から、各測定日の縦振動ヤング率E(Pa)を算出する（ｎは２以上の任意の整数）。
次に、前記縦振動ヤング率Eと気温Tのデータを（式５）：
により指数回帰し、各原木ごとに定数α（k番目の試験体について求めたものを「αk」と表記することがある）（及びβ（k番目の試験体について求めたものを「βk」と表記することがある）を算出する。
原木No.1〜ｎについて1本ごとに定数αkを算出し、原木ｎ本分の定数α1、α2、α3、・・・αｎを得て、α1、α2、α3、・・・αｎの平均値をαとする。
The value of α can be measured, for example, as follows.
Above (Formula 1):
Using the measured values of n logs of apparent density ρ (kg / m3), natural frequency F (Hz), and material length L (m), the longitudinal vibration Young's modulus E (Pa) of each measurement day is calculated. Calculate (n is an arbitrary integer of 2 or more).
Next, the data of the longitudinal vibration Young's modulus E and temperature T are expressed by (Equation 5):
And the constant α for each log (sometimes obtained for the kth specimen may be referred to as “ αk ”) (and β (what is obtained for the kth specimen is “ βk ”May be written).
A constant α k is calculated for each of the log Nos. 1 to n to obtain constants α 1 , α 2 , α 3 ,... Α n for n logs, and α 1 , α 2 , α 3 ... Α is the average value of α n .
時刻ｔにおけるF0、T0、MC0ならびにFt、Ttを下記含水率算出式（上記（式７））の右辺、すなわち
に代入して、当該丸太の時刻ｔにおける含水率を求めることができる。
F 0 , T 0 , MC 0 and F t , T t at time t are the right side of the following moisture content calculation formula (the above (formula 7)), that is,
And the moisture content of the log at time t can be determined.
はい積みされた丸太の集合体の一部（例えば約２０本〜３０本）の含水率を測定して、はい積みされた丸太の集合体を形成する丸太の含水率を推定してよい。この場合において、測定対象とする丸太の本数はとくに限定されず、測定の精度と労力とを勘案して決定してよく、例えば丸太の集合体約１０％〜２０％の本数の丸太を任意に選択して含水率測定の対象としてよい。F0又はT0を測定するか又は求める際に、任意に選択された丸太を色付きのスプレーや札、ラベル等によりマーキングするとともに、F0又はT0を測定するか又は求めた日の日付を当該丸太の１本又は２本以上に直接記録しておくことを含む本発明の方法は好ましい。
本発明の方法によりすべての丸太について含水率を測定する場合には、丸太の本数として約１０本〜約５０本が好ましく、約２０本程度がより好ましい。特定の丸太の含水率から他の丸太を含むはい積みされた丸太の集合体についての含水率を推定する場合には、前記はい積みされた丸太の集合体が包含する丸太の本数は限定されず、３本以上の丸太が例示され、約５０本より多く約５００本の本数であってよい。
丸太がはい積みされた３本以上の丸太である場合、はい積みされた３本以上の丸太により構成される丸太の集合体について、前記丸太の集合体を形成する丸太の一部についての含水率を本発明の方法を用いて測定し、該測定値を前記丸太の集合体を形成する丸太の含水率としてよい。
Yes, the moisture content of the logs forming the aggregate of the stacked logs may be estimated by measuring the moisture content of a part (for example, about 20 to 30) of the stacked logs. In this case, the number of logs to be measured is not particularly limited, and may be determined in consideration of measurement accuracy and labor. For example, the number of logs of about 10% to 20% of the aggregate of logs is arbitrarily selected. It may be selected as a target for moisture content measurement. When measuring or determining F 0 or T 0 , the arbitrarily selected log is marked with a colored spray, tag, label, etc., and the date on which F 0 or T 0 is measured or determined The method of the present invention comprising recording directly on one or more of the logs is preferred.
