KR101422909B1 - Method of measuring moisture content of wood using near infrared reflectance spectroscopy and method of carbonization control using the near infrared reflectance spectroscopy - Google Patents

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KR101422909B1 KR1020120035013A KR20120035013A KR101422909B1 KR 101422909 B1 KR101422909 B1 KR 101422909B1 KR 1020120035013 A KR1020120035013 A KR 1020120035013A KR 20120035013 A KR20120035013 A KR 20120035013A KR 101422909 B1 KR101422909 B1 KR 101422909B1
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Abstract

근적외선의 반사율 스펙트럼을 이용하여 목재의 표면 함수율을 측정하는 방법과 목재의 탄화도 탐지 및 발화 방지 방법이 개시된다. 목재의 함수율 측정 방법은, 시편을 제공하는 단계, 상기 시편의 함수율을 측정하기 위한 측정 온도를 설정하는 단계, 상기 시편의 섬유포화점 이하 및 이상에서의 함수율 변이를 설정하는 단계, 상기 시편에 근적외선을 조사하는 단계, 상기 시편에서 근적외선의 반사율 스펙트럼을 측정하는 단계, 상기 측정된 반사율 스펙트럼을 수학적 전처리하는 단계 및 상기 수학적 전처리가 완료된 데이터를 회귀분석하는 단계를 포함하여 구성된다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 근적외선을 이용한 목재의 탄화도 제어 방법은, 시편을 제공하는 단계, 상기 시편의 함수율을 측정하기 위한 측정 온도를 설정하는 단계, 상기 시편을 열처리하는 단계, 상기 시편에 근적외선을 조사하는 단계 및 상기 시편에서 근적외선의 반사율 스펙트럼을 시간 간격에 따라 측정하는 단계를 포함하여 구성된다.A method of measuring the surface moisture content of wood using a near-infrared reflectance spectrum and a method of detecting carbonization of wood and preventing fire. A method for measuring water content of wood comprising the steps of providing a specimen, setting a measurement temperature for measuring the water content of the specimen, setting a water content variation at or below a fiber saturation point of the specimen, Measuring a reflectance spectrum of near infrared rays in the specimen, mathematically preprocessing the measured reflectance spectrum, and regression analyzing the mathematically preprocessed data. According to another aspect of the present invention, there is provided a method of controlling the degree of carbonization of wood using near infrared rays, comprising the steps of: providing a specimen; setting a measurement temperature for measuring a moisture content of the specimen; And a step of measuring the reflectance spectrum of the near-infrared ray at the time interval according to the specimen.

Description

근적외선 분광분석법을 이용한 목재의 함수율 측정 방법 및 탄화도 제어 방법{METHOD OF MEASURING MOISTURE CONTENT OF WOOD USING NEAR INFRARED REFLECTANCE SPECTROSCOPY AND METHOD OF CARBONIZATION CONTROL USING THE NEAR INFRARED REFLECTANCE SPECTROSCOPY}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method of measuring moisture content of wood using a near-infrared spectroscopic method and a method of controlling the degree of carbonation of the wood,

본 발명은 목재의 함수율 측정 방법에 관한 것으로, 근적외선 반사율 스펙트럼을 이용하여 목재를 파괴하지 않고 섬유포화점 이하뿐만 아니라 섬유포화점이상까지 전 범위의 목재의 함수율을 측정하는 방법 및 가열 공정 중 목재의 탄화도를 탐지하여 연소 및 발화를 방지하는 탄화도 제어 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for measuring the water content of wood, and a method for measuring the water content of a whole range of woods not only below the fiber saturation point but also above the fiber saturation point without destroying the wood by using the near infrared reflectance spectrum, The present invention relates to a carbonization control method for detecting carbonization and preventing combustion and ignition.

임지에서 벌채된 원목 및 원목이 가공된 제재목은 다량의 수분을 함유한다. 목재는 수분의 함유량과 수분의 분포위치의 변화에 따라 각종 물리/화학/생물학적 성질이 현저히 달라진다. 목재 및 목제품에 존재하는 수분의 양에 따라 변형 발생량과 강도의 수준이 결정되고, 미생물의 생육도와 효소의 활성도가 결정되고, 각종 화학물질과의 반응성이 결정될 뿐만 아니라, 발열량, 열전도도 및 전기전도도 등 각종 이용성능과 장기보관의 용이성이 결정되기 때문에 목재 내 정확한 수분함량 측정은 목제품의 품질을 판단하는 기준을 결정하는데 있어 핵심 사안이다. 또한, 생목재는 건조과정 중에 건조응력의 발생으로 할렬(割裂), 틀어짐 등 다양한 결함이 유발되므로 이를 합리적으로 이용하기 위해서는 최적화된 건조공정이 필수적이다. 또한 보관과 운반 시 목재 함수율의 부적절한 관리는 목재 자원의 품질 저하와 함께 경제적인 손실을 가져오는 경우가 많다. 그리고 도장과 접착, 방부처리, 바이오 연료제조 전처리, 바이오 리파이너리 공정 제어 등 각종 목재가공 공정상 함수율의 측정과 제어는 열화, 부후(腐朽, deterioration), 파괴, 변성 등 각종 물리·화학·생물학적 특성 변화의 개시 원인을 밝히고 제어하는 데 효과적으로 사용될 수 있다.Trees that have been harvested from forests and processed with logwood contain a large amount of moisture. Various physical / chemical / biological properties of wood vary considerably depending on the changes in moisture content and distribution of water. The degree of deformation generation and intensity is determined according to the amount of moisture present in wood and wood products, the growth of microorganisms and the activity of enzymes are determined, the reactivity with various chemical substances is determined, and the calorific value, thermal conductivity and electrical conductivity And the ease of long-term storage, the accurate moisture content measurement in wood is a key issue in determining the criteria for judging the quality of wood products. In addition, since the raw timber causes various defects such as splitting and twisting due to the occurrence of dry stress during the drying process, an optimized drying process is indispensable to use it reasonably. Inadequate management of wood moisture content during storage and transportation often leads to economic loss as well as degradation of wood resources. Measurement and control of water content in various wood processing processes such as painting and adhesion, preservation treatment, biofuel manufacturing pretreatment, and bioraphinery process control can be performed by various physical, chemical and biological properties such as deterioration, deterioration, Lt; RTI ID = 0.0 > and / or < / RTI >

목재의 함수율 측정법 중 가장 보편적인 방법은 전건법인데, 이는 재료를 파단시켜야 하며 장시간이 소요된다는 단점을 갖는다. 이에 따라 직류 저항식, 용량식, 마이크로파, 초음파 등 다양한 비파괴적 혹은 실시간 측정방법이 고안되어왔다. 이러한 측정법들은 평균 함수율을 측정하기는 용이하지만, 표면 결함에 직접적인 영향을 미치는 표면함수율에 대한 정보를 제공하기 어렵다. 이에 목재 가공공정 중에서 비평형 상태에서의 실시간 비접촉 수분함량 측정 기술이 필요한 경우가 많다. 또한, 고온에서 목재를 가열하는 공정에서는 재료의 발화에 따른 사고위험이 있어서 산업상 재료의 손실, 기기 고장 등의 문제를 유발할 수 있다. 목재의 경우 발화성 재료이므로 화재 위험을 미리 감지하고 공정을 적절하게 제어할 필요가 있다.
The most common method of determining the water content of wood is pre-drying, which has the disadvantage of breaking the material and taking a long time. Accordingly, various non-destructive or real-time measurement methods such as DC resistance type, capacitance type, microwave, and ultrasonic wave have been devised. Although these measurements are easy to measure the average moisture content, it is difficult to provide information on the surface moisture content that directly affects surface defects. Therefore, it is often necessary to use a real-time, non-contact moisture content measurement technique in a non-equilibrium state in a wood processing process. Also, in the process of heating wood at a high temperature, there is a risk of accidents due to ignition of the material, which may lead to problems such as industrial material loss and machine breakdown. Since wood is an ignitable material, it is necessary to detect the risk of fire in advance and control the process appropriately.

