Puun kosteusmittareiden historia

Tappityyppinen puun kosteusmittari

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

Onneksi ymmärrämme nykyään hyvin puun hygroskooppiset ominaisuudet. Näin ollen olemme pystyneet hyödyntämään tätä tietoa suunnitellaksemme puun kosteusmittareita, jotka voivat antaa meille mitattavaa 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 asetetaan tasaisesti puun pinnalle ja mittaavat puun läpi lähettämänsä sähköaallon 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 tason on oltava kosketuksissa puuhun lukeman aikana.

Orion 950 Älykäs Pinless Puun Kosteusmittari

Puun kosteuspitoisuuden mittaaminen voi olla hidasta, jos tappia joudutaan asettamaan tai vasaroimaan tappimittaria käytettäessä. 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 käyttää eivätkä ole yhtä alttiita fyysisille vaurioille kuin neulaelektrodit.

Mutta tässä sitä ollaan. Sähkökäyttöisillä kosteusmittareilla on lähes 100 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) = (Lähtöpaino – 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 vahvistivat ensimmäisen kerran ajatuksen puun sähköisten ominaisuuksien käytöstä sen kosteuspitoisuuden mittaamiseen 1920-luvun lopulla. Yksi ensimmäisistä kannettavista sähköisistä puun kosteusmittareista, joista olemme löytäneet dokumentaatiota, on "vilkkutyyppinen" mittari vuodelta 1927. Tässä mittarissa oli neonlamppu kiinnitettynä kondensaattoriin, joka oli kosketuksissa puun kanssa. Kondensaattori absorboi puun läpi kulkevan varauksen. Kun kondensaattori oli täyteen latautunut, neonlamppu syttyi lyhyesti. Mitä nopeammin kondensaattori latautui, sitä nopeammin lamppu vilkkui.

Kondensaattorin latautumisnopeus riippui puun resistanssista. Koska kosteus johtaa sähköä, mitä enemmän puussa on kosteutta, sitä nopeammin kondensaattori saavuttaa täyden latauksen. Jos puussa on suuri resistanssi (eli vähän kosteutta), lamppu vilkkuu 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 neulatyyppisiä mittareita oli kaupallisesti saatavilla. Ne toimivat (ja toimivat edelleen) mittaamalla sähkövirran kulkua puuhun työnnettyjen antureiden välillä. Kuten varhaisissa vilkkutyyppisissä mittareissa, mitä suurempi virta kulki antureiden välillä, sitä alhaisempi kosteustaso oli.

Ilman korkeiden kosteustasojen johtavuutta kuiva puu loi vastuksen, joka lähes eliminoi virran kulun. 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 voivat siirtää sähkövirtoja olematta itse johtimia. Tämä tutkimus johti lopulta kahteen muuhun puun kosteusmittausmenetelmään, jotka toimivat kahdella eri dielektrisellä periaatteella.

Sukellematta liikaa sähkötekniikkaan, nämä kaksi dielektristä mittarityyppiä käyttivät radioaaltoja kosteustasojen mittaamiseen. Tehohäviömittari tarkastelee, kuinka paljon sähkömagneettista energiaa häviää, mikä korreloi kosteustasojen kanssa. Kapasitanssikosteusmittari käyttää päinvastaista lähestymistapaa. Se tarkastelee, kuinka paljon sähköenergiaa voidaan varastoida. Käytännön tasolla niillä on yhteistä se, että kumpikaan ei vaadi neuloja puun pinnan läpimurtoon.

Sen sijaan he käyttävät anturilevyjä, jotka lähettävät radiotaajuutta puun läpi. Yhdysvaltain maatalousministeriön metsäteollisuuslaboratorio (FPL) oli kehittänyt kapasitanssityyppisen laitteen puun kosteustasojen mittaamiseksi, 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 sähköasentajana sahalla Oregonissa. Sahalla käytettiin suurta ja kömpelöä tyhjiöputkista linjassa olevaa kosteusmittaria.

Kosteusmittarin rakentamiseksi, joka olisi sekä pienempi että helpommin kalibroitava, Delmer suunnitteli ensimmäisen linjaan integroitavan kosteusmittarin. Tämä linjaan integroitu kosteusmittausjärjestelmä käytti transistoreita kosteuden mittaamiseen. Delmer jätti lopulta sahan ja perusti vuonna 1965 Wagner Electronicsin (nykyään nimellä Wagner Meters), joka rakensi linjaan integroituja kosteusmittareita puuteollisuudelle.

Lähes kaikki 1980-luvun lopulla markkinoilla olleet kädessä pidettävät puun kosteusmittarit olivat neulakosteusmittareita. Nämä uudet neulattomat kosteusmittarit olivat kuitenkin edelleen melko suuria, vaikeasti kalibroitavia ja liian herkkiä ympäristöolosuhteille. Tämän seurauksena neulakosteusmittareiden markkinat kukoistivat, kun taas neulattomia mittareita oli hyvin vähän.

1990-luvulla Wagner Meters ryhtyi kehittämään neulatonta puun kosteusmittaria, joka ratkaisi tuolloin markkinoilla olleiden neulattomien mittareiden puutteet. Wagner Metersin ensimmäisessä kädessä pidettävien neulattomien kosteusmittareiden sarjassa oli parannettu sähkömagneettisia aaltoja käyttävä piiri, joka johti tarkempiin kosteuslukemiin.

