Puun kosteusmittareiden historia

Jo ennen kuin puun ja kosteuden suhdetta ymmärrettiin hyvin, puuseppien oli otettava huomioon, miten kosteus vaikuttaisi heidän materiaaleihinsa.

Nykyään ymmärrämme puun hygroskooppiset ominaisuudet hyvin, ja tämä tieto on mahdollistanut sellaisten puun kosteusmittareiden suunnittelun, jotka antavat meille mitattavissa olevaa tietoa puukappaleen kosteustilasta. Yhteisen ymmärryksemme edetessä myös testausmenetelmät ovat kehittyneet.

Nykyään on olemassa kahdenlaisia ​​kannettavia puun kosteusmittareita: neulamittareita ja neulattomia mittareita. Kumpikin perustuu erilaisiin sähköisiin ominaisuuksiin, joihin vaikuttaa mitattavan puun kosteusmäärä. Tätä käsittelemme yksityiskohtaisemmin myöhemmin tässä artikkelissa.

Toistaiseksi riittää, kun sanotaan, että tappityyppisissä mittareissa käytetään kahta naulan kaltaista elektrodia, jotka työnnetään puuhun ja mittaavat niiden välillä kulkevaa virtaa. Tappittomissa mittareissa käytetään anturilevyjä, jotka asettuvat tasaisesti puun pinnalle ja mittaavat puuhun lähettämänsä sähkömagneettisen aallon käyttäytymistä.

Ilman, että meidän tarvitsee perehtyä kunkin kosteusmittarityypin tieteelliseen puoleen, niiden ilmeisimmät erot ovat se, mitä ne tekevät mitattavalle puulle ja kuinka helppokäyttöisiä ne ovat.

Neulamittarit jättävät reikiä mitattavaan puuhun. Tämä tekee niistä hyödyllisiä polttopuun tai puukappaleiden kosteuspitoisuuden arvioinnissa silloin, kun useiden reikien jättäminen ei vaikuta negatiivisesti lopputuotteen rakenteelliseen eheyteen tai estetiikkaan.

Sitä vastoin neulattomat mittarit eivät jätä jälkeensä fyysisiä merkkejä. Niitä voidaan käyttää vain tasaisella puulla, ja koko anturin on pysyttävä kosketuksissa puuhun lukeman aikana.

Myös tappien asettaminen tai vasarointi hidastaa tappimittareiden käyttöä. Tappien asettaminen oikeaan syvyyteen, niiden poistaminen ja niiden kunnon varmistaminen lukeman ottamiseksi vie aikaa.

Näin ollen suuren puukappaleen tai -erän kosteusolosuhteiden arviointiin on käytettävä huomattavasti aikaa. Todennäköisempi skenaario on, että otat yksinkertaisesti vähemmän mittauksia. Toinen pidentää projektin aikataulua ja kustannuksia, kun taas toinen tarkoittaa, että teet päätöksiä vähemmillä datapisteillä.

Voit työskennellä paljon tehokkaammin neulattomien mittareiden kanssa, koska ne vaativat vähemmän fyysistä vaivaa eivätkä ole yhtä alttiita vaurioille kuin neulaelektrodit.

Mutta tässä sitä ollaan tänään. Sähkökäyttöisillä kosteusmittareilla on lähes sadan vuoden historia. Mielenkiintoista kyllä, ne käyttävät edelleen vielä vanhempaa menetelmää, uunikuivausta, tarkkuutensa varmistamiseksi. Ymmärtääkseen, miten nykyajan kädessä pidettävät puun kosteusmittarit toimivat, kannattaa perehtyä niiden käyttämän teknologian kehitykseen.

Uunikuivausmenetelmät ovat puun kosteuden mittaamisen kultastandardi

Varhaisin puun kuivaamiseen käytetty menetelmä on ilmakuivaus tai "sääkuivaus". Se vie aikaa. Puuta säilytettiin usein vuosia ennen käyttöä. Varhaiset yritykset nopeuttaa kuivumisprosessia johtivat erityyppisten "kuivaamojen" rakentamiseen. Nämä olivat yksinkertaisia ​​rakenteita, jotka asetettiin kaivettujen kellarien päälle ja joissa oli tiili- tai kaakeliuuni.