본 발명의 실시예들에 따르면 근적외선 분광분석법을 이용하여 전 함수율 구간에서 목재의 표면함수율을 측정할 수 있는 방법을 제공하기 위한 것이다.According to embodiments of the present invention, it is intended to provide a method of measuring the surface moisture content of wood in a full moisture content section using near infrared spectroscopy.

또한, 근적외선 분광분석법에서 획득한 반사율 스펙트럼을 이용하여 목재의 발화를 방지할 수 있는 탄화도 제어 방법을 제공하기 위한 것이다.
It is also intended to provide a method of controlling carbonization that can prevent ignition of wood by using the reflectance spectrum obtained by near infrared spectroscopy.

상술한 본 발명의 실시예들에 따른 목재의 함수율 측정 방법은, 시편을 제공하는 단계, 상기 시편의 함수율을 측정하기 위한 측정 온도를 설정하는 단계, 상기 시편의 섬유포화점 이하 및 이상에서의 함수율 변이를 설정하는 단계, 상기 시편에 근적외선을 조사하는 단계, 상기 시편에서 근적외선의 반사율 스펙트럼을 측정하는 단계, 상기 측정된 반사율 스펙트럼을 수학적 전처리하는 단계 및 상기 수학적 전처리가 완료된 데이터를 회귀분석하는 단계를 포함하여 구성된다.The method of measuring moisture content of wood according to the above-described embodiments of the present invention includes the steps of providing a specimen, setting a measurement temperature for measuring a moisture content of the specimen, determining a moisture content at a fiber saturation point Measuring the reflectance spectrum of near infrared rays in the specimen, mathematically preprocessing the measured reflectance spectrum, and regression analyzing the mathematically preprocessed data. .

일 측에 따르면, 상기 함수율 변이를 설정하는 단계는, 섬유포화점 이하의 함수율을 측정하기 위해서 항온항습기(Temperature & humidity chamber)에서 평형함수율을 유도하는 단계 및 섬유포화점 이상의 함수율을 측정하기 위해서 상기 시편을 일정 시간 침지시킨 후 평형함수율을 유도하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 시편은, 섬유포화점 이상의 함수율을 측정하기 위해서, 상기 항온항습기 내부에서 일정 시간 침수시켜서 조습시키는 단계 및 상기 항온항습기 내부에서 상기 시편의 수분을 강제 응축시키는 단계를 포함하여 구성된다. 또한, 상기 수분을 강제 응축시키는 단계는, 상기 조습시킨 시편을 25℃ 상대습도 100% 조건에서 내부 공기의 수분 과포화 상태를 조성하여 수분을 강제 응축시킨다.According to one aspect of the present invention, the step of setting the moisture content variation comprises the steps of deriving an equilibrium moisture content in a temperature and humidity chamber to measure a water content below a fiber saturation point, And inducing the equilibrium moisture content after immersing the specimen for a predetermined time. Here, in order to measure the water content of the sample above the fiber saturation point, the specimen includes a step of immersing and humidifying the specimen in the thermo-hygrostat for a certain period of time and forcibly condensing moisture of the specimen inside the thermo-hygrostat. Also, in the step of forcibly condensing the moisture, the humidity-conditioned specimen is subjected to forced condensation of moisture by forming a supersaturated state of the internal air at a temperature of 25 ° C and a relative humidity of 100%.

일 측에 따르면, 상기 수학적 전처리 단계는, 3점 이동평균(Smoothing 3 point), 기준값 보정(Baseline) 및 Norris 2nd gap derivative(gap size=1)의 처리를 순차적으로 수행할 수 있다.According to one aspect of the present invention, the mathematical preprocessing step may sequentially perform processing of a 3-point moving average (Smoothing 3 point), a reference value correction (Baseline), and a Norris 2nd gap derivative (gap size = 1).

일 측에 따르면, 상기 회귀분석 단계는 PLSR(Partial Least Square Regression)을 이용할 수 있다.According to one aspect, the regression analysis step may use PLSR (Partial Least Square Regression).

한편, 상술한 본 발명의 다른 실시예들에 따른 근적외선 분광분석법을 이용한 탄화도 제어 방법은, 시편을 제공하는 단계, 상기 시편의 함수율을 측정하기 위한 측정 온도를 설정하는 단계, 상기 시편을 열처리하는 단계, 상기 시편에 근적외선을 조사하는 단계 및 상기 시편에서 근적외선의 반사율 스펙트럼을 시간 간격에 따라 측정하는 단계를 포함하여 구성된다.Meanwhile, the method of controlling carbonization using near-infrared spectroscopy according to another embodiment of the present invention may include providing a specimen, setting a measurement temperature for measuring a moisture content of the specimen, heat treating the specimen Irradiating the specimen with near infrared rays, and measuring the reflectance spectrum of near infrared rays in the specimen at intervals of time.

일 측에 따르면, 온도를 측정하는 단계를 더 포함한다. 그리고 상기 온도를 측정하는 단계는, 상기 시편의 표면 온도를 측정하는 단계, 상기 시편의 내부 온도를 측정하는 단계 및 상기 시편의 열처리를 위한 장치 내부의 온도를 측정하는 단계를 포함하여 구성된다.According to one aspect, the method further comprises measuring the temperature. The step of measuring the temperature may include measuring a surface temperature of the specimen, measuring an internal temperature of the specimen, and measuring a temperature inside the apparatus for heat treatment of the specimen.

일 측에 따르면, 상기 시편을 열처리하는 단계는, 열처리 장치의 내부 압력이 대기압으로 유지되고, 상기 열처리 장치 외부와 공기 교환이 수행되면서 처리될 수 있다.According to one aspect, the step of heat-treating the specimen may be performed while the internal pressure of the heat treatment apparatus is maintained at atmospheric pressure and air exchange with the outside of the heat treatment apparatus is performed.

일 측에 따르면, 상기 시편의 열처리 전에 상기 광 프로브를 이용하여 반사율을 보정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
According to one aspect of the present invention, the method may further include correcting reflectance using the optical probe before heat treatment of the specimen.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 근적외선 반사율 스펙트럼을 이용하여 비파괴 방식으로 신속하게 목재의 표면함수율을 측정할 수 있으며, 섬유포화점 이하에서뿐만 아니라 섬유포화점 이상까지 전 구간에서의 표면함수율을 측정할 수 있다. 이에 따라, 측정된 표면함수율을 이용하여 재료의 품질관리, 목조건축물의 유지관리 및 공학목재 제조공정상에 도입함으로써 품질관리에 효과적으로 사용될 수 있다.As described above, according to the embodiments of the present invention, it is possible to quickly measure the surface moisture content of the wood in a non-destructive manner using the near-infrared reflectance spectrum, and to measure the surface moisture content Can be measured. Accordingly, it can be effectively used for quality control by using the measured surface water content to control quality of materials, maintenance of wooden buildings, and introducing them to the top of engineering wood manufacturing companies.