When the moisture content is measured for all logs by the method of the present invention, the number of logs is preferably about 10 to about 50, more preferably about 20 more. When estimating the moisture content of an aggregate of logs that include other logs from the moisture content of a specific log, the number of logs included in the aggregate of logs that are stacked is not limited. Three or more logs are illustrated, and may be more than about 50 and about 500.
In the case where the log is three or more logs that are stacked, the moisture content of a part of the logs that form the aggregate of the logs with respect to an aggregate of the logs that is composed of three or more logs that are stacked Is measured using the method of the present invention, and the measured value may be the moisture content of the log forming the aggregate of logs.
時刻0における丸太の含水率の測定値又は推定値であるMC0は、丸太が集積されている場所、地域や時期の影響を受ける。したがってMC0として丸太の含水率の測定値を用いる本発明の方法は好ましい。 MC 0 , which is a measured or estimated value of the moisture content of logs at time 0, is affected by the location, region, and time at which logs are accumulated. Accordingly, the method of the present invention using the log moisture content measurement as MC 0 is preferred.
本発明の方法が適用される樹種は限定されず、スギ、ヒノキ、サワラ、アスナロ、ヒバ、モミ、カラマツ、アカマツ、トドマツ、エゾマツ、アカエゾマツ、ナラ、カシ、カバ、ケヤキ、クルミ、センダン、カエデ、ポプラ、ヤナギ、アカシア、及びユーカリが例示される。
樹種に応じてαを個別に設定することは好ましい。樹種によりαが変わるため、αを個別に設定することにより含水率の測定を一層正確に行うことができるからである。
The tree species to which the method of the present invention is applied is not limited, and includes cedar, hinoki, sawara, asunaro, hiba, fir, larch, red pine, todomatsu, spruce, red pine, oak, oak, hippopotamus, zelkova, walnut, sendan, maple, Examples are poplar, willow, acacia, and eucalyptus.
It is preferable to set α individually according to the tree species. This is because α varies depending on the tree species, and the moisture content can be measured more accurately by setting α individually.
本発明の方法において、コンピュータやコンピュータ上に示される管理シートを用いることは好ましい。コンピュータや前記管理シートを用いることにより、含水率の計算を簡便かつ正確に行うことが可能になるからである。
コンピュータや前記管理シートを用いて本発明の方法を実施する場合、工程の手順をフローチャート化してより把握しやすくすることは、作業の正確性に資するため好ましい。チャートとして、例えば下記のようなチャートが例示される：
When carrying out the method of the present invention using a computer or the management sheet, it is preferable to make the process procedure a flowchart so as to make it easier to grasp because it contributes to the accuracy of the work. Examples of charts include the following charts:
測定された含水率の利用方法
求められた含水率は、経時的に減少し、例えば３月に青森県八戸市内又はその周辺に集積したバイオマス発電用のスギの丸太の場合、管理開始初期の含水率が約５５％であり、８ヵ月後の１１月には原木の繊維飽和点であるw.b.22%程度にまで乾燥する。しかしながら、ある特定の時期における特定の丸太（丸太の集合体の各丸太）の含水率は、管理開始初期の含水率や集積される場所、当該年度の気候により変動する。そのため、ある時期における特定の丸太の含水率を特定するためには、含水率の測定が不可欠である。
本発明の方法を用いて求められた含水率を用いることにより、ある時期における特定の丸太の含水率を特定するために、含水率の測定を、簡便に行うことができる。
How to use the measured water content The water content required has decreased over time. For example, in the case of cedar logs for biomass power generation accumulated in or around Hachinohe City, Aomori Prefecture in March, The moisture content is about 55%, and in November after 8 months, it is dried to about 22% wb, which is the fiber saturation point of the raw wood. However, the moisture content of a specific log (each log in the aggregate of logs) at a specific time varies depending on the moisture content at the beginning of management, the location where it is accumulated, and the climate of the year. Therefore, in order to identify the moisture content of a specific log at a certain time, it is essential to measure the moisture content.