Yhdysvalloissa "kuivaamojen" käyttö ei ollut yleistä osittain siksi, että niihin liittyi valtava tulipaloriskin. Höyryputkien käyttöä kokeiltiin jonkin verran 1850-luvulla, mutta se ei mennyt hyvin. Lopulta ensimmäiset onnistuneet puunkuivausuunit, kuivauskammiot, joissa oli jonkin verran lämpöeristystä, alkoivat ilmestyä Keskilänteen 1870-luvulla.

Yrityksen ja erehdyksen kautta uunin käyttäjät havaitsivat, että puun kuivaaminen alhaisemmissa lämpötiloissa kiertävällä ilmalla tuotti parempia tuloksia kuin lämmön käyttäminen täydellä teholla. Lopulta yritykset, jotka pyrkivät minimoimaan kuivumisajat ja maksimoimaan tuotokset, saivat tukea kokeiluun ja erehdykseen perustuvalta lähestymistavalta tiedemiehiltä ja tutkijoilta. Tieteellisen tutkimuksen avulla tutkijat alkoivat löytää ja validoida laajan kirjon puun fysikaalisia ominaisuuksia. Joitakin heidän löydöksiään olivat puun solurakenteen ja kemiallisten ominaisuuksien ymmärtäminen.

Tämä puolestaan ​​johti ymmärrykseen siitä, miten puulajien väliset fyysiset erot ja jopa eri paikoissa kasvatettujen samojen lajien väliset erot vaikuttavat puun kuivumisprosessiin.

Puuntutkimuksen lisääntyessä puututkijat kehittivät kaavan puukappaleen kosteuspitoisuuden määrittämiseksi sen painon funktiona ja ilmaistuna prosentteina.

Kosteuspitoisuus (MC) = (märkäpaino − uunikuivapaino) ÷ uunikuivapaino × 100

Uunikuivausmenetelmällä voidaan siis mitata suoraan puukappaleen kosteuspitoisuus. Jos sinulla on puunkuivausuuni, voit punnita puun sekä ennen että jälkeen kuivausjakson uunissa. ASTM D4442 (puun ja puupohjaisten materiaalien suoran kosteuspitoisuuden mittaamisen standardimenetelmä) todetaan, että uunikuivaus tarjoaa "korkeimman tarkkuuden" ja on "puun ja puupohjaisten materiaalien kosteuspitoisuuden määrittämisen viitestandardi (ensisijainen standardi)."

Tämän seurauksena ASTM D4442 -standardin mukaista uunikuivausta puuta käytetään viitekohtana kannettavien kosteusmittareiden kalibroinnille. ASTM D4444 (standardimenetelmä kannettavien kosteusmittareiden laboratoriostandardisointiin ja kalibrointiin).

Kädessä pidettävät kosteusmittarit mittaavat kosteutta epäsuorasti. Koska vesi johtaa sähköä, kädessä pidettävät mittarit keräävät tietoa sähkövirtojen tai -aaltojen käyttäytymisestä puukappaleessa. Tätä tietoa käytetään sitten yhdessä muiden asiaankuuluvien datapisteiden kanssa puun kosteuspitoisuuden laskemiseen.

Sähköisten puun kosteusmittareiden kehitys

Ihmiskunta on jo pitkään tiennyt, että puu sisältää kosteutta; että se kuivuu ja voi imeä kosteutta takaisin joutuessaan kosketuksiin veden kanssa. Todellisuudessa tiedemiehet ovat tienneet myös veden ja sähkön välisestä suhteesta lähes siitä hetkestä lähtien, kun sähkö keksittiin. Tarkemmin sanottuna he tiesivät, että vesi johtaa sähköä, vaikka tietty kemiallinen prosessi, joka tapahtuu vedessä, kun se antaa sähkövarausten kulkea lävitseen, on dokumentoitu uudemmin.

