Влажность древесины и древесных материалов играет критическую роль в процессе их обработки, влияя на качество и долговечность готовых изделий. Избыточная влажность может привести к гниению, биологическому поражению древесины и её деформации, что особенно актуально в условиях повышенной температуры и низкой влажности воздуха. В то же время, слишком сухая древесина становится хрупкой и утрачивает свою пластичность, что затрудняет её дальнейшую обработку. Поэтому эффективный контроль влажности является неотъемлемой частью деревообрабатывающих технологий.
Существуют различные методы измерения влажности древесины, начиная от простых визуальных наблюдений до использования высокотехнологичных влагомеров, которые обеспечивают точные и быстрые результаты. В данном тексте рассмотрены основные методы и приборы, применяемые для определения влажности древесины и других древесных материалов в различных производственных процессах.
Вопросы определения влажности древесины возникли одновременно с развитием деревообрабатывающих технологий. В Древнем Египте уже применялись первичные методы определения состояния древесины, однако серьёзное внимание к влажности древесных материалов было уделено лишь в XIX веке, когда деревообработка стала промышленной отраслью. Первые весовые влагомеры были разработаны в конце XIX века и использовались в лабораторных условиях для определения влажности древесины.
С развитием технологий и науки в XX веке, различные методы измерения влажности стали более доступными и разнообразными, включая электромагнитные и инфракрасные способы. В последние десятилетия инновационные разработки в области влагомеров позволили значительно улучшить точность измерений и ускорить процессы контроля влажности древесины, что сыграло важную роль в деревообработке и строительстве.
Информация о влажности древесины играет ключевую роль в правильном проведении технологических процессов деревообработки. Если уровень влажности древесных материалов слишком высок, это может привести к биологическому поражению древесины и последующей усушке деревянных изделий, что, в свою очередь, может вызвать их деформацию, в том числе покоробленность при эксплуатации в условиях высокой температуры и низкой влажности воздуха. Слишком сухая древесина, в свою очередь, становится хрупкой и плохо поддается деформации, что затрудняет ее обработку, особенно при необходимости гнутья или резки.
Процесс контроля влажности древесины непосредственно связан с процессом сушки пиломатериалов. Для этого существуют различные способы определения влагосодержания в древесине, включая весовой, кондуктометрический, индукционный, микроволновый и инфракрасный методы.
Весовой метод является одним из самых точных, но его применение ограничено лабораторными условиями, поскольку для получения точных результатов требуется от 5 до 8 часов. Для этого из доски на расстоянии 300-500 мм от торца отпиливается проба толщиной 10-12 мм. Ее тщательно очищают и взвешивают на лабораторных весах с точностью до 0,001 г. Затем пробу помещают в электрический сушильный шкаф, где она сушится при температуре 100-105°C.
Периодически пробу вынимают из шкафа для взвешивания. Изменения массы пробы продолжаются, пока она не достигнет абсолютно сухого состояния, что будет подтверждено отсутствием изменений в ее массе. Измеренная разница между массой влажного и сухого образца позволяет вычислить влажность древесины.
Для ускорения процесса существует также ускоренный сушильно-весовой метод. В данном случае образцы сушат при температуре (120±2)°C в сушильных шкафах с принудительной циркуляцией воздуха. Продолжительность сушки сокращается до 2-2,5 часов. Конечную массу определяют после охлаждения образцов в комнатных условиях в течение 2-5 минут.
Экспресс-метод также предусматривает использование весового метода, при котором с древесины снимается тонкая стружка, сразу взвешиваемая с высокой точностью. После этого стружка помещается в сушильный шкаф. После полного высушивания стружка снова взвешивается, и по изменениям массы определяется влажность. Для получения более точных результатов пробу рекомендуется расколоть перед снятием стружки с ее внутренней поверхности.
Для определения влажности древесины без приборов можно изучить стружку, снятую с древесины острой стамеской. Если древесина слишком влажная, стружка будет легко деформироваться при сжиме, в то время как сухая стружка будет крошиться и ломаться. Влажная древесина режется очень легко, и на месте пореза остается влажный след от стамески.
Влагомеры, как правило, используются для более точных измерений влажности древесины. Одним из наиболее распространенных методов является кондуктометрический метод, который измеряет электрическое сопротивление между иглами, внедренными в древесину. Процесс измерения заключается в пропускании тока через древесину и измерении усиления этого тока с помощью микроамперметра, шкала которого откалибрована в процентах влажности древесины. Этот метод позволяет точно измерять влажность в диапазоне от 7 до 30%, однако его точность снижается при показателях влажности выше 30%.
Кондуктометрический влагомер также может использоваться для дистанционного измерения влажности древесины, находящейся в сушильной камере. Однако для получения достоверных данных нужно проводить замеры в нескольких точках доски и вычислять среднее значение показаний. Дополнительно, следует учитывать погрешности, связанные с температурой древесины и возможными искажениями из-за дополнительного тепла, которое поступает от датчика.