By using the moisture content obtained using the method of the present invention, the moisture content can be easily measured in order to identify the moisture content of a specific log at a certain time.
本発明の方法を用いて求められた含水率を予め設定した含水率の基準値と比較することにより、丸太の出荷時期を正確に判断することができる。すなわち、本発明の方法を用いて求められた含水率が予め設定した含水率の基準値を下回った時点を丸太の出荷時期とすることにより、丸太の出荷時期を正確に判断することができる。
あるいは、予め設定した、初期（時刻0における）の含水率に対する含水率の割合の基準値と、本発明の方法を用いて求められた含水率の、初期の（時刻0における）含水率に対する割合とを用いて、丸太の出荷時期を正確に判断してもよい。すなわち、本発明の方法を用いて求められた含水率（MCt）の、初期の（時刻0における）含水率（MC0）に対する割合（MCt/ MC0）が、予め設定した基準値を下回った時点を丸太の出荷時期としてよい。かかる基準値として、例えば約７０％、約６０％又は約５０％といった割合が例示される。
By comparing the moisture content obtained using the method of the present invention with a preset reference value of moisture content, the shipping time of the log can be accurately determined. That is, when the moisture content obtained using the method of the present invention falls below a preset reference value of moisture content, the log shipping time can be accurately determined.
Or the preset reference value of the ratio of the moisture content to the initial moisture content (at time 0) and the ratio of the moisture content obtained by using the method of the present invention to the initial moisture content (at time 0) May be used to accurately determine the shipping date of the log. That is, the ratio (MC t / MC 0 ) of the moisture content (MC t ) obtained by using the method of the present invention to the initial moisture content (MC 0 ) (MC 0 / MC 0 ) is a preset reference value. The time when it falls below may be the shipping time of the log. Examples of the reference value include a ratio of about 70%, about 60%, or about 50%.
本発明の方法を用いて含水率をある時期に１回測定し、特定された含水率の値や当該含水率の初期の含水率に対する割合を、丸太の規格として用いることもできる。
本発明の方法において時刻Ttにおける含水率を測定するのは少なくとも１回であり、２回又は３回以上であってもよい。含水率の測定を１回とすることによりより簡易に含水率を把握することが可能であり、含水率の測定を２回又は３回以上とすることにより、より厳密に含水率及びその推移を把握することが可能である。ある地域において初めて本発明の方法を実施する際には、含水率の測定を２回又は３回以上として、当該地域における含水率の推移を把握することは好ましい。また、過去に本発明の方法を実施した場所においても、新たな樹種や従来とは異なる場所から伐採された丸太について含水率を測定する場合や、例年とは気象条件が異なるといった場合には、含水率の測定を２回又は３回以上として含水率の推移を把握することは好ましい。
The moisture content can be measured once at a certain time using the method of the present invention, and the specified moisture content value or the ratio of the moisture content to the initial moisture content can be used as a log standard.
In the method of the present invention, the moisture content at time T t is measured at least once, and may be twice or three times or more. It is possible to grasp the moisture content more easily by making the moisture content measurement once. By making the moisture content measurement twice or three times or more, the moisture content and its transition can be more strictly determined. It is possible to grasp. When implementing the method of the present invention for the first time in a certain region, it is preferable to measure the moisture content twice or three times or more to grasp the transition of the moisture content in the region. In addition, even in places where the method of the present invention has been implemented in the past, when measuring moisture content for logs harvested from new tree species and places different from conventional ones, or when weather conditions differ from usual years, It is preferable to grasp the transition of the moisture content by measuring the moisture content twice or three times or more.
