Storia dei misuratori di umidità del legno

Misuratore di umidità del legno a perno

Anche prima che la scienza che studiava la relazione tra legno e umidità fosse pienamente compresa, i falegnami dovevano tenere conto dell'effetto dell'umidità sui loro materiali.

Fortunatamente, oggi comprendiamo bene le proprietà igroscopiche del legno. Pertanto, siamo stati in grado di utilizzare questa conoscenza per progettare misuratori di umidità del legno in grado di fornirci dati quantificabili sulle condizioni di umidità di un pezzo di legno. Con il progredire della nostra comprensione collettiva, anche i metodi di prova si sono evoluti.

Oggi esistono due tipi principali di misuratori di umidità del legno portatili: a puntale e senza puntale. Ognuno di essi si basa su proprietà elettriche diverse, influenzate dalla quantità di umidità contenuta nel legno da misurare, che approfondiremo più avanti in questo articolo.

Per ora, basti dire che i misuratori a puntale utilizzano due elettrodi a forma di chiodo che vengono inseriti nel legno e misurano la corrente che scorre tra di essi. I misuratori senza puntale utilizzano piastre sensori che si appoggiano piatte sulla superficie del legno e misurano il comportamento di un'onda elettrica che trasmettono attraverso il legno.

Senza addentrarci nei dettagli scientifici di ogni tipo di misuratore di umidità, le differenze più evidenti tra loro riguardano il modo in cui agiscono sul legno da misurare e la loro facilità d'uso.

I misuratori a spillo lasciano dei fori nel legno da misurare. Questo li rende utili per valutare il contenuto di umidità della legna da ardere o di pezzi di legno, dove lasciare più fori non compromette l'integrità strutturale o l'estetica del prodotto finale.

Al contrario, i misuratori senza puntali non lasciano alcun segno fisico. Possono essere utilizzati solo su legno piano e l'intero piano del sensore deve rimanere a contatto con il legno durante la lettura.

Misuratore di umidità del legno intelligente senza perni Orion 950

Un altro problema legato all'inserimento o al martellamento di perni quando si utilizza un misuratore di umidità è la lentezza del lavoro di misurazione del contenuto di umidità del legno. Inserire i perni alla giusta profondità, rimuoverli e assicurarsi che rimangano in buone condizioni per effettuare la lettura richiede tempo.

Di conseguenza, quando si deve valutare l'umidità di un pezzo o di un lotto di legno di grandi dimensioni, è necessario investire una notevole quantità di tempo. Lo scenario più probabile è semplicemente che si effettuino meno letture. Un allungamento dei tempi e dei costi del progetto, mentre l'altro significa che si dovranno prendere decisioni basate su un minor numero di dati a disposizione.

È possibile lavorare in modo molto più efficiente con i misuratori senza puntali, poiché richiedono meno sforzo fisico per essere utilizzati e non sono vulnerabili ai danni fisici come gli elettrodi a puntale.

Ma eccoci qui oggi. I misuratori di umidità elettrici hanno quasi 100 anni di storia. È interessante notare che si affidano ancora a un metodo ancora più antico – l'essiccazione in forno – per convalidarne l'accuratezza. Per comprendere il funzionamento dei misuratori di umidità del legno portatili di oggi, vale la pena approfondire l'evoluzione della tecnologia su cui si basano.

I metodi di essiccazione in forno sono il gold standard per la misurazione dell'umidità del legno

Il metodo più antico utilizzato per essiccare il legno è l'essiccazione all'aria o "essiccazione per intemperie". Questo metodo richiede tempo. Spesso il legno veniva lasciato per anni prima di essere utilizzato. I primi tentativi di accelerare il processo di essiccazione portarono alla costruzione di vari tipi di "case essiccatrici". Si trattava di semplici strutture costruite sopra cantine scavate nella roccia, contenenti una fornace per mattoni o tegole.

Negli Stati Uniti, l'uso di "case essiccatrici" non era la norma, in parte perché presentavano un enorme rischio di incendio. Negli anni '1850 dell'Ottocento si sperimentò l'utilizzo di tubi a vapore, ma non ebbe successo. Alla fine, i primi essiccatoi per il legno di successo, camere di essiccazione dotate di un certo isolamento termico, iniziarono a comparire nel Midwest negli anni '1870 dell'Ottocento.