Современные электровлагомеры обладают погрешностью в пределах 1-2% абсолютных значений и могут работать в диапазоне до 30% влажности. Эти приборы обычно имеют шкалы для разных видов древесины, таких как бук, сосна, дуб, лиственница и другие.
Метод индукционного измерения основан на использовании электромагнитных волн для определения диэлектрической проницаемости древесины, которая изменяется в зависимости от ее влагосодержания. Процесс измерения заключается в измерении изменений емкости конденсатора, где воздушная прослойка заменена древесным материалом. С увеличением влажности древесины ее диэлектрическая проницаемость увеличивается, что заметно при низкой частоте тока. Этот метод малочувствителен к изменениям температуры древесины, что позволяет избежать использования температурных коррекций.
Бесконтактные индукционные влагомеры работают в диапазоне влажности от 5 до 45% с точностью до 1-1,5%. Они могут учитывать плотность древесины и позволяют измерять влажность на глубину от 10 до 50 мм за 5 секунд. Преимуществом этого метода является его быстрота и точность, а также возможность сигнализировать, если результат выходит за пределы установленного диапазона влажности.
Индукционные влагомеры, принцип работы которых базируется на взаимосвязи диэлектрических характеристик влажного материала с его содержанием влаги, производятся различными компаниями, в том числе российскими фирмами, такими как «Интерприбор» и MetronX.
В отечественной практике популярным является портативный цифровой измеритель влажности ВСКМ-12У, который применяется для различных строительных материалов, в том числе для древесины твердых и мягких пород. Его заменителем становится экспресс-измеритель теплопроводности и влажности строительных материалов ИВТП-12 (см. рисунок 8). Этот прибор использует корреляционные связи между диэлектрическими и физическими свойствами капиллярно-пористых материалов.
Рис. 8. Экспресс-измеритель теплопроводности и влажности строительных материалов ИВТП-12
Диапазон измерения влажности данного прибора составляет от 0,3 до 60%, с погрешностью 1,5-2,5% абс. Глубина зоны контроля — не менее 50 мм, а время на одно измерение — не более 10 секунд.
Помимо измерений влажности пиломатериалов и заготовок (массивной древесины), в деревообработке важно также контролировать влажность измельченной древесины и древесных плит. Для осуществления текущего и выходного контроля на плитном производстве используются специализированные электровлагомеры.
Прибор ДИ-2М включает два датчика: один для определения влажности стружки и плит, а второй — для измерений в других материалах. Электронный блок прибора оснащен автономным питанием. Для измерений влажности измельченной древесины датчик представляет собой разъемный стакан, в котором между двумя дисковыми электродами прессуется навеска материала, с помощью которых измеряется электрическое сопротивление стружки или волокна.
Датчик для влажности древесностружечных плит состоит из четырехигольчатого зонда, который устанавливается на ручку. Электровлагомер способен измерять влажность стружки в пределах от 5% до 25%, а влажность древесностружечных плит — от 6% до 22%, с погрешностью измерений ±(1-2)% .
Сверхвысокочастотные (СВЧ) влагомеры предназначены для сыпучих материалов, используя значительное различие в электрических свойствах воды и сухого материала. Измерение влажности осуществляется путем ослабления СВЧ-излучения, проходящего через слой материала. В таких приборах лента материала движется между передающей и приемной антеннами.
Передающая антенна соединена с СВЧ-генератором, а приемная — с измерительным устройством. Чем выше влажность, тем меньше сигнал, поступающий в измерительное устройство. СВЧ-влагомеры обеспечивают измерение влажности в широком диапазоне (0-100%) с высокой точностью. На рисунке 9 представлена схема влагомера M-Sens 2.
Рис. 9. Схема СВЧ-влагомера M-Sens 2 (SWR Engineering, Германия)
Принцип работы влагомера M-Sens 2 заключается в поглощении микроволнового излучения материалом. Чем выше влажность, тем больше энергии микроволн поглощается и превращается в тепло, что снижает количество отраженного сигнала, который фиксирует датчик. Отраженное высокочастотное поле обрабатывается с помощью цифровых технологий, что позволяет достигать высокой точности измерений.
На результаты измерений оказывают влияние структура материала и степень его увлажненности. Поэтому полученная влажность пересчитывается на основе объемной плотности материала. Для этого производится калибровка прибора с использованием опорных данных влажности сырья. Несоответствия в результатах измерений, вызванные изменениями в неоднородности материала и его плотности, устраняются программными средствами. Также предусмотрена автоматическая компенсация изменений температуры окружающей среды.
Для измерений влажности сыпучих материалов прямо на конвейерной ленте разработаны влагомеры проходного типа, такие как влагомер MOISTSCAN МА-500 (рис. 10).