測定システム
本発明により、以下を備える木材の含水率を測定する含水率測定システムも提供される：
（１）丸太木材の縦振動固有振動数を測定する縦振動固有振動数測定部；及び
（２）時刻ｔにおける前記丸太木材の含水率（MCt［％］）を計算し、MCtを測定値として与える含水率計算部、
ただしMCtの計算は下記式により行われる：
（式中、MC0は時刻ｔより前の時刻0における前記丸太木材の含水率の測定値又は推定値であり、expαは、前記丸太木材と同一の樹種の丸太木材の、温度1℃の変化に対するヤング率の変化率である。F0及びFtはそれぞれ時刻0及び時刻ｔにおける前記丸太木材の縦振動固有振動数であり、T0及びTtはそれぞれ時刻0及び時刻ｔにおける前記木材の温度である）。
上記測定システムは、丸太、原木及び他の木質材（角材・ラミナ）等に適用される。
Measuring system The present invention also provides a moisture content measuring system for measuring the moisture content of wood comprising:
(1) Longitudinal vibration natural frequency measurement unit for measuring the natural vibration frequency of log wood; and (2) Calculate the moisture content (MC t [%]) of the log wood at time t and measure MC t Moisture content calculation part to give as a value,
However, MC t is calculated by the following formula:
(In the formula, MC 0 is a measured value or an estimated value of the moisture content of the log wood at time 0 before time t, and expα is a change in temperature of 1 ° C. of the log wood of the same tree species as the log wood. F 0 and F t are the natural vibrational frequencies of the log wood at time 0 and time t, respectively, and T 0 and T t are the vibration frequencies of the wood at time 0 and time t, respectively. Temperature).
The above measurement system is applied to logs, logs, and other wood materials (corners and lamina).
本発明のシステムのうち、縦振動固有振動数測定部が、木材に与えられた縦振動を感知する振動センサ部、及び前記縦振動を音声ファイルにして収録するレコーダー部をさらに備える上記システムは、木材の含水率の測定を簡便かつ効率的に行うことに寄与するため好ましい。
また本発明のシステムのうち、含水率計算部が、レコーダー部に音声ファイルとして収録された縦振動を周波数スペクトルに変換し、F0又はFtを特定する固有振動数特定手段をさらに具備する上記システムは、木材の含水率の測定を一層簡便かつ効率的になものにするため好ましい。
Among the systems of the present invention, the longitudinal vibration natural frequency measurement unit further includes a vibration sensor unit that senses longitudinal vibration given to wood, and a recorder unit that records the longitudinal vibration as an audio file. This is preferable because it contributes to the simple and efficient measurement of the moisture content of wood.
Further, in the system of the present invention, the moisture content calculation unit further includes natural frequency specifying means for converting longitudinal vibration recorded as an audio file in the recorder unit into a frequency spectrum and specifying F 0 or F t. The system is preferred in order to make the measurement of the moisture content of wood more convenient and efficient.
本発明を、以下の実施例によりさらに詳細に説明する。これらの実施例は、いかなる意味においても本発明を限定するものではない。 The invention is illustrated in more detail by the following examples. These examples do not limit the invention in any way.
本発明の方法による含水率測定
＜試験概要＞
場所：青森県八戸市内
期間：2016年3月11日〜2016年11月14日
測定日：3/11、4/22、5/20、6/30、11/14（計5回）
樹種：スギ(4m原木)
試験体数：60本（1山10本にはい積みされた山の6山分）（図４）
Moisture content measurement by the method of the present invention <Test outline>
Location: Hachinohe City, Aomori Prefecture Period: March 11, 2016 to November 14, 2016 Measurement date: 3/11, 4/22, 5/20, 6/30, 11/14 (5 times in total)
Tree species: Japanese cedar (4m log)
Number of test specimens: 60 (six piles stacked in 10 piles) (Fig. 4)
＜含水率（実測値）の測定（重量法）＞
各試験体ごとの寸法、重量を上記計5回の各測定日に測定し、みかけ密度を算出した。
11/14にみかけ密度を測定後、原木のサンプルを切り出して絶乾法により各試験体の含水率を実測した。
11/14の含水率及び各測定日のみかけ密度から、計５回の各測定日の含水率実測値を、各試験体ごとに算出した。
<Measurement of moisture content (actual value) (gravimetric method)>
The dimensions and weight of each specimen were measured on each measurement day for the above five times, and the apparent density was calculated.