또한, 목재의 표면함수율 측정 방법에서 획득된 반사율 스펙트럼을 이용하여 고온 가열공정을 모니터링하여 탄화도를 탐지하고 목재의 발화를 방지할 수 있다.
In addition, the high-temperature heating process can be monitored using the reflectance spectrum obtained in the method of measuring the surface moisture content of wood, thereby detecting the degree of carbonization and preventing ignition of the wood.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 목재의 함수율 측정 방법 및 목재의 탄화도 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 목재의 함수율 측정 장치의 모식도이다.
도 3은 도 2의 측정 장치로 측정된 함수율에 따른 반사율 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 4는 도 3의 스펙트럼에 대해서 수학적 전처리를 수행한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 섬유포화점 이하 구간의 표면함수율 예측 모델 검증 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 섬유포화점 이상 구간의 표면함수율 예측 모델 검증 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따라 측정된 섬유포화점 이하 구간과 이상 구간의 스펙트럼을 합하여 전체 함수율 구간에서의 표면함수율 예측 모델의 신뢰도를 나타내는 그래프이다.
도 8은 도 7의 표면함수율 예측 모델의 회귀계수를 나타내는 그래프이다.
도 9와 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 목재의 열처리 및 탄화도 제어를 위한 탐지를 위한 열처리 장치의 사진들이다.
도 11은 도 9 및 도 10의 열처리 장치의 구성을 설명하기 위한 모식도이다.
도 12는 본 실시예에 따른 열처리 과정에서 온도 변화를 보여주는 그래프이다.
도 13은 열처리 시간을 270분으로 하고, 32회 측정한 측정 온도의 프로파일 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 측정된 시편의 열처리 전체 영역에서의 스펙트럼 그래프이다.
도 15는 도 14의 스펙트럼 중에서 0m (25℃)~80m (197℃) 구간의 스펙트럼을 보여주는 그래프이다.
도 16은 도 14의 스펙트럼 중에서 90m (200℃)~270m (214℃) 구간의 스펙트럼을 보여주는 그래프이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따라 측정된 시편의 흡광도 스펙트럼 그래프로서, 200℃/90m 부분에서 스펙트럼이 집중된 구간이 나타나는 것을 보여주는 그래프이다.
FIG. 1 is a flowchart illustrating a method of measuring water content of wood and a method of controlling carbonization of wood according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
2 is a schematic diagram of an apparatus for measuring moisture content of wood according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing the reflectance spectrum according to the moisture content measured by the measuring apparatus of FIG.
4 is a graph showing a result of mathematical preprocessing performed on the spectrum of FIG.
Fig. 5 is a graph showing the results of the model test of the predicted surface moisture content of the fiber saturated point or less.
FIG. 6 is a graph showing the result of the model test of the predicted surface moisture content of a fiber saturated point or higher.
FIG. 7 is a graph showing the reliability of the surface water content prediction model in the entire water content range by summing the spectra of the sub-fiber saturation point and the anomaly period measured according to the present invention.
8 is a graph showing a regression coefficient of the surface moisture content prediction model of FIG.
FIG. 9 and FIG. 10 are photographs of a heat treatment apparatus for detecting heat and controlling the degree of carbonization of wood according to an embodiment of the present invention.
Fig. 11 is a schematic diagram for explaining the configuration of the heat treatment apparatus of Figs. 9 and 10. Fig.
12 is a graph showing a temperature change in the heat treatment process according to the present embodiment.
13 is a profile graph of measured temperatures measured 32 times with a heat treatment time of 270 minutes.
FIG. 14 is a graph of spectra in the entire heat treatment area of the test piece measured according to an embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 15 is a graph showing a spectrum in a range of 0 m (25 ° C.) to 80 m (197 ° C.) in the spectrum of FIG.
FIG. 16 is a graph showing a spectrum of 90 m (200 ° C.) to 270 m (214 ° C.) in the spectrum of FIG. 14.
FIG. 17 is a graph showing absorbance spectrum of a specimen measured according to an embodiment of the present invention, showing a spectrum-concentrated section at 200 ° C / 90m.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략될 수 있다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to or limited by the embodiments. In describing the present invention, a detailed description of well-known functions or constructions may be omitted for clarity of the present invention.

본 발명에 따르면, 목재에 근적외선을 조사하여 측정된 반사율 스펙트럼을 이용하여 목재의 표면함수율을 측정할 수 있으며, 상기와 같이 측정된 반사율 스펙트럼을 모니터링 함으로써, 실시간으로 비파괴적으로 목재의 탄화도를 탐지하고 연소 및 발화를 방지할 수 있다.According to the present invention, the surface moisture content of the wood can be measured using the reflectance spectrum measured by irradiating the wood with near-infrared rays. By monitoring the reflectance spectrum measured as described above, the degree of carbonization of the wood is detected nondestructively in real time Combustion and ignition can be prevented.

우선, 도 1 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 목재의 함수율 측정 방법에 대해서 상세하게 설명한다. 참고적으로, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 목재의 함수율 측정 방법 및 목재의 연소 탐지 및 방지를 위한 탄화도 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 목재의 함수율 측정 장치의 모식도이다.First, a method of measuring the moisture content of wood according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 8. FIG. 1 is a flowchart illustrating a method of measuring water content of wood according to an embodiment of the present invention and a method of controlling carbonization for detecting and preventing combustion of wood. Fig. 2 is a schematic diagram of a water content measuring apparatus for wood.

도 1과 도 2를 참조하면, 목재 시편(1)을 제작하고, 시편(1)에 근적외선을 조사한다(S1).1 and 2, a wooden specimen 1 is manufactured, and near infrared rays are irradiated on the specimen 1 (S1).

함수율 측정 장치(10)는 목재 시편(1)에 근적외선을 조사하고 반사율 스펙트럼을 획득하기 위한 광 프로브(optical probe)(11)와 근적외선의 조사를 위한 광원(12) 및 전원 공급부(13)로 구성된다. 그리고 시편(1)에서 반사율 스펙트럼을 획득하여 분석하기 위한 검출기(spectrometer)(14)와 컴퓨터(15)를 포함하여 구성된다.The moisture content measuring apparatus 10 comprises an optical probe 11 for irradiating the wood specimen 1 with near infrared rays and obtaining a reflectance spectrum and a light source 12 and a power supply unit 13 for irradiating near- do. And a computer (15) and a spectrometer (14) for acquiring and analyzing the reflectance spectrum in the specimen (1).

광원(12)은 근적외선 범위의 충분한 광량을 얻기 위해서 텅스텐-할로겐 광원을 사용하며 광 프로브(11)를 이용하여 시편(1)에 복사광을 전달한다.The light source 12 uses a tungsten-halogen light source in order to obtain a sufficient amount of light in the near-infrared range and transfers the radiation light to the test piece 1 using the optical probe 11. [

다음으로, 시편(1)에서 검출기(14)로 반사율 스펙트럼을 측정하기 위해서(S2), 측정 온도를 설정하고(S3), 함수율 변이를 측정한다(S4).Next, in order to measure the reflectance spectrum from the specimen 1 to the detector 14 (S2), the measured temperature is set (S3) and the water content variation is measured (S4).

