История измерителей влажности древесины

Измеритель влажности древесины штифтового типа

Еще до того, как наука о взаимосвязи древесины с влагой стала досконально изученной, мастера по обработке древесины должны были учитывать, как влага будет влиять на их материалы.

К счастью, сегодня мы хорошо понимаем гигроскопические свойства древесины. Таким образом, мы смогли использовать эти знания для разработки измерителей влажности древесины, которые могут предоставить нам количественные данные о состоянии влажности куска древесины. По мере развития нашего коллективного понимания развивались и методы тестирования.

Сегодня существует два основных типа ручных измерителей влажности древесины: штифтовые и бесштифтовые. Каждый из них опирается на различные электрические свойства, на которые влияет количество влаги, удерживаемое в измеряемой древесине, что мы подробно рассмотрим далее в этой статье.

На данный момент достаточно сказать, что штыревые счетчики используют два гвоздеобразных электрода, которые вставляются в древесину и измеряют ток, протекающий между ними. Бесштыревые счетчики используют сенсорные пластины, которые лежат плоско на поверхности древесины и измеряют поведение электрической волны, которую они посылают через древесину.

Не вдаваясь в научные подробности каждого типа влагомера, наиболее очевидные различия между ними заключаются в том, как они воздействуют на измеряемую древесину, и в том, насколько просты в использовании.

Штифтовые измерители оставляют отверстия в измеряемой древесине. Это делает их полезными для оценки содержания влаги в дровах или кусках дерева, где оставление нескольких отверстий не окажет негативного влияния на структурную целостность или эстетику конечного продукта.

Напротив, бесштифтовые измерители не оставляют никаких физических маркеров. Их можно использовать только на плоской древесине, и вся плоскость датчика должна поддерживать контакт с древесиной во время считывания.

Orion 950 Smart бесштифтовой измеритель влажности древесины

Медленный темп работы по измерению влажности древесины является еще одним результатом необходимости вставлять или забивать штифты при использовании штифтового измерителя. Вставка штифтов на нужную глубину, их извлечение и обеспечение того, чтобы штифты оставались в хорошем состоянии для снятия показаний, требует времени.

Следовательно, при оценке состояния влажности большого куска или большой партии древесины вам придется потратить значительное количество времени. Более вероятный сценарий заключается в том, что вы просто сделаете меньше показаний. Один из них увеличивает сроки и стоимость проекта, а другой означает, что вам придется принимать решения, имея в своем распоряжении меньше точек данных.

Вы можете работать гораздо эффективнее с помощью бесштыревых счетчиков, поскольку они требуют меньших физических усилий для использования и не так уязвимы к физическим повреждениям, как штыревые электроды.

Но вот где мы сейчас. Электрические влагомеры имеют почти 100-летнюю историю. Интересно, что они также все еще полагаются на еще более старый метод – сушку в печи – для проверки своей точности. Чтобы оценить, как работают современные ручные влагомеры древесины, стоит углубиться в эволюцию технологии, на которую они полагаются.

Методы сушки в печи являются золотым стандартом для измерения влажности древесины

Самый ранний метод сушки древесины — это сушка на воздухе или «сушка под воздействием атмосферных условий». Это занимает время. Древесину часто оставляли на годы, прежде чем ее использовали. Ранние попытки ускорить процесс сушки привели к строительству различных типов «сухожаровых домов». Это были простые конструкции, установленные над землянками-подвалами, в которых находилась кирпичная или плиточная печь.

В Соединенных Штатах использование «сухих домов» не было нормой, отчасти потому, что они представляли огромный риск возникновения пожара. В 1850-х годах проводились некоторые эксперименты с использованием паровых труб, но они не прошли хорошо. В конце концов, первые успешные печи для сушки древесины, сушильные камеры с некоторой теплоизоляцией, появились на Среднем Западе в 1870-х годах.

Методом проб и ошибок операторы печей обнаружили, что сушка древесины при более низких температурах с циркулирующим воздухом дает лучшие результаты, чем включение высокой температуры. В конце концов, подход проб и ошибок предприятий, стремящихся минимизировать время сушки при максимизации производительности, получил поддержку со стороны ученых и исследователей. Благодаря научным исследованиям исследователи начали открывать и подтверждать широкий спектр физических свойств древесины. Некоторые из их открытий включали понимание клеточной структуры и химических свойств древесины.

В свою очередь, это привело к пониманию того, как физические различия между породами древесины и даже между одними и теми же породами, выращенными в разных местах, влияют на процесс сушки древесины.