After measuring the apparent density on 11/14, a sample of the raw wood was cut out and the moisture content of each specimen was measured by the absolute dry method.
From the moisture content of 11/14 and the apparent density of each measurement day, the water content measurement value of each measurement day for a total of 5 times was calculated for each specimen.
＜含水率（推定値）の測定＞
各測定日における各試験体の固有振動数を測定した。固有振動数の測定には加速度ピックアップ市販品を組み合わせ作成した。
加速度ピックアップ（振動センサ：株式会社アコー販売製 プリアンプ内蔵型加速度ピックアップ ＴＹＰＥ7820A）を木口面に付け、市販のハンマーで各試験体の木口面を叩いて振動させ（図５）、加速度ピックアップで前記振動をレコーダー（ティアック株式会社製 TASCAM DR-40 ）で音声ファイル(WAV形式)として収録した（図６）。なお、叩く強さによって固有振動数の値は変わらない。
音声ファイルとして収録された縦振動を、FFTアナライザと同等の機能を有するコンピュータープログラム（フリー統計ソフトウェア「R」https://cran.r-project.org/の「tuneR」パッケージ）用いて周波数スペクトルに変換し（図７）、分析した。
<Measurement of moisture content (estimated value)>
The natural frequency of each specimen on each measurement day was measured. To measure the natural frequency, a commercial acceleration pickup was combined.
Attach an accelerometer (vibration sensor: Accelerometer TYPE7820A with built-in preamplifier manufactured by Accor Corporation) to the face of the wood, and use a commercially available hammer to vibrate the face of each specimen (Fig. 5). Recorded as an audio file (WAV format) with a recorder (TASCAM DR-40 manufactured by TEAC Corporation) (Fig. 6). In addition, the value of the natural frequency does not change depending on the tapping strength.
Longitudinal vibration recorded as an audio file is converted into a frequency spectrum using a computer program that has the same function as an FFT analyzer (free statistics software “R” https://cran.r-project.org/ “tuneR” package) Converted (Figure 7) and analyzed.
気象庁HP（http://www.data.jma.go.jp/gmd/risk/obsdl/index.php）より、各測定日の気温データを取得し、測定時刻における気温を測定日の材温とした。
3/11における固有振動数、材温、含水率（実測値）をそれぞれF0、T0、MC0とし、各測定日における固有振動数、材温をそれぞれFt、Ttとし、これらの数値を下記含水率算出式（上記（式７））の右辺、すなわち
に代入した値を、5回の各測定日における含水率推定値として各試験体ごとに算出した。
Obtain temperature data for each measurement day from the Japan Meteorological Agency website (http://www.data.jma.go.jp/gmd/risk/obsdl/index.php), and calculate the temperature at the measurement time as the temperature of the measurement day. did.
The natural frequency, material temperature, and moisture content (actual measured values) on 3/11 are F 0 , T 0 , and MC 0 , respectively, and the natural frequency and material temperature on each measurement day are Ft and Tt, respectively. The right side of the following moisture content calculation formula (above (formula 7)), that is,
The value assigned to was calculated for each test specimen as an estimated moisture content for each of the five measurement days.
なお、定数αは以下のようにして求めた。
上記（式１）：
を用い、みかけ密度ρ（kg/m3）、固有振動数F（Hz）、材長L（m）の各原木（各試験体）についての実測値から、各測定日の縦振動ヤング率E(Pa)を算出した。次に、前記縦振動ヤング率Eと気温Tのデータを（式５）：
により指数回帰し、各原木ごとに定数α（k番目の試験体について求めたものを「αk」と表記することがある）（及びβ（k番目の試験体について求めたものを「βk」と表記することがある）を算出した（図８）。
原木No.1〜60まで、図８と同様にして1本ごとに定数αkを算出し、原木60本分の定数α1、α2、α3、・・・α60を得た。
α1、α2、α3、・・・α60の平均値と、該平均値の95%信頼区間はそれぞれ、-0.00284及び±0.00096であった。
The constant α was determined as follows.