참고적으로, 목재에 근적외선을 조사하면 목재를 구성하는 분자의 결합이 가지는 고유한 진동에너지에 해당하는 복사선의 흡수에 따라 O-H, C-H, N-H, C=O, N-H 등과 같은 작용기들이 갖는 기본진동의 1, 2, 3차 배음(1st, 2nd, 3rd overtone region), 결합음(combination bands region) 등에 해당하는 진동에너지의 감쇠를 획득하여 반사율 스펙트럼을 얻을 수 있다. 수분의 경우 1430, 1920㎚ 대역에서 배음대를 가지므로 근적외선 영역이 수분 측정에 유리하다.For reference, the irradiation of near infrared rays on wood causes the absorption of radiation corresponding to the inherent vibrational energy of the bonds of the molecules constituting the wood to cause the fundamental vibration of the functional groups such as OH, CH, NH, C═O, The reflectance spectrum can be obtained by attenuating the vibration energy corresponding to the first, second, and third overtones (first, second, and third overtone regions) and the combination bands region. In the case of water, the near-infrared region is advantageous for moisture measurement since it has an excitation band in the 1430 and 1920 nm bands.

여기서, 측정 온도는 건조, 열압, 가압약제처리, 접착, 도장, 바이오 에너지화, 바이오 리파이너리 등의 가공공정 중 함수율 측정이 필요한 공정에서의 온도를 고려하여 설정한다. 측정 온도설정이 필요한 이유는 개발된 회귀식을 활용하여 함수율 측정 단계에서 온도에 따른 오차를 줄이기 위해서이다. 또한, 온도 변이가 존재하는 경우 평균 온도로 측정 온도를 설정한다. 또한, 섬유포화점 이하 구간의 함수율의 경우 항온항습기를 통해 함수율 변이를 설정하고, 섬유포화점 이상의 경우 수조에 침지하여 함수율을 유도한다.Here, the measurement temperature is set in consideration of the temperature in a process requiring measurement of water content during processing such as drying, hot pressure, pressurized chemical treatment, adhesion, painting, bio-energy conversion, and biorefinery. The reason why the measurement temperature should be set is to reduce the temperature-dependent error in the water content measurement step using the developed regression equation. Further, the measurement temperature is set to an average temperature when there is a temperature variation. In case of water content below the fiber saturation point, water content variation is set by thermo - hygrostat.

다음으로, 시편(1)의 평형함수율이 유도되면 광 프로브(11)를 통해 시편(1)의 반사율 스펙트럼을 측정한다(S2). 그리고 검출기(14)에서 얻어진 연속 반사율 스펙트럼은 컴퓨터(15)를 거쳐 저장된다(S5, S6).Next, when the equilibrium moisture content of the test piece 1 is induced, the reflectance spectrum of the test piece 1 is measured through the optical probe 11 (S2). The continuous reflectance spectrum obtained by the detector 14 is stored via the computer 15 (S5, S6).

그리고 컴퓨터(15)에서는 측정된 반사율 스펙트럼에 대해, 수학적 전처리(S7) 및 회귀분석(S8)을 수행한다.Then, the computer 15 performs mathematical preprocessing (S7) and regression analysis (S8) on the measured reflectance spectrum.

수학적 전처리(S7)는 3점 이동평균(smoothing (3point)), 기준값 보정(baseline) 및 Norris 2nd derivative을 순차적으로 수행한다.The mathematical preprocessing S7 sequentially performs a 3-point moving average (smoothing (3point)), a reference value correction (baseline), and a Norris 2nd derivative.

그리고 수학적 전처리가 완료된 스펙트럼과 함수율과 대응시켜 PLSR(Partial least square regression) 분석을 수행한다(S8). 여기서, 상기 PLSR은 cross validation으로 수행되며 segment를 20개로 나누어 수행한다. 최종 획득된 회귀식으로부터 PC가 낮으면서 validation R2가 0.9 이상인 모델로 최종 예측모델을 설정한다.Then, a partial least square regression (PLSR) analysis is performed in correspondence with the mathematical preprocessed spectrum and the moisture content (S8). Herein, the PLSR is performed by cross validation and divided into 20 segments. From the final regression equation, we set the final prediction model to a model with low PC and validation R2 of 0.9 or higher.

본 발명에 따른 함수율 측정 방법은, 목재 시편에 조사된 근적외선에서 획득된 반사율 스펙트럼에 대해 수학적 전처리 및 회귀분석을 하여 함수율을 측정하여, 실시간으로 재현성 높은 목재의 표면 함수율을 측정할 수 있다.The moisture content measuring method according to the present invention can measure the surface moisture content of the highly reproducible wood in real time by measuring the water content by performing mathematical preprocessing and regression analysis on the reflectance spectrum obtained in the near infrared rays irradiated on the wood specimen.

또한 동시에 상기와 같이 획득된 반사율 스펙트럼으로부터 900㎚~1326㎚의 반사율 스펙트럼의 기준 값을 얻어 기울기를 비교하는 방법으로 탄화도를 실시간으로 모니터링하여 가열 공정에서 발생할 수 있는 사고를 방지할 수 있다. 이와 같은 목재의 탄화도 제어 방법에 대해서는 도 9 내지 도 17을 참조하여 후술한다(S9).
Also, at the same time, the reference value of the reflectance spectrum of 900 nm to 1326 nm is obtained from the reflectance spectrum obtained as described above, and the inclination is compared. By monitoring the carbonization degree in real time, it is possible to prevent an accident that may occur in the heating process. Such a method of controlling the degree of carbonization of the wood will be described later with reference to Figs. 9 to 17 (S9).

본 발명의 일 실시예에 따른 함수율 측정 방법에 대해서 상세하게 설명한다.The moisture content measuring method according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

재료material

본 발명에 따른 실험 대상 목재의 시편(1)은 잣나무를 사용하였다. 시편(1)은 시편(1)과 근적외선의 상호작용이 충분히 이루어진 확산반사가 발생할 수 있도록 충분한 두께로 제작되었다. 충분한 확산반사를 위한 시편(1)의 최소한의 두께는 근적외선의 파장이 짧아질수록 길어지는데, 예를 들어, 본 실시예에서는 두께 5㎜(섬유방향), 직경 33㎜ 인 원반형 시편(1)을 사용하였다. 또한, 원반형 시편(1)을 제작한 이유는, 사각형 시편의 경우, 섬유포화점 이상에서 꼭지점과 모서리 주위에서 상이한 액상수분의 농도경사가 발생할 가능성이 존재하기 때문으로, 시편(1)의 기하학적 형상으로 인해 발생하는 함수율 경사를 최소화하기 위해서 원반형 시편(1)을 제작 사용하였다.
The specimen (1) of the wood to be tested according to the present invention was made of pine wood. The specimen (1) was made of sufficient thickness to allow diffuse reflection to occur with sufficient interaction of the specimen (1) with near-infrared rays. For example, in the present embodiment, a disc-shaped specimen 1 having a thickness of 5 mm (fiber direction) and a diameter of 33 mm is used as the minimum thickness of the specimen 1 for sufficient diffuse reflection. Respectively. The reason why the disk-shaped test piece 1 is produced is that in the case of a rectangular test piece, there is a possibility that a concentration gradient of liquid water different from that of a vertex and a corner around the fiber saturation point occurs, (1) was used to minimize the slope of the water content.