Tutkijat osoittivat ensimmäisen kerran 1920-luvun lopulla, että puun sähköisiä ominaisuuksia voitiin käyttää sen kosteuspitoisuuden mittaamiseen. Yksi ensimmäisistä dokumentoiduista kannettavista sähkökäyttöisistä puun kosteusmittareista oli vuonna 1927 valmistettu "vilkkutyyppinen" mittari. Tässä mittarissa oli neonlamppu kiinnitettynä kondensaattoriin, joka oli kosketuksissa puun kanssa. Kondensaattori absorboi puun läpi kulkevan varauksen. Kun kondensaattori oli täysin latautunut, neonlamppu syttyi lyhyesti. Mitä nopeammin kondensaattori latautui, sitä nopeammin lamppu vilkkui.

Kondensaattorin latautumisnopeus riippui puun resistanssista. Koska kosteus johtaa sähköä, mitä enemmän puussa oli kosteutta, sitä nopeammin kondensaattori saavutti täyden latauksen. Jos puun resistanssi oli korkea (kosteus oli alhainen), lamppu vilkkui hitaasti.

Seuraavien kymmenen vuoden aikana kehitettiin uudentyyppinen sähköinen kosteusmittari: tyhjiöputkimittari. Tässä mittarissa käytettiin tyhjiöputkijännitemittaria osana Wheatstonen siltapiiriä, jossa vastus mittaa mitattavaa puuta vasten. Tyhjiöputkimittari on suora edeltäjä nykyään käytettäville vastuskosteusmittareille.

1940-luvun puoliväliin mennessä tappityyppisiä mittareita oli kaupallisesti saatavilla. Ne toimivat (ja toimivat edelleen) mittaamalla sähkövirran kulkua puuhun työnnettyjen antureiden välillä. Kuten varhaisissa vilkkutyyppisissä mittareissa, antureiden välillä kulkeva suurempi virta tarkoitti suurempaa kosteutta puussa.

Kuivassa puussa, jossa ei ole paljon sähköä johtavaa kosteutta, on niin suuri vastus, että virtaa on hyvin vähän. Joissakin varhaisissa neulamittareissa käytettiin neljää anturia. Nykyaikaisissa neulatyyppisissä kosteusmittareissa tarvitaan vain kaksi anturia.

Vastusmittareiden tullessa markkinoille tutkijat selvittivät myös, miten dielektrisiä ominaisuuksia voitaisiin käyttää puun kosteuden mittaamiseen. Dielektriset materiaalit ovat eristeitä, mutta sähkökenttä voi silti kulkea niiden läpi ja polarisoida ne. Tämä tutkimus johti lopulta kahteen muuhun puun kosteusmittausmenetelmään, jotka toimivat kahdella eri dielektrisellä periaatteella.

Syventymättä liikaa sähkötekniikkaan, nämä kaksi dielektristä mittarityyppiä käyttivät radioaaltoja kosteustasojen mittaamiseen. Tehohäviömittari tarkastelee, kuinka paljon sähkömagneettista energiaa häviää, mikä korreloi kosteustasojen kanssa. Kapasitanssikosteusmittari tarkastelee sen sijaan, kuinka paljon sähköenergiaa puu pystyy varastoimaan. Yhteistä niille on käytännössä se, että kumpikaan ei vaadi neuloja puun pinnan läpi työntämiseen.

Sen sijaan he käyttävät anturilevyjä, jotka lähettävät radiotaajuutta puun läpi. USDA:n metsähallinnon metsätuotelaboratorio (FPL) oli kehittänyt kapasitanssityyppisen laitteen puun kosteuden mittaamiseen, mutta sitä ei ollut kaupallisesti saatavilla. Tähän mennessä monet valmistajat myivät neulatyyppisiä kosteusmittareita.

Sähkökäyttöisten puun kosteusmittareiden nykyaika

1960-luvun alkupuolella markkinoilla oli yksi yleinen tehohäviötyyppinen kosteusmittari. Tänä aikana Wagner Metersin perustaja Delmer Wagner työskenteli sahalla Redmondissa, Oregonissa. Kuten muutkin sahat, se käytti suurta, kömpelöä, tyhjiöputkilla rakennettua kosteusmittaria.