Attraverso tentativi ed errori, gli operatori delle fornaci scoprirono che essiccare il legno a temperature più basse con aria circolante produceva risultati migliori rispetto all'utilizzo di un calore elevato. Alla fine, l'approccio basato su tentativi ed errori delle aziende che cercavano di ridurre al minimo i tempi di essiccazione massimizzando al contempo la produttività ha trovato supporto in scienziati e ricercatori. Attraverso l'indagine scientifica, i ricercatori hanno iniziato a scoprire e convalidare un'ampia gamma di proprietà fisiche del legno. Alcune delle loro scoperte includevano la comprensione della struttura cellulare e delle proprietà chimiche del legno.

Ciò ha portato a sua volta a comprendere come le differenze fisiche tra le specie di legno, e persino tra le stesse specie coltivate in luoghi diversi, influiscano sul processo di essiccazione del legno.

Grazie allo sviluppo della ricerca sul legno, gli studiosi hanno sviluppato una formula per specificare il contenuto di umidità di un pezzo di legno in funzione del suo peso, espresso in percentuale.

Contenuto di umidità (MC) = (Peso iniziale – peso secco in forno)/peso secco in forno * 100

Pertanto, il metodo dell'essiccazione in forno fornisce una misurazione diretta del contenuto di umidità di un pezzo di legno. Se si dispone di un forno per l'essiccazione del legno, è possibile pesare il legno sia prima che dopo il ciclo di essiccazione in forno. ASTM D4442 (metodo di prova standard per la misurazione diretta del contenuto di umidità del legno e dei materiali a base di legno) afferma che l'essiccazione in forno fornisce "la massima accuratezza o precisione" ed è "lo standard di riferimento (primario) per determinare il contenuto di umidità del legno e dei materiali a base di legno".

Di conseguenza, l'essiccazione del legno in forno conforme alla norma ASTM D4442 viene utilizzata come punto di riferimento per la calibrazione dei misuratori di umidità portatili per ASTM D4444 (metodo di prova standard per la standardizzazione e la calibrazione in laboratorio di misuratori di umidità portatili).

I misuratori di umidità portatili forniscono una misura indiretta dell'umidità. Poiché l'acqua conduce elettricità, i misuratori portatili raccolgono dati sul comportamento delle correnti o onde elettriche in un pezzo di legno. Questi dati vengono poi utilizzati, insieme ad altri dati rilevanti, per calcolare il contenuto di umidità del legno.

Evoluzione dei misuratori di umidità elettrici del legno

L'umanità ha capito da tempo che il legno contiene umidità; che si secca e può riassorbire l'umidità a contatto con l'acqua. In realtà, anche gli scienziati conoscevano la relazione tra acqua ed elettricità praticamente da quando l'elettricità fu scoperta. In particolare, sapevano che l'acqua conduce l'elettricità, anche se il processo chimico specifico che avviene nell'acqua quando consente il passaggio delle cariche elettriche è stato documentato più di recente.

I ricercatori hanno convalidato per la prima volta l'idea di poter utilizzare le proprietà elettriche del legno come misura del suo contenuto di umidità alla fine degli anni '1920. Uno dei primi misuratori di umidità del legno elettrici portatili di cui troviamo documentazione è un misuratore "a lampeggiatore" del 1927. Questo misuratore aveva una lampada al neon collegata a un condensatore, a contatto con il legno. Il condensatore assorbiva la carica che scorreva attraverso il legno. Quando il condensatore era completamente carico, la lampada al neon si accendeva brevemente. Più velocemente il condensatore si ricaricava, più velocemente la lampada lampeggiava.

La velocità di ricarica del condensatore dipendeva dalla resistenza del legno. Poiché l'umidità conduce l'elettricità, maggiore era l'umidità nel legno, più velocemente il condensatore raggiungeva la carica completa. Se il legno presentava un'elevata resistenza (ovvero, bassa umidità), la lampada lampeggiava lentamente.