측정 방법How to measure

본 실시예에 따르면, 섬유포화점 이하와 이상으로 나누어 시편(1)의 함수율을 측정하였다. 목재 내 수분은 세포벽 cellulose와 결합하고 있는 결합수와 내강 내 수분끼리 결합하고 있는 자유수로 구분할 수 있다. 일반적으로 상대습도 100% 조건에서 목재의 전건질량 대비 함수율은 30% 부근으로 알려져 있다. 본 실시예에 따르면, 섬유포화점 이상의 고함수율 구간을 측정하기 위해서 목재 시편을 항온조에 침지하여 내부 수분 분포를 일정하게 한 후 반사율 스펙트럼을 측정한다.
According to the present embodiment, the moisture content of the test piece 1 was measured by dividing the fiber saturation point to the fiber saturation point or more. The moisture in the wood can be divided into the binding water which is bound to the cell wall cellulose and the free water which combines with the water in the lumen. Generally, at 100% relative humidity, the water content of the wood is known to be around 30%. According to this embodiment, in order to measure the high moisture content section above the fiber saturation point, the wood specimen is immersed in a thermostatic chamber and the internal moisture distribution is made constant, and then the reflectance spectrum is measured.

1. 섬유포화점 이하1. Below fiber saturation point

항온항습기(Temperature & humidity chamber)를 이용하여 온습도 조건을 변화시켜 시편(1)에 섬유포화점 이하의 다양한 평형함수율(Equilibrium moisture content, EMC)을 유도한다.By varying the temperature and humidity conditions using a temperature and humidity chamber, various equilibrium moisture content (EMC) below the fiber saturation point is induced in the specimen (1).

여기서, 항온항습기는, 항온항습기 내부에서 반사율 스펙트럼을 측정할 수 있도록 형성된다. 그리고 항온항습기를 각 조건으로 설정한 후 평형함수율에 도달하기까지 24시간 동안 조습한 후 반사율 스펙트럼을 측정하였다. 실시된 온습도 조건과 평형함수율은 표 1에 기재하였다.
Here, the thermo-hygrostat is formed so that the reflectance spectrum can be measured inside the thermo-hygrostat. Then, the thermo - hygrostat was set for each condition, and then the reflectance spectrum was measured after humidifying for 24 hours until the equilibrium moisture content was reached. The temperature and humidity conditions and the equilibrium moisture content are shown in Table 1.

온도 (℃)Temperature (℃) 상대습도 (%)Relative humidity (%) 목표 EMC (%)Target EMC (%) 평균 함수율 (%)Average water content (%) 함수율의 표준편차 (%)Standard deviation of water content (%) 장비equipment 2525 9999 25.6225.62 25.1825.18 1.021.02 항온항습기Thermo-hygrostat 9595 23.2823.28 18.2018.20 0.390.39 8080 16.4016.40 15.3015.30 0.510.51 6565 11.9511.95 12.9012.90 0.410.41 5050 9.069.06 9.709.70 0.300.30 2525 5.475.47 7.647.64 0.360.36

2. 섬유포화점 이상2. Above fiber saturation point

섬유포화점 이상 구간을 유도하기 위해 항온항습기 내부에서 일정 시간 동안 침수시킨다. 침수시킨 시편(1)은 수조에서 꺼내어 항온항습기 내부에서 5분간 방치한 후에 반사율 스펙트럼을 측정하였다. 실시된 침지시간과 평형함수율 조건은 표 2에 기재하였다.
In order to induce the section above the fiber saturation point, it is submerged for a certain period of time inside the thermo-hygrostat. The immersed specimen (1) was taken out of the water bath and allowed to stand in the thermostat for 5 minutes before measuring the reflectance spectrum. The conditions of immersion time and equilibrium moisture content were shown in Table 2.

온도 (℃)Temperature (℃) 침지시간 (h)Immersion time (h) 평균 함수율 (%)Average water content (%) 함수율의 표준편차 (%)Standard deviation of water content (%) 장비equipment 2525 0.50.5 38.3538.35 2.042.04 항온항습조Constant temperature and humidity chamber 1One 49.4049.40 2.422.42 33 57.5957.59 2.842.84 66 68.4268.42 2.262.26 2424 88.4588.45 3.023.02

또한 25%부터 36%사이의 함수율 분포를 얻기 위해 25℃ 상대습도 100% 조건에서 내부 공기의 수분 과포화 상태를 조성하여 수분을 강제 응축시켰다. 이에 따른 함수율 분포는 표 3과 같다.
In order to obtain a water content distribution between 25% and 36%, the water was forcedly condensed by establishing a supersaturated state of the internal air at a temperature of 25 ° C and a relative humidity of 100%. The water content distribution is shown in Table 3.

온도 (℃)Temperature (℃) 상대습도 (%)Relative humidity (%) 시간 (h)Time (h) 평균 함수율 (%)Average water content (%) 함수율의 표준편차 (%)Standard deviation of water content (%) 장비equipment 2525 100100 44 28.8828.88 1.021.02 항온항습조Constant temperature and humidity chamber 100100 1010 32.6632.66 0.390.39

스펙트럼 처리Spectrum processing

목재의 반사율 스펙트럼을 측정하기 위해 근적외선 분광분석기 (NIR QUEST 256-2.5, Ocean Optics)를 이용하였다. 본 실시예에서는 텅스텐-할로겐 램프(20 W)를 광원(12)으로 사용하고 광섬유인 광 프로브(11)를 이용하여 시편(1) 표면의 반사 스펙트럼을 검출기(14)로 보내 반사율을 측정하는 근적외선 분광분석 시스템(10)을 이용하였다. 표준물질로는 반사율 100%의 테프론을 사용하였다. 광 프로브(11)를 표준물질에 밀착하여 광원을 켠 상태를 100%로 하고, 광원을 끈 상태를 0%로 설정하여 기준값을 설정한다. 반사율 스펙트럼 수집 시 광 프로브(11)는 프로브 홀더에 고정되어 입사광이 시편(1)과 45°로 유지된다. 검출기를 통하여 컴퓨터(15)에서 기록된 반사율 데이터는 870㎚~2510㎚ 대역까지 기록된다. 그러나 센서 자체의 전기적인 오차를 고려하여 양쪽 말단 부분에 포함되는 잡음을 제외시키기 위해서 1000㎚~2400㎚ 대역만을 추출하여 회귀분석에 이용하였다.A near infrared spectrometer (NIR QUEST 256-2.5, Ocean Optics) was used to measure the reflectance spectrum of wood. In the present embodiment, a near infrared ray (near infrared ray) is used to measure the reflectance by using a tungsten-halogen lamp (20 W) as the light source 12 and using the optical probe 11 as an optical fiber to transmit the reflection spectrum of the surface of the specimen 1 to the detector A spectroscopic analysis system 10 was used. As a standard material, Teflon with a reflectance of 100% was used. The reference value is set by bringing the optical probe 11 into close contact with a standard material, setting the state of the light source to be 100%, and setting the state of the light source to 0%. When the reflectance spectrum is collected, the optical probe 11 is fixed to the probe holder so that the incident light is maintained at 45 DEG to the specimen 1. [ The reflectance data recorded in the computer 15 through the detector is recorded in the 870 nm to 2510 nm band. However, considering the electrical error of the sensor itself, only the band of 1000nm ~ 2400nm was extracted and used for the regression analysis in order to exclude the noise included at both ends.

수학적 전처리는 3점 이동평균(Smoothing 3 point), 기준값 보정(Baseline) 및 Norris 2nd gap derivative(gap size=1)의 처리를 순차적으로 수행한다. 그리고 수학적 전처리가 완료된 스펙트럼을 PLS 1 모델 분석에 의한 회귀모델(Partial Least Square Regression, PLSR)을 적용한다. 여기서, 스펙트럼의 전처리 및 회귀모델은 통계분석용 소프트웨어인 The Unscrambler(Ver. 9.7, Camo Inc, Norway)를 사용하였다.
The mathematical preprocessing sequentially performs the processing of a 3-point moving average (Smoothing 3 point), a reference value correction (Baseline), and a Norris 2nd gap derivative (gap size = 1). And the spectrum that mathematically preprocessed is applied is applied to the PLS 1 model by partial linear regression (PLSR). Here, the spectral preprocessing and regression model was the statistical analysis software The Unscrambler (Ver. 9.7, Camo Inc, Norway).