Благодаря развитию исследований древесины ученые разработали формулу для определения содержания влаги в куске древесины в зависимости от его веса, выраженную в процентах.

Содержание влаги (ВВ) = (Исходный вес – вес в сухом состоянии)/вес в сухом состоянии * 100

Таким образом, метод сушки в печи обеспечивает прямое измерение влажности куска древесины. Если у вас есть печь для сушки древесины, вы можете взвесить древесину как до, так и после того, как она пройдет цикл сушки в печи. ASTM D4442 (стандартный метод испытаний для прямого измерения влажности древесины и древесных материалов) утверждает, что сушка в печи обеспечивает «наивысшую точность или степень достоверности» и является «эталонным (первичным) стандартом для определения влажности древесины и древесных материалов».

В результате древесина, высушенная в печи в соответствии со стандартом ASTM D4442, используется в качестве контрольной точки для калибровки ручных влагомеров. ASTM D4444 (стандартный метод испытаний для лабораторной стандартизации и калибровки ручных влагомеров).

Ручные влагомеры обеспечивают косвенное измерение влажности. Поскольку вода проводит электричество, ручные влагомеры собирают данные о поведении электрических токов или волн в куске дерева. Затем эти данные используются вместе с другими соответствующими точками данных для расчета содержания влаги в древесине.

Эволюция электрических измерителей влажности древесины

Человечество давно поняло, что древесина содержит влагу; что она высыхает и может снова впитывать влагу при контакте с водой. По правде говоря, ученые также знали о связи между водой и электричеством почти с того момента, как было открыто электричество. В частности, они знали, что вода проводит электричество, даже если специфический химический процесс, происходящий в воде, позволяющий электрическим зарядам проходить через нее, был недавно задокументирован.

Исследователи впервые подтвердили идею о том, что мы можем использовать электрические свойства древесины в качестве меры ее влажности, в конце 1920-х годов. Одним из первых портативных электрических измерителей влажности древесины, документация на которые мы находим, является измеритель «мигающего типа», выпущенный в 1927 году. Этот измеритель имел неоновую лампу, прикрепленную к конденсатору, который контактировал с древесиной. Конденсатор поглощал заряд, проходящий через древесину. Когда конденсатор был полностью заряжен, неоновая лампа ненадолго загоралась. Чем быстрее конденсатор мог перезаряжаться, тем быстрее мигала лампа.

Скорость перезарядки конденсатора зависела от сопротивления древесины. Поскольку влага проводит электричество, чем больше влаги в древесине, тем быстрее конденсатор достигал полной зарядки. Если бы в древесине было высокое сопротивление (т. е. низкая влажность), то лампа бы мигала медленно.

В течение следующих десяти лет был разработан новый тип электрического влагомера: вакуумный трубчатый измеритель. Этот измеритель использовал вакуумный трубчатый вольтметр как часть мостовой схемы Уитстона, которая использует резистор для измерения относительно измеряемой древесины. Вакуумный трубчатый измеритель является прямым предшественником резистивных влагомеров, используемых сегодня.

К середине 1940-х годов появились коммерчески доступные штифтовые измерители. Они работали (и работают до сих пор) путем измерения потока электрического тока между зондами, вставленными в древесину. Как и в случае с ранним измерителем мигающего типа, чем больше ток, проходящий между зондами, тем ниже уровень влажности.

Без проводимости высокого уровня влажности сухая древесина оказывала сопротивление, которое почти исключало прохождение тока. Некоторые ранние штифтовые измерители использовали четыре зонда. Современные штифтовые измерители влажности требуют только два зонда.

В этот период, когда на рынке появились измерители сопротивления, исследователи также изучали, как диэлектрические свойства могут быть использованы для измерения влажности древесины. Диэлектрические материалы могут проводить электрический ток, не будучи сами проводниками. Это исследование в конечном итоге привело к двум другим типам методов тестирования влажности древесины, которые работают на двух различных диэлектрических принципах.

Не вдаваясь слишком глубоко в электротехнику, эти два типа диэлектрических измерителей использовали радиоволны для измерения уровня влажности. Измеритель потери мощности смотрит, сколько электромагнитной энергии теряется, что коррелирует с уровнем влажности. Емкостный измеритель влажности использует противоположный подход. Он смотрит, сколько электрической энергии может быть сохранено. Что у них общего на практическом уровне, так это то, что ни один из них не требует штифтов для пробития поверхности древесины.