Vuonna 1963 Delmer kehitti ensimmäisen transistoreita käyttävän linjaan kytkettävän kosteusanturin, mikä teki siitä pienemmän, luotettavamman ja helpommin kalibroitavan. Vuonna 1965 hän perusti Wagner Electronicsin (nykyään nimellä Wagner Meters), joka rakensi linjaan kytkettäviä kosteusmittareita puuteollisuudelle.

Vuosikymmenten ajan lähes kaikki kädessä pidettävät puun kosteusmittarit olivat neulamittareita. Saatavilla olevat neulattomat mittarit olivat suuria, vaikeasti kalibroitavia ja liian herkkiä ympäristöolosuhteille, joten neulamittareiden markkinat kukoistivat, kun taas neulattomia mittareita oli hyvin vähän.

Wagner esitteli ensimmäisen neulattoman puun kosteusmittarinsa, L600:n, vuonna 1980. Sen neulattomat mittarit käyttävät sähkömagneettista aaltotekniikkaa ja ovat vähemmän herkkiä ympäristön ja puun lämpötilalle. 1990-luvun alussa Wagner kehitti pienempiä kädessä pidettäviä neulattomia mittareita, jotka oli suunniteltu puulattioille ja puuntyöstöasiakkaille, joiden piti skannata puutavaraa nopeasti.

Myöhemmin Wagner-mittareihin lisättiin digitaalinäytöt ja mikroprosessorit, ja mittarit pienenivät jatkuvasti. Tarkkuustutkimukset ovat havainneet, että Wagnerin neulattomat mittarit voivat antaa tarkempia lukemia kuin neulamittarit, mikä kyseenalaistaa yleisen oletuksen, että neulamittarit ovat tarkempia.

Sekä neulamallisten että neulattomien mittareiden perusteknologiat pysyvät muuttumattomina. Nykyään useimmat puun kosteusmittareiden edistysaskeleet keskittyvät mittareihin ja niihin liittyviin palveluihin sisällytettyihin lisäarvoa tuoviin ominaisuuksiin.

Wagnerin Orion^® puun kosteusmittareiden linja sisältää ominaisuuksia, jotka helpottavat puusepän elämää.

Esimerkiksi Orion-mittarit voidaan kalibroida paikan päällä jokaisen mittarin mukana tulevalla On-Demand-kalibraattorilla sen sijaan, että ne lähetettäisiin takaisin tehtaalle uudelleenkalibrointia varten, mikä maksaa ja vie aikaa.

Jotkin hyödyllisimmistä lisäarvoa tuovista ominaisuuksista parantavat mittarin tiedonkeruuta ja -hallintaa. Tietäen, että tasapainokosteuspitoisuus Puun käyttöpaikan sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) on elintärkeä kosteusvaurioiden estämiseksi, joten Orion 950 laskee EMC:n puolestasi.

Mittari mittaa ympäristön lämpötilan ja suhteellisen kosteuden ja käyttää niitä sähkömagneettisen yhteensopivuuden (EMC) laskemiseen. Tätä EMC-arvoa voidaan sitten käyttää "tavoittekosteuspitoisuutena" projektissasi tai kuivumismallien ennustamiseen. Kosteusmittariin perustuvat EMC-laskelmat vapauttavat käyttäjät EMC:n itse laskemisen vaivasta ja epävarmuudesta.

Neulattomat mittarit osoittautuvat tarkemmiksi ja luotettavammiksi kuin neulatyyppiset kosteusmittarit

Sekä neula- että neulattomat kosteusmittarit perustuvat puun sähköisiin ominaisuuksiin, mutta ne mittaavat erilaisia ​​ominaisuuksia. Yksinkertaisesti sanottuna neulamittarin lukemiin vaikuttaa puun kemiallinen koostumus ja neulattoman mittarin lukemiin sen tiheys (ominaispaino).

Sekä kemiallinen koostumus että tiheys vaihtelevat lajikohtaisesti. Tästä syystä molemmat mittarit on säädettävä mitattavan lajin mukaan tarkan kosteuslukeman saamiseksi.

FPL:n mukaan mittarilukeman tarkkuuteen vaikuttavia tekijöitä ovat sääolosuhteet, elektrodin kosketus, puun lämpötila ja käyttäjän ammattitaito. Monet näistä tekijöistä vaikuttavat tappityyppisiin kosteusmittareihin helpommin kuin tappittomiin mittareihin. Tutkimukset ovat osoittaneet, että tappittomat mittarit ovat usein tarkempia ja luotettavampia kuin tappi- (vastus-) mittarit.