도 3은 상기와 같이 처리된 시편(1)의 함수율에 따른 반사율 스펙트럼 그래프이고, 도 4는 도 3의 스펙트럼에 대해서 최종 수학적 전처리(3점 이동평균, 기준값 보정, Norris 2nd derivative)가 완료된 스펙트럼을 나타낸 그래프들이다.FIG. 3 is a graph of reflectance spectra according to the water content of the specimen 1 processed as described above, and FIG. 4 is a graph showing the spectra of the final mathematical preprocessing (3-point moving average, reference value correction, Norris 2nd derivative) Respectively.

도 3와 도 4를 참조하면, 함수율이 높을 수록 반사율이 전체적으로 낮은 값을 가지며 1900㎚ 이상부터 굴곡이 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 반사율 스펙트럼의 경우, 2차 미분을 거치면 흡광이 발생하는 영역이 양의 값을 갖는다. 이러한 내용을 통해 도 4를 해석하면, 함수율이 섬유포화점 이상의 영역에서는 1950㎚~2200㎚ 영역의 흡광이 전체적으로 감소하는 것을 알 수 있으며, 또한, 수분과 관계된 영역인 1435㎚, 1920㎚ 부근의 흡광영역이 파장이 낮은 쪽으로 이동하였음을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 3 and 4, it can be seen that the higher the water content, the lower the reflectance as a whole, and the lower the curvature from 1900 nm or more. In the case of the reflectance spectrum, the area where the light absorption occurs has a positive value when the second derivative is passed. 4, it can be seen that the absorption in the region of 1950 nm to 2200 nm is entirely decreased in the region where the water content is higher than the fiber saturation point, and that the absorbance in the region of 1435 nm and 1920 nm It can be confirmed that the region has shifted to the lower wavelength side.

도 5는 섬유포화점 이하 구간의 표면함수율 예측 모델 검증 결과를 나타낸 그래프이고, 도 6은 섬유포화점 이상 구간의 표면함수율 예측 모델 검증 결과를 나타낸 그래프이다. 여기서, 표면함수율 예측 모델을 검증하기 위해서 섬유포화점은 30%로 가정하였다. 도 5를 참조하면, 섬유포화점 이하 구간의 경우 R2는 0.92이고 RMSEP는 1.74로 매우 신뢰할만한 결과를 나타냄을 알 수 있다. 반면, 도 6을 참조하면, 섬유포화점 이상 구간의 경우 R2는 0.90, RMSEP는 6.15로 상대적으로 높은 RMSEP를 나타냈다. 여기서, 섬유포화점 이상 구간의 RMSEP가 높은 이유는, 첫째로, 측정 표면과 시편(1)의 평균 함수율 간의 편차가 발생했기 때문으로 추정된다. 섬유포화점 이상의 고함수율 구간을 유도하기 위해 침지한 시편(1)의 경우, 앞서 언급한 것과 같이 표면과 전체 평균 함수율 간의 오차가 발생할 가능성을 갖기 때문에 편차를 낮추기 위해 노력하였으나 불가피하게 오차가 발생할 수 있다. 둘째로, 함수율이 높을수록 수분과 작용하는 1435㎚ 부근과 1920㎚ 부근의 최대 피크가 낮은 파장대로 편향하는 현상을 나타냈기 때문에 전처리된 스펙트럼 데이터를 그대로 이용하는 회귀모델의 특성상 전체적인 스펙트럼의 이동으로 인해 낮은 결정계수를 나타낸 것으로 판단된다.FIG. 5 is a graph showing the results of the model test of the predicted surface moisture content of the section below the fiber saturation point, and FIG. 6 is a graph showing the results of the model test of the surface moisture content prediction model of the section over the fiber saturation point. Here, the fiber saturation point is assumed to be 30% in order to verify the surface water content prediction model. Referring to FIG. 5, it can be seen that R2 is 0.92 and RMSEP is 1.74 for the section below the fiber saturation point, which is a very reliable result. On the other hand, referring to FIG. 6, R2 is 0.90 and RMSEP is 6.15, which is a relatively high RMSEP in the region above the fiber saturation point. The reason why the RMSEP of the section above the fiber saturation point is high is as follows. First, it is assumed that the deviation between the measurement surface and the average water content of the specimen (1) occurs. In the case of the specimen (1) immersed in order to induce the high moisture content section above the fiber saturation point, as mentioned above, since there is a possibility of an error between the surface and the overall average moisture content, an attempt was made to lower the deviation, have. Second, the higher the water content, the more the peak around 1435 nm and the peak near 1920 nm are deflected to the lower wavelength band. Therefore, due to the nature of the regression model using the preprocessed spectral data, It is judged that the coefficient of determination is shown.

섬유포화점 이하 구간은 항온항습기 내에서 24시간 동안 조습 처리하므로 전체 영역에서 함수율이 일정하다. 반면, 섬유포화점 이상 구간의 경우 침수시킨 시편(1) 내부 함수율 분포의 불균일, 측정 지점과 평균 함수율의 불균일 또는 시편(1) 표면에 잔존하는 액상 수분의 영향으로 편차가 생길 수 있어 정확한 표면함수율 측정이 어렵다.The fraction below the fiber saturation point is humidified for 24 hours in a thermostat, so the water content is constant throughout the whole range. On the other hand, in the case of the section above the fiber saturation point, the deviation of the water content of the immersed sample (1) due to uneven distribution of the moisture content, unevenness of the measurement point and the average water content or the liquid water remaining on the surface of the sample (1) Measurement is difficult.

도 7은 측정된 섬유포화점 이하 구간과 이상 구간의 스펙트럼을 합하여 전체 함수율 구간에서의 표면함수율 예측 모델의 신뢰도를 나타내는 그래프이고, 도 8은 상기 표면함수율 예측 모델의 회귀계수(bi)를 나타내는 그래프이다. 여기서, 도 7 및 도 8에서 도출된 모델의 R2는 0.95, RMSEP는 5.18이다.FIG. 7 is a graph showing the reliability of the surface water content prediction model in the entire water content region by combining the measured spectral ranges of the fiber saturation point and the abnormal region, FIG. 8 is a graph showing the regression coefficient (bi) to be. Here, R2 of the model derived from Figs. 7 and 8 is 0.95 and RMSEP is 5.18.

본 발명에 따르면, 근적외선 반사율 분광분석법을 이용하여 근적외선 영역인 1,000㎚~2,400㎚ 범위에서 100% 함수율 이하 구간의 표면함수율 예측이 가능함을 확인할 수 있다. 그리고 이와 같이 도출된 예측 모델을 이용하여 표면함수율을 실시간으로 비파괴적인 방법을 통해 예측할 수 있으며, 0~100% 함수율 구간을 모두 측정할 수 있다. 그리고, 이러한 예측 모델을 통해, 목재의 건조 과정 중에서 표면함수율을 예측하여 적절한 건조 스케줄을 결정하여 건조 결함을 줄일 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 예측 모델에서 함수율 변화를 통해 목재의 열처리 공정 중에서 근적외선 반사 스펙트럼의 변화를 통해 목재의 탄화도를 제어하고, 연소 및 발화를 방지할 수 있다.According to the present invention, the near-infrared reflectance spectroscopic analysis can be used to predict the surface moisture content in the near-infrared range of 1,000 nm to 2,400 nm in the 100% water content or less. Using the predictive model, the surface moisture content can be predicted in real time through the non-destructive method, and all the moisture content ranges can be measured. Through this prediction model, it is possible to predict the surface water content during the drying process of the wood to determine an appropriate drying schedule, thereby reducing drying defects. Further, in the predictive model according to the present embodiment, by changing the water content, the carbonization degree of the wood can be controlled through the change of the near-infrared reflection spectrum during the heat treatment process of the wood, and combustion and ignition can be prevented.