Above (Formula 1):
From the measured values of each log (each specimen) of apparent density ρ (kg / m 3 ), natural frequency F (Hz), and material length L (m), the longitudinal vibration Young's modulus E of each measurement day (Pa) was calculated. Next, the data of the longitudinal vibration Young's modulus E and temperature T are expressed by (Equation 5):
And the constant α for each log (sometimes obtained for the kth specimen may be referred to as “ αk ”) (and β (what is obtained for the kth specimen is “ βk Is calculated (FIG. 8).
The constant α k was calculated for each of the logs No. 1 to 60 in the same manner as in FIG. 8, and constants α 1 , α 2 , α 3 ,... Α 60 for 60 logs were obtained.
The average value of α 1 , α 2 , α 3 ,... α 60 and the 95% confidence interval of the average value were −0.00284 and ± 0.00096, respectively.
＜試験結果の分析（20本平均含水率の推定精度評価）＞
含水率推定値についての推定精度の評価を、統計手法として下記交差検証法とbootstrap法とを組み合わせて分析した。
●交差検証法：データを学習データと検証データに分け、学習データで作成した推定モデル（本実施例においてはαとMC0平均値の数値）の推定精度を、検証データに当てはめて検証する評価方法である。
●bootstrap法：データ全体から少数データを繰り返し抽出して当該少数データから平均、分散及び／又は回帰などを繰り返し行い、繰り返しの結果から得られたデータについての平均、分散及び／又は回帰などの結果の精度を評価する評価方法である。
<Analysis of test results (estimation accuracy evaluation of 20 average water content)>
The estimation accuracy of the moisture content estimate was analyzed using a combination of the following cross-validation method and bootstrap method as statistical methods.
● Cross-validation method : Evaluation that divides the data into learning data and verification data, and verifies the estimation accuracy of the estimated model created with the learning data (in this example, α and the average value of MC 0 ) by applying it to the verification data Is the method.
● Bootstrap method : Repeated extraction of minority data from the entire data, repeated averaging, variance and / or regression from the minority data, and results such as average, variance and / or regression on the data obtained from the repeated results This is an evaluation method for evaluating the accuracy of.
本実施例における具体的な検証手順は以下のとおりであった。
１．得られた60本分のデータを、40本（学習データ）と20本（検証データ）にランダムに分ける。
２．学習データに基づき算出されたMC0の平均値とαの平均値を、それぞれMC0とαの参照値とする。
３．各検証データについてのF0、T0、Ft、Ttと上記MC0とαの参照値を上記（式７）の右辺に代入し、含水率推定値を算出する（手順１〜３：「交差検証法」）。
４．手順１〜３を1000回繰り返すことで、1000点の測定データを擬似的に作製する（bootstrap法）。
５．各測定時点における平均含水率と95%予測区間を算出する。
The specific verification procedure in the present example was as follows.
1. The obtained 60 pieces of data are randomly divided into 40 pieces (learning data) and 20 pieces (verification data).
2. The average value of MC 0 and the average value of α calculated based on the learning data are used as reference values for MC 0 and α, respectively.
3. By substituting the reference values of F 0 , T 0 , F t , T t and the above MC 0 and α for each verification data into the right side of (Equation 7), the moisture content estimated value is calculated (procedures 1 to 3: "Cross-validation method").
4). By repeating steps 1 to 3 1000 times, 1000 points of measurement data are created in a pseudo manner (bootstrap method).