Nei dieci anni successivi, fu sviluppato un nuovo tipo di misuratore di umidità elettrico: un misuratore a tubo sottovuoto. Questo misuratore utilizzava un voltmetro a tubo sottovuoto come parte di un circuito a ponte di Wheatstone, che utilizzava una resistenza per misurare la temperatura del legno da misurare. Il misuratore a tubo sottovuoto è il diretto precursore dei misuratori di umidità a resistenza utilizzati oggi.

A metà degli anni '1940, i misuratori a puntale erano disponibili in commercio. Funzionavano (e funzionano ancora) misurando il flusso di corrente elettrica tra sonde inserite nel legno. Come per i primi misuratori a freccia, maggiore era la corrente che scorreva tra le sonde, indicatore di bassi livelli di umidità.

Senza la conduttività di alti livelli di umidità, il legno secco presentava una resistenza che quasi annullava il flusso di corrente. Alcuni dei primi misuratori di umidità a perno utilizzavano quattro sonde. I moderni misuratori di umidità a perno ne richiedono solo due.

Durante il periodo in cui i misuratori di resistenza entravano nel mercato, i ricercatori stavano anche esplorando come le proprietà dielettriche potessero essere utilizzate per misurare l'umidità nel legno. I materiali dielettrici possono trasmettere correnti elettriche senza essere essi stessi conduttori. Questa ricerca ha infine portato allo sviluppo di altri due tipi di metodi di misura dell'umidità del legno che funzionano su due diversi principi dielettrici.

Senza addentrarci troppo nell'ingegneria elettrica, questi due tipi di misuratori dielettrici utilizzavano le onde radio per misurare i livelli di umidità. Il misuratore di potenza a perdita misura la quantità di energia elettromagnetica persa, che è correlata ai livelli di umidità. Il misuratore di umidità capacitivo adotta l'approccio opposto. Misura la quantità di energia elettrica che può essere immagazzinata. Ciò che hanno in comune, a livello pratico, è che nessuno dei due richiede che i perni forino la superficie del legno.

Invece, utilizzano piastre sensori che emettono una radiofrequenza attraverso il legno. Il Forest Products Laboratory (FPL) del Dipartimento dell'Agricoltura degli Stati Uniti aveva sviluppato un misuratore di tipo capacitivo per misurare i livelli di umidità del legno, ma non era disponibile in commercio. A quel tempo, molti produttori vendevano misuratori di umidità a puntale.

L'era moderna dei misuratori di umidità elettrici del legno

All'inizio degli anni '1960, esisteva sul mercato un misuratore di umidità a perdita di potenza. In quel periodo, Delmer Wagner, il fondatore di Wagner Meters, lavorava come elettricista per una segheria in Oregon. La segheria utilizzava un grande e poco maneggevole misuratore di umidità in linea a tubo sottovuoto.

Per costruire un misuratore di umidità più piccolo e facile da calibrare, Delmer progettò il primo misuratore di umidità in linea. Questo sistema di misurazione dell'umidità in linea utilizzava transistor per misurare l'umidità. Delmer lasciò infine la segheria e, nel 1965, fondò la Wagner Electronics (oggi nota come Wagner Meters), che costruiva misuratori di umidità in linea per l'industria del legname.

Quasi tutti i misuratori di umidità del legno portatili sul mercato fino alla fine degli anni '1980 erano misuratori di umidità a puntale. Tuttavia, questi nuovi misuratori di umidità senza puntale erano ancora piuttosto grandi, difficili da calibrare e troppo sensibili alle condizioni ambientali. Di conseguenza, il mercato dei misuratori di umidità a puntale prosperò, mentre i misuratori senza puntale erano pochissimi.

Negli anni '1990, Wagner Meters si è impegnata a sviluppare un misuratore di umidità del legno senza perni che risolvesse i difetti dei misuratori senza perni allora in commercio. La prima linea di misuratori di umidità portatili senza perni di Wagner Meters presentava un circuito migliorato che utilizzava onde elettromagnetiche, garantendo letture dell'umidità più accurate.