또한, 본 발명에 따른 함수율 측정 방법은 목재뿐 아니라 목질계 바이오 매스에도 동일하게 적용할 수 있다.
In addition, the water content measurement method according to the present invention can be equally applied to woody biomass as well as wood.

한편, 본 발명에 따른 근적외선을 이용한 탄화도 제어 방법은 목재에 근적외선을 조사하고 측정된 반사율 스펙트럼을 이용하여 목재의 탄화도를 탐지하고, 이러한 목재의 연소 시점을 탐지함으로써 목재의 연소와 발화를 방지할 수 있다. 상세하게는, 가열공정 시 목재는 탄화가 진행될수록 주성분(셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌)들의 분해로 Cn-H기가 증가하는데, 이에 따라 900㎚~1326㎚구간의 반사율이 다른 구간에 비해 크게 감소하게 된다. 목재에 근적외선을 조사하고 획득된 반사율 스펙트럼으로부터 Cn-H 작용기의 진동 구간 (900㎚~1326㎚)을 모니터링 함으로써 고온 가열공정에서 발생하는 성분분해에 따른 탄화도를 탐지하여 목재의 발화 및 연소를 방지할 수 있다.The method of controlling the degree of carbonization using near infrared rays according to the present invention is a method of controlling the degree of carbonization of wood by irradiating near infrared rays to wood and detecting the degree of carbonization of the wood using the measured reflectance spectrum, have. In detail, as the carbonization progresses in the heating process, the Cn-H group increases due to decomposition of the main components (cellulose, hemicellulose, lignin), and thus the reflectance in the range of 900 nm to 1326 nm is greatly reduced . By monitoring near infrared rays on the wood and monitoring the vibration interval (900 nm ~ 1326 nm) of the Cn-H functional groups from the obtained reflectance spectrum, it is possible to detect the degree of carbonization due to decomposition of components generated in the high temperature heating process to prevent ignition and combustion of the wood .

이하, 목재의 탄화도 제어 방법에 대해서 도 1 및 도 9 내지 도 17을 참조하여 상세하게 설명한다. 상술한 목재의 함수율 측정 방법과 스펙트럼을 측정하는 것은 동일하므로, 동일한 부분에 대해서는 중복되는 설명은 생략하고 탄화도 탐지에 대해서 상세하게 설명한다.Hereinafter, a method of controlling the degree of carbonization of wood will be described in detail with reference to Figs. 1 and 9 to 17. Fig. Since the method of measuring the water content of the above-described wood and the measurement of the spectrum are the same, overlapping explanations are omitted for the same parts and the detection of carbonization is explained in detail.

우선, 목재의 탄화도를 탐지하기 위해서, 도 9 내지 도 11에 도시한 바와 같이, 목재의 열처리 장치(20)에서 목재의 열처리 및 탄화도 탐지를 수행한다.First, as shown in Figs. 9 to 11, in order to detect the degree of carbonization of the wood, the heat treatment of the wood and the detection of the degree of carbonization are carried out in the heat treatment apparatus 20 of wood.

목재의 열처리 장치(20)는 대상이 되는 시편(2)을 수용하고 열을 처리하는 공간을 제공하는 열처리 챔버(21)와, 목재 시편(2)에 근적외선을 조사하고 상기 시편(22)에서 반사율 스펙트럼을 획득하기 위한 광 프로브(optical probe)(22), 상기 열처리 챔버(21) 내부의 온도를 측정하는 온도 센서(23) 및 열처리 챔버(21) 내부의 압력을 조정하는 압력 조절기(24)를 포함하여 구성된다.The wood heat treatment apparatus 20 includes a heat treatment chamber 21 for accommodating a target specimen 2 and providing a space for treating heat and a reflector 22 for irradiating the specimen 2 with near infrared rays, An optical probe 22 for obtaining a spectrum, a temperature sensor 23 for measuring the temperature inside the heat treatment chamber 21, and a pressure adjuster 24 for adjusting the pressure inside the heat treatment chamber 21 .

여기서, 시편(2)에 열처리를 하기 전에, 측정의 정확성을 높이기 위해서 상온에서 표준물질(Teflon)를 이용하여 반사율 보정(reflectance calibration)을 먼저 수행한 후, 시편(2)을 삽입하여 열처리 및 근적외선을 조사한다. 예를 들어, 반사율을 보정하는 단계는, 광원을 점멸하여 최대/최소 반사치를 100/0%로 두어 반사율을 보정한다.Before the heat treatment is performed on the specimen 2, reflectance calibration is first performed using a standard material (Teflon) at room temperature in order to increase the accuracy of the measurement. Then, the specimen 2 is inserted and heat- . For example, in the step of correcting the reflectance, the reflectance is corrected by blinking the light source so that the maximum / minimum reflection value is 100%.

다음으로, 열처리를 수행하면서 시편(2)에서 데이터를 획득한다. 예를 들어, 열처리 초기에는 5분 간격으로 측정하고, 1시간이 경과한 이후에는 10분 간격으로 측정할 수 있다. 여기서, 열처리는 열처리 챔버(21) 내부의 압력이 대기압으로 유지되고, 외부와 공기 교환이 수행되면서 처리되는 일반적인 고온 열처리를 수행한다.Next, data is obtained from the specimen 2 while performing the heat treatment. For example, measurements can be made every 5 minutes at the beginning of heat treatment, and every 10 minutes after 1 hour. Here, the heat treatment is performed by performing a general high-temperature heat treatment in which the pressure inside the heat treatment chamber 21 is maintained at atmospheric pressure and treated while performing air exchange with the outside.

여기서, 측정하는 데이터는 시편(2)의 반사율 스펙트럼과 시편(2)의 표면온도, 시편(2)의 내부 온도 및 열처리 챔버(21)의 내부 공기 온도를 측정한다. 이를 위해서, 온도 센서(23)는 시편(2)의 표면온도를 측정하도록 구비된 제1 센서(231)와, 시편(2) 내부 온도를 측정하도록 구비된 제2 센서(232) 및 열처리 챔버(21) 내부의 공기 온도를 측정하도록 구비되는 제3 센서(233)로 구성된다. 그리고 광 프로브(22)는 시편(2) 표면에 근적외선을 조사하고 반사율을 측정할 수 있도록 시편(2)에서 소정 간격 이격되어 구비된다.Here, the data to be measured is the reflectance spectrum of the specimen 2, the surface temperature of the specimen 2, the internal temperature of the specimen 2, and the internal air temperature of the heat treatment chamber 21. To this end, the temperature sensor 23 comprises a first sensor 231 adapted to measure the surface temperature of the specimen 2, a second sensor 232 adapted to measure the temperature of the specimen 2, And a third sensor 233 adapted to measure the temperature of the air inside the first sensor 231. The optical probe 22 is provided at a predetermined distance from the specimen 2 so that the surface of the specimen 2 can be irradiated with near infrared rays and the reflectance can be measured.

