木材水分仪的历史

针式木材水分仪

甚至在人们充分了解木材与湿度的关系之前，木工就必须考虑湿度如何影响他们的材料。

如今，我们对木材的吸湿特性有了深入的了解，并利用这些知识设计出了木材湿度计，从而能够测量木材的含水率。随着我们对木材吸湿特性认识的不断提高，测试方法也在不断发展。

目前，手持式木材水分仪主要有两种类型：针式和无针式。每种类型的测量原理都不同，而这些电特性会受到被测木材含水量的影响，我们将在本文后面详细探讨。

目前只需说明，针式万用表使用两个钉状电极，插入木材中，测量电极间的电流。无针式万用表则使用平放在木材表面的传感器板，测量其向木材中发射的电磁波的传播特性。

无需了解每种湿度计的科学原理，它们之间最明显的区别在于它们对被测木材的作用以及它们的易用性。

针式测力计会在被测木材上留孔。这使得它们非常适合评估木柴或木块的含水量，因为留多个孔不会对最终产品的结构完整性或美观度造成负面影响。

相比之下，无针式测温仪不会留下任何物理痕迹。它们只能用于平整的木材，并且在读数过程中整个传感器需要与木材保持接触。

双手分别拿着Orion 950湿度计和手机，手机屏幕上显示着应用程序的湿度读数。

Orion 950 智能无针木材水分仪

由于需要插入或敲击插针，插针式万用表的使用速度也较慢。将插针插入到合适的深度、取出插针，并确保插针保持良好状态以便进行读数，这些都需要时间。

因此，当需要评估大块或大批木材的含水量时，您必须投入大量时间。更可能的情况是，您只会读取更少的读数。一方面会延长项目工期和成本，另一方面则意味着您将在更少的数据点指导下做出决策。

使用无针式万用表可以提高工作效率，因为它们所需的体力劳动更少，而且不像针式电极那样容易损坏。

但这就是我们今天所处的境地。电动木材湿度计已有近百年的历史。有趣的是，它们仍然依赖一种更古老的方法——烘箱干燥——来验证其准确性。为了了解如今手持式木材湿度计的工作原理，我们有必要深入了解其所依赖的技术发展历程。

烘干法是测量木材水分的黄金标准

最早用于干燥木材的方法是风干，或称“风干”。这种方法需要时间。木材通常要放置数年才能使用。早期为了加快干燥过程，人们建造了各种类型的“干燥房”。这些简单的结构建在地窖上，里面放置着砖或瓦制成的炉子。

在美国，“干燥房”的使用并不常见，部分原因是它们存在巨大的火灾风险。1850世纪1870年代，人们曾尝试使用蒸汽管道进行干燥，但效果不佳。最终，第一批成功的木材干燥窑——带有隔热功能的干燥室——于XNUMX世纪XNUMX年代在美国中西部地区涌现。

通过反复试验，窑炉操作员发现，低温循环风干燥木材比高温干燥效果更好。最终，企业寻求缩短干燥时间并最大化产量的反复试验方法得到了科学家和研究人员的帮助。通过科学探究，研究人员开始发现并验证木材的各种物理特性。他们的一些发现包括了解木材的细胞结构和化学特性。

反过来，这有助于了解木材种类之间，甚至生长在不同地点的同一种类之间的物理差异如何影响木材的干燥过程。

随着木材研究的兴起，木材科学家开发出了一种公式，用于将木材的含水量指定为其重量的函数，并以百分比表示。

水分含量 (MC) = (湿重 − 烘干重) ÷ 烘干重 × 100

因此，烘干法可以直接测量木材的含水量。如果您有木材干燥炉，您可以在木材进入干燥炉干燥循环前后称重。 ASTM D4442（木材和木质材料直接含水量测量的标准测试方法）指出，烘干法可提供“最高的准确度或精确度”，并且是“确定木材和木质材料含水量的参考（主要）标准”。

因此，按照 ASTM D4442 标准对木材进行烘干可作为校准手持式湿度计的参考点。 ASTM D4444（手持式湿度计实验室标准化和校准的标准测试方法）.