Рис. 10. Влагомер MOISTSCAN МА500
Принцип работы этого прибора заключается в измерении фазового сдвига и ослабления сигнала микроволн, которые проходят через материал и конвейерную ленту. Микроволны проникают через ленту и материал, а качество измерений не зависит от размеров частиц материала и скорости движения ленты. При этом влагомер автоматически компенсирует изменения скорости подачи продукта, используя рядом стоящий измеритель веса ленты или интегрированный монитор толщины слоя. Толщина слоя материала может варьироваться от 20 до 500 мм, а измеряемая влажность — от 0 до 90%, с основной погрешностью в пределах 0,1-0,5%.
Компания GreCon из Германии выпускает прибор Moisture Analyser MWF 3000 LD, который работает по принципу измерения микроволнового резонанса. Этот прибор использует дипольные свойства молекул воды. Электромагнитное поле генерируется с помощью планарного сенсора, который обеспечивает проникновение от 30 до 100 мм в зависимости от типа сенсора.
Изменения в резонансном поле регистрируются сенсором и передаются на процессор. Изменения резонансной частоты микроволнового поля зависят от уровня влажности (ширина резонансной кривой увеличивается).
Этот метод позволяет отдельно оценить влажность и плотность материала. Важным аспектом является то, что облучение не вызывает нагрева или химических изменений в древесине. Измерения эффективны вне зависимости от плотности, структуры поверхности или цвета материала. Благодаря большой глубине проникновения сигнала возможно точно определить как связанную, так и свободную влагу в древесине.
Перед использованием прибора необходимо установить калибровочные кривые для различных материалов. Прибор применяется в производстве древесных плит, в том числе на участках сушки стружки и волокна, на этапах смешивания компонентов и формирования ковра, а также при контроле качества готовой продукции. Точность измерения составляет ±2%.
Когда используется высокочастотный нагрев для склеивания древесины, требуется более точное измерение влажности, чем при использовании автоматического резистивного влагомера, например, марки GANN Hydromat. Необходимо провести контроль влажности по всей длине и по всему сечению доски. Это можно обеспечить с помощью встраиваемых в линии бесконтактных влагомеров микроволнового типа, которые выпускаются голландской компанией Brookhuis (влагомеры серии FMI) и итальянской фирмой Microtec (см. рисунок 11). В сканерах для сортировки пиломатериалов часто уже предусмотрены бесконтактные влагомеры.
Рис. 11. Схема влагомера Microtec М3 Scan
Еще один способ измерения влажности различных материалов реализован в инфракрасном влагомере Spectra Quad (см. рис. 12). Это бесконтактная система измерений, работающая в онлайн-режиме, оснащенная оптическим устройством для сбора данных. Используется свет, который абсорбируется влажным материалом. Это означает, что чем более влажный материал, тем меньше света он отразит.
Рис. 12. Схема работы ИК-влагомера Spectra-Quad: 1 — образец; 2 — датчик; 3 — фокусирующее зеркало; 4 — вращающееся колесо фильтров; 5 — источник ИК-излучения.
Влагомер Spectra-Quad работает на принципе поглощения инфракрасного излучения определенной длины волны. Интенсивность поглощения пропорциональна содержанию влаги в материале. Кварцево-галогенный источник испускает свет в нужном диапазоне длин волн, который проходит через вращающиеся фильтры. Оптические фильтры разделяют свет на измерительные и опорные лучи. Отраженная энергия преобразуется в электрические сигналы, пропорциональные содержанию влаги в материале.
Интересные факты:
-
Изменения в структуре древесины: С увеличением влажности древесины её клеточная структура изменяется, что влияет на физические и механические свойства материала. Это особенно важно при изготовлении деревянных конструкций и мебели.
-
Влияние температуры: Современные влагомеры учитывают влияние температуры на измерения, так как при разных температурах сопротивление древесины может изменяться, что необходимо учитывать для точности замеров.
-
Использование СВЧ-технологий: Влагомеры, использующие сверхвысокочастотные (СВЧ) микроволны, могут измерять влажность сыпучих материалов, таких как древесные опилки и стружка, без необходимости контакта с образцом, что делает их более универсальными и удобными.
-
Инфракрасные влагомеры: Они позволяют получить точные данные о влажности древесины без физического контакта, что делает их идеальными для онлайн-измерений в процессе производства.
-
Ультрабыстрое измерение: Некоторые современные влагомеры могут измерять влажность материалов за менее чем 10 секунд, что значительно ускоряет производственные процессы и повышает их эффективность.
Заключение:
Измерение влажности древесины и древесных материалов является ключевым элементом для обеспечения качества продукции в деревообрабатывающей и строительной промышленности. Современные методы и средства измерения позволяют достичь высокой точности при определении влажности, что важно для предотвращения деформации древесины и повышения долговечности готовых изделий. Инновации в области измерительных технологий, включая инфракрасные и СВЧ-влагомеры, открывают новые возможности для более эффективного контроля качества материалов в реальном времени. Постоянное совершенствование этих методов обеспечит дальнейшее улучшение процессов обработки древесины, минимизируя потери и улучшая производственные показатели.