5. Calculate the average moisture content and 95% prediction interval at each measurement point.
上記検証手順を、気温によるヤング率変化（すなわち温度変化）を考慮しない場合についても行った。この場合には、T0＝Ttとし、上記（式７）の右辺におけるexp（α（T0-Tt））＝１として、対応する計算を行った。
結果を図９に示す。
ヤング率を考慮しない場合には含水率推定値は1.0638×実測値（R2＝0.93）であったのに対し、ヤング率を考慮した場合（本発明）における含水率推定値は1.0025×実測値（R2＝0.99）となった。気温変化の影響で、低含水率域では推定値が実測値より高くなった。すなわち、本発明の方法においては、推定値と実測値の傾きが一層1に近づいており、実測値により近い値がの測定が求められ、測定値のばらつき（グラフにおける水平方向のエラーバーの長さにより表されている）もより小さかった。
The above verification procedure was also performed when the Young's modulus change (ie, temperature change) due to temperature was not taken into account. In this case, T 0 = T t, and exp (α (T 0 −T t )) = 1 on the right side of (Equation 7) above, the corresponding calculation was performed.
The results are shown in FIG.
When the Young's modulus is not considered, the estimated moisture content is 1.0638 × actual value (R 2 = 0.93), whereas when the Young's modulus is considered (invention), the estimated moisture content is 1.0025 × actual value. (R 2 = 0.99). Due to the temperature change, the estimated value was higher than the actual value in the low moisture content region. That is, in the method of the present invention, the slope of the estimated value and the actual measurement value is closer to 1, and a measurement closer to the actual measurement value is obtained, and the variation of the measurement value (the length of the error bar in the horizontal direction in the graph) Was also smaller).
また、含水率推定値を、含水率の実測値と対応させて測定日ごとにプロットして回帰直線を特定したところ、いずれの測定日においても本発明の方法により含水率を高い精度で求めることができた（図１０Ａ及び図１０Ｂ）。
図１０Ａの４つのグラフは、初期含水率MC0として原木ごとに測定して特定した３月１０日（時刻0）における含水率実測値を各原木にそのまま適用して、上記（式７）により算出した各原木の含水率についてのグラフである。初期含水率MC0として各測定対象である丸太について求めた数値をそのまま個々に用いることにより、高い精度でかつ簡便に各測定対象の含水率を推定することができる。
図１０Ｂの４つのグラフは、各測定日におけるデータの分散の度合いを示す散布図の別の例である。各グラフは、初期含水率MC0として３月１０日における各原木の含水率実測値から平均値を求め、当該平均値を各原木に適用して、上記（式７）により算出した含水率についてのグラフである。初期含水率MC0として各測定対象である丸太について求めた数値の平均値を用いることにより、実用上十分に高い精度でかつ一層簡便に各測定対象の含水率を推定することができる。
In addition, when the estimated moisture content is plotted for each measurement date in correspondence with the measured moisture content and the regression line is specified, the moisture content can be obtained with high accuracy by the method of the present invention on any measurement date. (FIGS. 10A and 10B).
The four graphs in FIG. 10A are obtained by applying the actual measured moisture content on March 10 (time 0) determined by measuring each raw wood as the initial moisture content MC 0 to each raw wood, according to the above (Equation 7). It is a graph about the moisture content of each calculated raw wood. By using the numerical value obtained for the log as each measurement object individually as it is as the initial moisture content MC 0 , the water content of each measurement object can be estimated with high accuracy and simply.
The four graphs in FIG. 10B are another example of a scatter diagram showing the degree of data dispersion on each measurement date. Each graph shows an average value from the measured moisture content of each raw wood on March 10 as the initial moisture content MC 0 , and applies the average value to each raw wood to calculate the moisture content calculated by the above (Equation 7). It is a graph of. By using the average value of the numerical values obtained for the log as each measurement object as the initial moisture content MC 0 , the water content of each measurement object can be estimated more easily with a sufficiently high accuracy in practice.
これらの結果から、ヤング率変化を考慮しない場合では、気温変化のパターンによりこの傾向は変化する（例えば試験開始が秋なら推定値は実測値より低くなる）と考えられた。そのため逆にヤング率変化を考慮することにより、含水率推定精度が高まることが明らかになった。 From these results, it was considered that when the Young's modulus change is not taken into account, this tendency changes depending on the temperature change pattern (for example, the estimated value is lower than the actual measurement value when the test start is autumn). Therefore, conversely, it became clear that the moisture content estimation accuracy was increased by considering the Young's modulus change.