Esimerkiksi neulamittarit ovat erittäin herkkiä puun lämpötilalle. Kun puu on paljon lämpimämpää tai viileämpää kuin noin 70 °F, käyttäjän on korjattava lukemat puun lämpötilan mukaan.

Puun lämpötilan säätö on vain yksi tapa, jolla mittarin käyttäjän subjektiivinen taito voi vaikuttaa neulamittarin tarkkuuteen. Neulamittarit vaativat myös tarkkaa käyttäjän taitoa sen varmistamiseksi, että molemmat elektrodit on työnnetty oikein puuhun ja oikeaan syvyyteen. Ilman asianmukaista kohdistusta tai syvyyttä elektrodit eivät välttämättä mittaa kosteutta tarkasti kyseisen kohdan kosteustasolla.

Kriittisin käyttäjän taito neulattomassa kosteusmittarissa on yksinkertaisesti varmistaa, että anturilevyt ovat tasaisesti puun pinnalla.

Siksi tapittomia mittareita ei tyypillisesti käytetä polttopuun tai muun karkean, epätasaisen puun mittaamiseen. Koska tapittomat mittarit ovat niin nopeita ja helppokäyttöisiä, puusepät ottavat niillä yleensä enemmän lukemia kuin tapimittareilla, ja useammat lukemat antavat tarkemman kuvan puuerän kosteusolosuhteista.

Puun kosteusmittareiden historia: kokeilusta ja erehdyksestä välttämättömäksi puuntyöstötyökaluksi

Kun puuteollisuus kasvoi vauhdilla teollisen vallankumouksen myötä 19-luvulla, on loogista, että puutehtaat etsivät tapoja nopeuttaa kuivumisprosessia tavoilla, jotka eivät tuhoaisi puuta. Heidän kokeilu- ja erehdysmenetelmänsä sekä heidän anekdoottinen tietämyksensä sääkuivauksesta auttoivat heitä innovoimaan.

He ymmärsivät, kuinka kiertoilma auttoi maksimoimaan tuotokset mahdollistamalla alhaisempien lämpötilojen käytön puutavaran kuivaamiseen. He näkivät, miten eri puulajit reagoivat samanlaisissa olosuhteissa. Heidän käytännön tutkimuksensa muodostivat muodollisen puutieteen perustan.

Tieteellisen ja akateemisen tutkimuksen ansiosta ymmärryksemme puun fysikaalisista ja mekaanisista ominaisuuksista laajeni merkittävästi 20-luvulla. Tämän tutkimuksen avulla teollisuus on pystynyt määrittämään, miten kosteus liikkuu puun läpi ja miten liiallinen kosteus vaikuttaa puuhun negatiivisesti.

Ympyrän sulkeutuessa puuteollisuus on hyödyntänyt puutieteen saavutuksia kehittääkseen työkaluja, joita tarvitaan puun kosteuspitoisuuden mittaamiseen sekä suoraan että epäsuorasti suurella tarkkuudella.

Kun puutiede paljasti lisää puun kosteuden ja sähkön vuorovaikutuksesta, mittauslaitteiden valmistajat hyödynsivät näitä edistysaskeleita rakentaakseen kaupallisesti kannattavia kosteusmittareita, erityisesti kannettavia mittareita.

Luotettavien ja tarkkojen kädessä pidettävien puun kosteusmittareiden avulla jokainen puuseppä, sahalaitoksen kuljettajasta viikonloppuharrastajaan, voi tehdä tietoon perustuvia päätöksiä siitä, milloin puu on valmis ottamaan seuraavan askeleen matkallaan kohti aiottua käyttötarkoitustaan. Puun kosteusmittareista on tullut monien puuseppien perusväline, ja nyt kun tarkkojen kosteustietojen saaminen on näin helppoa, ei ole juurikaan syytä työskennellä ilman niitä.

Osta Orionin kosteusmittareita

Päivitetty viimeksi 9. lokakuuta 2026