Вместо этого они используют сенсорные пластины, которые излучают радиочастоту через древесину. Лаборатория лесной продукции (FPL) Министерства сельского хозяйства США разработала машину емкостного типа для измерения уровня влажности древесины, но она не была доступна для продажи. К этому времени многие производители продавали измерители влажности в виде штифтов.

Современная эра электрических измерителей влажности древесины

К началу 1960-х годов на рынке появился один распространенный измеритель влажности с потерей мощности. В этот период Делмер Вагнер, основатель Wagner Meters, работал электриком на лесопилке в Орегоне. На лесопилке использовался большой, громоздкий вакуумный трубчатый линейный детектор влажности.

Чтобы создать измеритель влажности, который был бы меньше и проще в калибровке, Делмер спроектировал первый линейный измеритель влажности. Эта линейная система измерения влажности использовала транзисторы для измерения влажности. В конце концов Делмер ушел с лесопилки и в 1965 году основал Wagner Electronics (сегодня известную как Wagner Meters), которая производила линейные измерители влажности для лесной промышленности.

Почти все ручные измерители влажности древесины на рынке до конца 1980-х годов были штифтовыми влагомерами. Однако эти новые бесштифтовые влагомеры были все еще довольно большими, их было трудно калибровать, и они были слишком чувствительны к условиям окружающей среды. Следовательно, рынок штифтовых влагомеров процветал, в то время как бесштифтовых измерителей было очень мало.

В 1990-х годах компания Wagner Meters приступила к разработке бесштырькового измерителя влажности древесины, который устранял недостатки бесштырьковых измерителей, которые тогда продавались на рынке. Первая линейка ручных бесштырьковых измерителей влажности компании Wagner Meters имела улучшенную схему, использующую электромагнитные волны, что приводило к более точным показаниям влажности.

Кроме того, схема была менее чувствительна к температуре окружающей среды и древесины. Wagner Meters также смогла значительно уменьшить размер ручного измерителя по сравнению с тем, что в настоящее время было доступно на рынке. Измерители без штифта от других производителей обычно весили не менее 10 фунтов. Первоначальные измерители влажности были разработаны для лесопилок, но к середине 1990-х годов Wagner Meters добавили один, специально разработанный для деревообработчиков.

Первоначальная линейка бесштифтовых влагомеров Wagner была аналоговой. Аналоговая линейка была заменена линейкой цифровых бесштифтовых влагомеров в начале 2000-х годов. Эти измерители использовали микропроцессоры, поэтому размер ручного измерителя Wagner продолжал уменьшаться. К этому времени многочисленные исследования подтвердили, что Бесштифтовые влагомеры Wagner показали более точные показания, чем штифтовые влагомеры.

Эти исследования имеют важное значение, поскольку они развенчали широко распространенное предположение, что штифтовые измерители точнее, чем бесштифтовые. Основные технологии, используемые как в штифтовых, так и в бесштифтовых измерителях, остаются неизменными. Сегодня большинство достижений в области измерителей влажности древесины сосредоточены на дополнительных функциях, встроенных в измерители и связанные с ними услуги.

Линейка цифровых бесштифтовых измерителей влажности древесины Orion.

В результате Вагнер новейшая линейка измерителей влажности древесиныOrion® оснащен новыми, усовершенствованными функциями, которые облегчают жизнь плотникам.

Например, счетчики Orion — единственные на рынке, которые можно калибровать на месте с помощью калибратора On-Demand, который поставляется с каждым счетчиком Orion. Все остальные ручные счетчики необходимо отправлять производителю для заводской калибровки, что требует времени и денег.

Некоторые из наиболее полезных дополнительных функций улучшают сбор и управление данными счетчика. знание точки равновесия влажности (ЭВК) в месте использования настолько важен для защиты древесины от будущих повреждений, связанных с влагой, что функциональность Orion 950 включает расчет ЭМС для пользователей.

Измеритель без штифта собирает показания температуры окружающей среды и относительной влажности, которые он использует для расчета ЭМС. Затем этот ЭМС можно использовать в качестве «целевого содержания влаги» для проекта, над которым вы работаете, или использовать для прогнозирования схем высыхания. Расчеты ЭМС на основе измерителя влажности избавляют пользователей от хлопот и неопределенности, связанных с расчетом ЭМС самостоятельно.

Измерители влажности без штифта оказались точнее и надежнее, чем измерители влажности со штифтом

Хотя штифтовые и бесштифтовые измерители влажности работают на основе того, как электрические свойства действуют на древесину, каждый из них смотрит на разные свойства. Проще говоря, штифтовые измерители реагируют на химические свойства древесины, а бесштифтовые измерители реагируют на удельный вес древесины.