以上の結果から、本発明の方法によれば、丸太等の木材の含水率を従来の方法より高い精度で求めることができることが明らかになった。 From the above results, it became clear that according to the method of the present invention, the moisture content of wood such as logs can be obtained with higher accuracy than the conventional method.
本発明によれば、繊維飽和点以上の含水率を、例えばはい積みのまま測定することにより、高含水率木材の含水率管理の実用化に資する技術が提供される。したがって本発明は、バイオマス発電や関連する産業の発展に寄与するところ大である。 According to the present invention, a technique that contributes to practical use of moisture content management of high moisture content wood is provided by measuring the moisture content at or above the fiber saturation point, for example, while being piled up. Therefore, the present invention greatly contributes to the development of biomass power generation and related industries.
Claims (7)
Ａ．ある時刻（時刻0）における、木材の湿量基準含水率MC0を特定し、木材の温度T0（℃）、及び縦振動固有振動数F0（Hz）を測定する工程；
Ｂ．T0の後の任意の時刻（時刻ｔ）において、前記木材の縦振動固有振動数Ft（Hz）及び木材の温度Tt（℃）を測定する工程；及び
Ｃ’．下記（式７）にF 0 、T 0 、F t 及びT t 、ならびにαを代入してMC t （％）を計算し、MC t を時刻ｔにおける前記木材の含水率とする工程：
（式中、expαは、前記木材と同一の樹種の木材の、温度1℃の変化に対するヤング率の変化率である）。 A method for measuring the moisture content of wood, including the following steps:
A. Identifying the wood moisture reference moisture content MC 0 at a certain time (time 0), and measuring the wood temperature T 0 (° C.) and the longitudinal vibration natural frequency F 0 (Hz);
B. Measuring the longitudinal vibration natural frequency F t (Hz) of the wood and the temperature T t (° C.) of the wood at any time (time t 2 ) after T 0 ; and
C '. The following calculates the MC t (%) by substituting the equation (7) F 0, T 0, F t and T t, as well as alpha, step of the moisture content of the wood MC t at time t:
(Where expα is the rate of change of Young's modulus with respect to a change in temperature of 1 ° C. of wood of the same tree species as the wood) .
（１）木材の縦振動固有振動数を測定する縦振動固有振動数測定部；及び
（２）時刻ｔにおける前記木材の含水率（MCt［％］）を計算し、MCtを測定値として与える含水率計算部、
ただしMCtの計算は下記式により行われる：
（式中、MC0は時刻ｔより前の時刻0における前記木材の含水率の測定値又は推定値であり、expαは、前記木材と同一の樹種の木材の、温度1℃の変化に対するヤング率の変化率である。F0及びFtはそれぞれ時刻0及び時刻ｔにおける前記木材の縦振動固有振動数であり、T0及びTtはそれぞれ時刻0及び時刻ｔにおける前記木材の温度である）。 Moisture content measuring system for measuring the moisture content of wood, comprising:
(1) Longitudinal vibration natural frequency measuring unit for measuring the natural vibration frequency of wood; and (2) calculating the moisture content (MC t [%]) of the wood at time t and using MC t as a measurement value. Moisture content calculator,
However, MC t is calculated by the following formula:
(In the formula, MC 0 is a measured value or an estimated value of the moisture content of the wood at time 0 before time t, and expα is the Young's modulus of the wood of the same tree species as the wood with respect to a change in temperature of 1 ° C. F 0 and F t are the natural vibration frequencies of the wood at time 0 and time t, respectively, and T 0 and T t are the temperatures of the wood at time 0 and time t, respectively) .
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2017
- 2017-10-03 JP JP2017193810A patent/JP6416355B1/en active Active
Patent Citations (7)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2019066391A (en) | 2019-04-25 |
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