Inoltre, il circuito era meno sensibile alla temperatura ambiente e a quella del legno. Wagner Meters è stata anche in grado di ridurre significativamente le dimensioni del misuratore portatile rispetto a quanto fosse attualmente disponibile sul mercato. I misuratori senza puntali di altri produttori pesavano generalmente almeno 10 kg. I misuratori di umidità originali erano progettati per le segherie, ma Wagner Meters ne aggiunse uno specificamente progettato per i falegnami a metà degli anni '1990.

La linea originale di misuratori di umidità senza puntali Wagner era analogica. La linea analogica è stata sostituita da una linea di misuratori di umidità digitali senza puntali all'inizio degli anni 2000. Questi misuratori utilizzavano microprocessori, quindi le dimensioni dei misuratori portatili Wagner hanno continuato a ridursi. A quel punto, numerosi studi avevano convalidato questo principio. I misuratori di umidità senza perni Wagner hanno fornito letture più accurate rispetto ai misuratori di umidità a perni.

Questi studi sono significativi perché hanno sfatato la diffusa convinzione che i misuratori a perni fossero più precisi di quelli senza perni. Le tecnologie fondamentali utilizzate sia nei misuratori a perni che in quelli senza perni rimangono invariate. Oggi, la maggior parte dei progressi nei misuratori di umidità del legno si concentra sulle funzionalità a valore aggiunto integrate nei misuratori e nei servizi correlati.

La linea Orion di misuratori digitali dell'umidità del legno senza puntali.

Di conseguenza, Wagner nuova linea di misuratori di umidità del legno, Orion®, include nuove e sofisticate funzionalità che semplificano la vita dei falegnami.

Ad esempio, i misuratori Orion sono gli unici sul mercato che possono essere calibrati in loco utilizzando il calibratore on-demand fornito con ogni misuratore Orion. Tutti gli altri misuratori portatili devono essere inviati al produttore per la calibrazione in fabbrica, con un conseguente dispendio di tempo e denaro.

Alcune delle funzionalità a valore aggiunto più utili migliorano la raccolta e la gestione dei dati del contatore. conoscere il punto di equilibrio del contenuto di umidità (EMC) del luogo in uso è così importante per proteggere il legno da futuri danni causati dall'umidità che la funzionalità Orion 950 include il calcolo dell'EMC per gli utenti.

Il misuratore di umidità senza puntali raccoglie i dati di temperatura ambiente e umidità relativa, che utilizza per calcolare la compatibilità elettromagnetica (EMC). Tale EMC può quindi essere utilizzata come "contenuto di umidità target" per il progetto in corso, oppure per prevedere i modelli di essiccazione. I calcoli EMC basati su misuratori di umidità liberano gli utenti dalla difficoltà e dall'incertezza di dover calcolare autonomamente l'EMC.

I misuratori senza puntali si dimostrano più accurati e affidabili dei misuratori di umidità a puntale

Sebbene i misuratori di umidità a punta e senza puntali si basino entrambi sull'interazione delle proprietà elettriche sul legno, entrambi prendono in considerazione proprietà diverse. In parole povere, i misuratori di umidità a punta reagiscono alle proprietà chimiche del legno, mentre i misuratori senza puntali rispondono al peso specifico del legno.

Sia la composizione chimica che la densità di un pezzo di legno variano a seconda della specie legnosa. Per questo motivo, entrambi gli strumenti richiedono una regolazione in base alla specie da misurare per ottenere una lettura accurata dell'umidità.

Secondo l'FPL, alcuni dei fattori che incidono sulla precisione della lettura di un misuratore sono le condizioni meteorologiche, il contatto degli elettrodi, la temperatura del legno e l'abilità dell'operatore. Molti di questi fattori influiscono più facilmente sui misuratori di umidità a puntale rispetto ai misuratori senza puntale. Studi hanno dimostrato che i misuratori senza puntale sono spesso più precisi e affidabili dei misuratori di resistenza.

Ad esempio, i misuratori a spillo sono estremamente sensibili alla temperatura del legno, il che può interferire con l'accuratezza della lettura. Se la temperatura dell'aria si discosta molto da quella soglia in entrambe le direzioni, l'operatore deve regolare le letture del misuratore in base alla temperatura esatta dell'aria nel luogo in cui sono state rilevate.