Химический состав и плотность древесины различаются в зависимости от породы дерева. Вот почему оба измерителя требуют настройки для измеряемой породы, чтобы получить точные показания влажности.

Согласно FPL, некоторые из проблем, которые влияют на точность показаний счетчика, — это погодные условия, контакт электродов, температура древесины и мастерство оператора. Многие из этих проблем сильнее влияют на влагомеры штифтового типа, чем на бесштифтовые. Исследования показали, что бесштифтовые счетчики часто точнее и надежнее резистивных.

Например, штифтовые измерители очень чувствительны к температуре древесины, что может помешать получению точных показаний. Если температура воздуха сильно отличается от этой отметки в любом направлении, оператор должен скорректировать показания измерителя на основе точной температуры воздуха в месте, где они были получены.

Регулировка температуры древесины — это только один из способов, с помощью которого субъективные навыки оператора могут повлиять на точность штифтового измерителя. Штифтовые измерители также требуют точного мастерства оператора, чтобы гарантировать, что оба электрода правильно вбиты в древесину и на нужную глубину. Без надлежащего выравнивания или глубины электроды могут неточно измерять влажность для уровня влажности этого места.

Самым важным навыком оператора при установке бесштифтового влагомера является простое обеспечение того, чтобы сенсорные пластины лежали ровно на поверхности древесины.

По этой причине бесштифтовые измерители обычно не подходят для дров. В противном случае быстрый и простой пользовательский интерфейс штифтового измерителя означает, что плотники обычно снимают с его помощью больше показаний, чем с бесштифтовыми измерителями. Наличие большего количества данных об уровне влажности дает более точную картину состояния влажности партии древесины.

Бесплатная загрузка – Какой измеритель влажности лучше: штифтовой или бесштифтовой?

История измерителей влажности древесины: от проб и ошибок до незаменимого инструмента для деревообработки

Поскольку лесозаготовительная промышленность росла быстрыми темпами с промышленной революцией в 19 веке, логично, что лесозаготовительные заводы искали способы ускорить процесс сушки способами, которые не разрушали бы древесину. Их метод проб и ошибок, наряду с их анекдотичными знаниями о сушке под воздействием погоды, помогли им вводить новшества.

Они поняли, как циркулирующий воздух помогает максимизировать выходы, позволяя использовать более низкие температуры для сушки древесины. Они увидели, как разные виды древесины реагируют в схожих обстоятельствах. Их практические исследования стали основой формализованной науки о древесине.

Счетчики Orion от Wagner Meters — единственные из имеющихся на рынке измерители влажности древесины без штифта, которые можно по-настоящему откалибровать в полевых условиях, а не отправлять на завод для повторной калибровки.

Благодаря строгости научных и академических исследований наше понимание физических и механических свойств древесины значительно расширилось на протяжении 20-го века. Благодаря этим исследованиям отрасль смогла определить, как влага перемещается через древесину и как избыточная влажность негативно влияет на древесину.

Пройдя полный круг, лесная промышленность использовала достижения науки о древесине для разработки инструментов, необходимых для измерения влажности древесины как напрямую, так и косвенно, с высокой степенью точности.

По мере того, как наука о древесине узнала больше о взаимодействии влаги и электричества в древесине, производители измерителей использовали эти достижения для проектирования и создания коммерчески выгодных измерителей влажности, в частности ручных измерителей влажности.

С надежными и точными ручными влагомерами древесины каждый плотник, от оператора лесопилки до любителя, работающего по выходным, имеет возможность принимать обоснованные решения о том, когда древесина готова сделать следующий шаг на пути к своему предполагаемому использованию. Будучи таким мощным инструментом, влагомеры древесины теперь являются основным инструментом почти для всех плотников, что только наводит на вопрос, почему они не используются всеми плотниками.

Действительно, теперь, когда любой желающий может получить точную информацию о влажности древесины с помощью ручного влагомера, он несет ответственность за это.

Тони Морган

Тони Морган — старший технический специалист компании Wagner Meters, где он работает в команде по тестированию продукции, разработке, а также обслуживанию клиентов и обучению по продуктам для измерения влажности. Помимо 19-летнего опыта работы в ряде компаний, занимающихся электроникой, Тони имеет степень бакалавра в области менеджмента и степень старшего специалиста в области электронных технологий.

Последнее обновление: 10 января 2025 г.