도 12는 본 실시예에 따른 열처리 과정에서 온도 변화를 보여주는 그래프이고, 도 13은 열처리 시간을 270분으로 하고, 32회 측정한 측정 표면 온도의 프로파일 그래프이다. 도 12 및 도 13을 참조하면, 설정 온도는 250℃이고, 270분 후 시편(2)의 표면 온도는 214℃이고, 시편(2)의 내부 온도도 214℃이다. 그리고 열처리 챔버(21) 내부 공기 온도 역시 시편(2)의 표면 온도 및 내부 온도와 유사하게 214℃임을 알 수 있다.FIG. 12 is a graph showing a temperature change in the heat treatment process according to the present embodiment, and FIG. 13 is a graph showing a measured surface temperature measured 32 times with a heat treatment time of 270 minutes. 12 and 13, the set temperature is 250 ° C. After 270 minutes, the surface temperature of the test piece 2 is 214 ° C and the internal temperature of the test piece 2 is 214 ° C. The temperature of the air inside the heat treatment chamber 21 is also 214 ° C, which is similar to the surface temperature and the internal temperature of the test piece 2.

도 14 내지 도 16은 위와 같이 획득된 근적외선 반사율 스펙트럼을 보여주는 그래프들이다. 도 14는 전체 영역에서의 스펙트럼 그래프이고, 도 15는 도 14의 스펙트럼 중에서 0m (25℃)~80m (197℃) 구간의 스펙트럼을 보여주는 그래프이고, 도 16은 도 14의 스펙트럼 중에서 90m (200℃)~270m (214℃) 구간의 스펙트럼을 보여주는 그래프이다. 그리고 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따라 획득된 시편의 흡광도 스펙트럼 그래프이다.14 to 16 are graphs showing the near-infrared reflectance spectrum obtained as described above. 14 is a graph showing a spectrum in a range of 0 m (25 ° C) to 80 m (197 ° C) in the spectrum of FIG. 14, and FIG. 16 is a graph showing a spectrum of 90 m ) To 270 m (214 < 0 > C). And FIG. 17 is a graph of an absorbance spectrum of a specimen obtained according to an embodiment of the present invention.

본 실시예에 따르면, 목재에 근적외선을 조사하고 획득한 반사율 스펙트럼으로부터 목재의 열처리를 실시간으로 비파괴적인 방법으로 모니터링하여 탄화도를 제어할 수 있다. 특히, 반사율 스펙트럼 중에서 900㎚~1326㎚의 근방에서 스펙트럼의 기울기를 비교함으로써 탄화도를 탐지할 수 있어서, 연소 및 발화를 방지하고, 가열 공정에서 발생할 수 있는 사고를 방지할 수 있다.According to this embodiment, the carbonization degree can be controlled by monitoring the heat treatment of the wood in a non-destructive manner in real time from the reflectance spectrum obtained by irradiating near infrared rays to the wood. In particular, by comparing the slopes of spectra in the vicinity of 900 nm to 1326 nm in the reflectance spectrum, it is possible to detect the degree of carbonization, thereby preventing combustion and ignition, and preventing accidents that may occur in the heating process.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것이다. 또한, 본 발명이 상술한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 사상은 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and changes may be made thereto by those skilled in the art to which the present invention belongs. Therefore, the spirit of the present invention should not be construed as being limited to the above-described embodiments, and all of the equivalents or equivalents of the claims, as well as the following claims, are included in the scope of the present invention.

1, 2: 시편
10: 함수율 측정 장치
11: 광 프로브(optical probe)
12: 광원
13: 전원 공급부
14: 검출기
15: 컴퓨터
20: 열처리 장치
21: 열처리 챔버
22: 광 프로브(optical probe)
23, 231, 232, 233: 온도 센서
24: 압력 조절기
1, 2: Psalm
10: Water content meter
11: Optical probe
12: Light source
13: Power supply
14: Detector
15: Computer
20: Heat treatment apparatus
21: heat treatment chamber
22: Optical probe
23, 231, 232, 233: temperature sensor
24: Pressure regulator

Claims (10)

시편을 제공하는 단계;
상기 시편의 함수율을 측정하기 위한 측정 온도를 설정하는 단계;
상기 시편의 섬유포화점 이하 및 이상에서의 함수율 변이를 설정하는 단계;
상기 시편에 근적외선을 조사하는 단계;
상기 시편에서 근적외선의 반사율 스펙트럼을 측정하는 단계;
상기 측정된 반사율 스펙트럼을 수학적 전처리하는 단계; 및
상기 수학적 전처리가 완료된 데이터를 회귀분석하는 단계;
를 포함하는 목재의 함수율 측정 방법.
Providing a sample;
Setting a measurement temperature for measuring a moisture content of the specimen;
Setting a water content variation at or below a fiber saturation point of the specimen;
Irradiating the specimen with near infrared rays;
Measuring a reflectance spectrum of near infrared rays in the specimen;
Mathematically preprocessing the measured reflectance spectrum; And
Regression analysis of the mathematically preprocessed data;
Wherein the moisture content of the wood is measured.
제1항에 있어서,
상기 함수율 변이를 설정하는 단계는,
섬유포화점 이하의 함수율을 측정하기 위해서 항온항습기(Temperature & humidity chamber)에서 평형함수율을 유도하는 단계; 및
섬유포화점 이상의 함수율을 측정하기 위해서 상기 시편을 일정 시간 침지시킨 후 평형함수율을 유도하는 단계;
를 포함하는 목재의 함수율 측정 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the setting of the moisture content variation comprises:
Deriving the equilibrium moisture content in a temperature and humidity chamber to measure the water content below the fiber saturation point; And
Inducing an equilibrium moisture content after immersing the specimen for a predetermined time in order to measure a water content higher than a fiber saturation point;
Wherein the moisture content of the wood is measured.
제2항에 있어서,
상기 시편은, 섬유포화점 이상의 함수율을 측정하기 위해서,
상기 항온항습기 내부에서 일정 시간 침수시켜서 조습시키는 단계; 및
상기 항온항습기 내부에서 상기 시편의 수분을 강제 응축시키는 단계;
를 포함하는 목재의 함수율 측정 방법.
3. The method of claim 2,
In order to measure the water content above the fiber saturation point,
Immersing the inside of the thermo-hygrostat for a certain period of time and humidifying it; And
Compulsorily condensing the moisture of the specimen inside the thermo-hygrostat;
Wherein the moisture content of the wood is measured.
제3항에 있어서,
상기 수분을 강제 응축시키는 단계는, 상기 조습시킨 시편을 25℃ 상대습도 100% 조건에서 내부 공기의 수분 과포화 상태를 조성하여 수분을 강제 응축시키는 목재의 함수율 측정 방법.
The method of claim 3,
The method of forcibly condensing moisture is a method for measuring the moisture content of wood by compulsorily adjusting the moisture content of the internal air at 25 ° C and a relative humidity of 100% to condense moisture.
제1항에 있어서,
상기 수학적 전처리 단계는, 3점 이동평균(Smoothing 3 point), 기준값 보정(Baseline) 및 Norris 2nd gap derivative(gap size=1)의 처리를 순차적으로 수행하는 목재의 함수율 측정 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the mathematical preprocessing step sequentially performs processing of a 3-point moving average (Smoothing 3 point), a reference value correction (Baseline), and a Norris 2nd gap derivative (gap size = 1).
제1항에 있어서,
상기 회귀분석 단계는 PLSR(Partial Least Square Regression)을 이용하는 목재의 함수율 측정 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the regression analysis step uses PLSR (Partial Least Square Regression).
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