Lisäksi piiri oli vähemmän herkkä ympäristön ja puun lämpötilalle. Wagner Meters pystyi myös pienentämään kädessä pidettävän mittarin kokoa merkittävästi markkinoilla aiemmin saatavilla olevasta mittarista. Muiden valmistajien tapittomat mittarit painoivat yleensä vähintään 10 paunaa. Alkuperäiset kosteusmittarit oli suunniteltu sahoille, mutta Wagner Meters lisäsi valikoimaansa nimenomaan puuseppiä varten suunnitellun mittarin 1990-luvun puoliväliin mennessä.

Wagnerin pinnittömien kosteusmittareiden alkuperäinen mallisto oli analoginen. Analoginen mallisto korvattiin digitaalisten pinnittömien kosteusmittareiden mallistolla 2000-luvun alussa. Näissä mittareissa käytettiin mikroprosessoreita, joten Wagnerin kädessä pidettävien mittareiden koko pieneni edelleen. Tähän mennessä lukuisat tutkimukset olivat vahvistaneet, että Wagnerin neulattomat mittarit antoivat tarkempia lukemia kuin neulakosteusmittarit.

Nämä tutkimukset ovat merkittäviä, koska ne kumosivat laajalle levinneen oletuksen, että neulamittarit olivat tarkempia kuin neulattomat mittarit. Sekä neulatyyppisissä että neulattomissa mittareissa käytetyt perusteknologiat ovat pysyneet muuttumattomina. Nykyään useimmat puun kosteusmittareiden edistysaskeleet keskittyvät mittareihin ja niihin liittyviin palveluihin sisällytettyihin lisäarvoa tuoviin ominaisuuksiin.

Orion-sarjan digitaaliset neulattomat puun kosteusmittarit.

Tämän seurauksena Wagnerin Uusin puun kosteusmittareiden sarja, Orion®, sisältää uusia, hienostuneita ominaisuuksia, jotka helpottavat puuseppien elämää.

Esimerkiksi Orion-mittarit ovat markkinoiden ainoat, jotka voidaan kalibroida paikan päällä jokaisen Orion-mittarin mukana toimitettavalla On-Demand-kalibraattorilla. Kaikki muut kädessä pidettävät mittarit on lähetettävä valmistajalle tehdaskalibrointia varten, mikä maksaa aikaa ja rahaa.

Jotkin hyödyllisimmistä lisäarvoa tuovista ominaisuuksista parantavat mittarin tiedonkeruu- ja hallintatoimintoja. Koska käyttöpaikan kosteuspitoisuuden tasapainopisteen (EMC) tunteminen on niin tärkeää puun suojaamiseksi tulevilta kosteusvaurioilta, että Orion 950:n toimintoihin kuuluu sähkömagneettisen yhteensopivuuden (EMC) laskeminen käyttäjille.

Kosteusmittari kerää ympäristön lämpötilan ja suhteellisen kosteuden lukemia, joita se käyttää 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

Vaikka sekä neula- että neulattomat kosteusmittarit toimivat puun sähköisten ominaisuuksien perusteella, ne tarkastelevat kumpikin eri ominaisuuksia. Yksinkertaisesti sanottuna neulamittarit reagoivat puun kemiallisiin ominaisuuksiin ja neulattomat mittarit puun ominaispainoon.

Sekä puukappaleen kemiallinen koostumus että tiheys vaihtelevat puulajista riippuen. 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 vastusmittarit.

Esimerkiksi neulamittarit ovat erittäin herkkiä puun lämpötiloille, mikä voi häiritä tarkan lukeman saamista. Jos ilman lämpötila on paljon poikkeava jompaankumpaan suuntaan, käyttäjän on säädettävä mittarin lukemat sen tarkan ilman lämpötilan perusteella, jossa ne mitattiin.

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.

Tästä syystä neulattomia mittareita ei yleensä voida käyttää polttopuun mittaamiseen. Muuten neulamittarin nopea ja helppokäyttöinen käyttökokemus tarkoittaa, että puusepät ottavat sillä yleensä enemmän lukemia kuin neulattomilla mittareilla. Mitä enemmän kosteustasotietoja, sitä tarkempi kuva puuerän kosteustilasta on.

Ilmainen lataus – Onko neula- vai neulaton kosteusmittari paras sinulle?

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.

Wagner Metersin Orion-mittarit ovat ainoita saatavilla olevia neulattomia puun kosteusmittareita, jotka voidaan todella kalibroida kentällä sen sijaan, että ne lähetettäisiin takaisin tehtaalle uudelleenkalibrointia varten.

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.

Puuntutkimuksen paljastuessa lisää puun kosteuden ja sähkön vuorovaikutuksesta, mittauslaitteiden valmistajat hyödynsivät näitä edistysaskeleita suunnitellakseen ja rakentaakseen kaupallisesti kannattavia kosteusmittareita – erityisesti kädessä pidettäviä kosteusmittareita.

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. Tehokkaana työkaluna puun kosteusmittarit ovat nykyään lähes kaikkien puuseppien perusväline, mikä herättää vain kysymyksen, miksi kaikki puuseppä eivät käytä niitä.

Nyt kun kuka tahansa voi saada tarkkoja tietoja puun kosteusolosuhteista kädessä pidettävän kosteusmittarin avulla, heillä on myös velvollisuus tehdä niin.

Tony Morgan

Tony Morgan on vanhempi teknikko Wagner Metersillä, jossa hän työskentelee tuotetestauksen, kehityksen sekä kosteusmittauslaitteiden asiakaspalvelun ja koulutuksen tiimissä. Tonylla on 19 vuoden kenttäkokemus useista elektroniikkayrityksistä, ja hänellä on kandidaatin tutkinto johtamisesta ja AAS-tutkinto elektroniikkatekniikasta.

Päivitetty viimeksi 10. tammikuuta 2025