Regolare la temperatura del legno è solo uno dei modi in cui l'abilità soggettiva dell'operatore può influire sulla precisione di un misuratore a perni. I misuratori a perni richiedono anche un'abilità precisa da parte dell'operatore per garantire che entrambi gli elettrodi siano correttamente inseriti nel legno e alla giusta profondità. Senza un corretto allineamento o profondità, gli elettrodi potrebbero non misurare accuratamente l'umidità per il livello di umidità di quel punto.

L'abilità più importante che un operatore deve possedere nel posizionamento di un misuratore di umidità senza perni è semplicemente quella di assicurarsi che le piastre del sensore aderiscano perfettamente alla superficie del legno.

Per questo motivo, i misuratori senza perni non sono in genere utilizzabili sulla legna da ardere. A parte questo, la rapidità e la semplicità d'uso del misuratore a perni fanno sì che i falegnami di solito effettuino più letture con esso rispetto ai misuratori senza perni. Avere più dati sul livello di umidità fornisce un quadro più accurato delle condizioni di umidità di un lotto di legna.

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La storia dei misuratori di umidità del legno: da tentativi ed errori a uno strumento essenziale per la lavorazione del legno

Con la rapida crescita dell'industria del legname e la rivoluzione industriale del XIX secolo, è logico che le segherie cercassero modi per accelerare il processo di essiccazione senza danneggiare il legno. La loro metodologia basata su tentativi ed errori, insieme alla loro conoscenza empirica dell'essiccazione in condizioni meteorologiche avverse, li ha aiutati a innovare.

Si resero conto di come la circolazione dell'aria contribuisse a massimizzare la resa, consentendo di utilizzare temperature più basse per essiccare il legname. Osservarono come diverse specie di legno reagivano in circostanze simili. Le loro esplorazioni pratiche costituirono il fondamento della scienza del legno formalizzata.

I misuratori Orion di Wagner Meters sono gli unici misuratori di umidità del legno senza perni disponibili sul mercato che possono essere realmente calibrati sul campo, anziché essere rispediti in fabbrica per una ricalibrazione.

Grazie al rigore della ricerca scientifica e accademica, la nostra comprensione delle proprietà fisiche e meccaniche del legno si è ampliata significativamente nel corso del XX secolo. Grazie a questa ricerca, il settore è stato in grado di specificare come l'umidità si diffonde attraverso il legno e come un'umidità eccessiva influisca negativamente sul legno.

Per chiudere il cerchio, l'industria del legname ha sfruttato i contributi della scienza del legno per sviluppare gli strumenti necessari a misurare il contenuto di umidità del legno, sia direttamente che indirettamente, con un elevato grado di accuratezza.

Man mano che la scienza del legno scopriva di più sull'interazione tra umidità ed elettricità al suo interno, i produttori di misuratori sfruttarono questi progressi per progettare e costruire misuratori di umidità commercialmente validi, in particolare i misuratori di umidità portatili.

Grazie a misuratori di umidità del legno portatili, affidabili e precisi, ogni falegname, dal gestore di una segheria all'hobbista del fine settimana, ha la possibilità di prendere decisioni consapevoli su quando il legno è pronto per la fase successiva del suo percorso verso l'utilizzo previsto. Essendo uno strumento così potente, i misuratori di umidità del legno sono ormai un punto fermo per quasi tutti i falegnami, il che solleva la questione del perché non vengano utilizzati da tutti.

Infatti, ora che chiunque può accedere a informazioni precise sulle condizioni di umidità del legno tramite un misuratore di umidità portatile, ha la responsabilità di farlo.

Tonino Morgan

Tony Morgan è un tecnico senior presso Wagner Meters, dove fa parte di un team che si occupa di test di prodotto, sviluppo, assistenza clienti e formazione per i dispositivi di misurazione dell'umidità. Oltre a 19 anni di esperienza sul campo in diverse aziende di elettronica, Tony ha conseguito una laurea triennale in Management e una laurea magistrale in Tecnologia Elettronica.

Ultimo aggiornamento il 10 gennaio 2025