手持式水分计可以间接测量木材的水分含量。由于水具有导电性，手持式水分计可以收集木材中电流或波的行为数据。这些数据随后会与其他相关数据点一起用于计算木材的含水量。

电动木材水分仪的演变

人类早已知道木材含有水分；木材遇水会变干，并能重新吸收水分。事实上，科学家们几乎从电被发现的那一刻起就发现了水和电之间的关系。具体来说，他们知道水导电，即使最近才有关于水中允许电荷通过的特定化学过程的记录。

研究人员在20世纪20年代末首次证明，木材的电特性可用于测量其含水率。最早有记录的便携式电木材湿度计之一是1927年问世的“闪烁式”湿度计。这种湿度计由一个连接到电容器的氖灯组成，电容器与木材接触。电容器会吸收流经木材的电荷。当电容器充满电时，氖灯会短暂亮起。电容器充电速度越快，氖灯闪烁频率也越高。

电容器充电速度取决于木材的电阻。由于水分能导电，木材中的水分越多，电容器充满电的速度就越快。如果木材电阻高（水分低），灯泡就会缓慢闪烁。

在接下来的十年里，一种新型电子湿度计应运而生：真空管湿度计。该湿度计使用真空管电压表作为惠斯通电桥电路的一部分，利用电阻对被测木材进行测量。真空管湿度计是当今使用的电阻式湿度计的直接前身。

到了20世纪40年代中期，针式湿度计已经上市销售。它们的工作原理（现在依然如此）是测量插入木材的探针之间的电流。与早期的闪烁式湿度计一样，探针之间的电流越大，表示木材的含水量越高。

干燥的木材由于含水量低，导电性差，电阻极高，电流很小。早期的针式湿度计使用四个探针，而现代的针式湿度计只需要两个探针。

在电阻式湿度计上市的这段时期，研究人员也在探索如何利用介电特性来测量木材的含水率。介电材料是绝缘体，但电场仍然可以穿过它们并使其极化。这项研究最终催生了另外两种基于不同介电原理的木材含水率测试方法。

无需深入探讨电气工程原理，这两种介电湿度计都利用无线电波来测量木材的湿度。功率损耗型湿度计测量的是电磁能量的损耗量，该损耗量与湿度相关。而电容式湿度计则测量木材能够储存的电能。从实际应用角度来看，它们的共同之处在于都不需要用针刺穿木材表面。

相反，他们使用能穿透木材发射射频信号的传感器板。美国农业部林务局森林产品实验室（FPL）曾研发出一种电容式木材水分测量仪，但当时尚未上市。那时，许多制造商都在销售针式水分仪。

电动木材水分仪的现代时代

到了20世纪60年代初，市面上只有一种常见的损耗式水分仪。当时，瓦格纳仪表公司的创始人德尔默·瓦格纳正在俄勒冈州雷德蒙德的一家锯木厂工作。和其他锯木厂一样，这家锯木厂也使用一种体积庞大、笨重的真空管水分仪。

1963年，德尔默开发了首款采用晶体管的在线水分检测仪，使其体积更小、可靠性更高、校准也更便捷。1965年，他创立了瓦格纳电子公司（现名为瓦格纳仪表公司），该公司为木材行业生产在线水分仪。

几十年来，几乎所有手持式木材水分仪都是针式水分仪。当时市面上的无针式水分仪体积庞大、难以校准，而且对环境条件过于敏感，因此在无针式水分仪数量极少的时期，针式水分仪市场蓬勃发展。

瓦格纳公司于1980年推出了首款无针木材水分仪L600。其无针水分仪采用电磁波技术，对环境温度和木材温度的敏感度较低。20世纪90年代初，瓦格纳公司开发了更小巧的手持式无针水分仪，专为需要快速扫描木材的木地板和木工客户而设计。

后来，瓦格纳仪表增加了数字显示屏和微处理器，仪表的体积也越来越小。准确性研究研究发现，瓦格纳的无针式压力表比针式压力表读数更准确，这挑战了针式压力表更准确的普遍假设。

针式和无针式木材水分仪的基本技术均未改变。如今，木材水分仪的大部分进步都集中在仪器及其相关服务的增值功能上。

Orion 系列数字无针木材水分计。

瓦格纳的猎户座^® 木材含水率计系列包含使木工工作更轻松的功能。

例如，Orion 仪表可以使用每台仪表附带的按需校准器在现场进行校准，而无需将其送回工厂重新校准，这样既省时又省钱。

一些最有用的增值功能可以改进电表的数据采集和管理。了解这些功能至关重要。平衡含水量木材使用地点的 EMC 值对于防止受潮损坏至关重要，因此 Orion 950 会为您计算 EMC 值。

该湿度计读取环境温度和相对湿度，并以此计算平衡含水率 (EMC)。该 EMC 值可用作您正在进行的项目的“目标含水率”，或用于预测干燥模式。基于湿度计的 EMC 计算方法使用户免去了自行计算 EMC 的麻烦和不确定性。

无针式湿度计比针式湿度计更准确、更可靠

针式和非针式水分仪都利用木材的电特性来测量水分，但它们测量的是不同的特性。简而言之，针式水分仪的读数受木材化学成分的影响，而非针式水分仪的读数则受木材密度（比重）的影响。

不同物种的化学成分和密度均有所不同。因此，两种湿度计都需要根据被测物种进行调整，才能获得准确的湿度读数。

根据FPL的说法，影响水分仪读数准确性的因素包括天气状况、电极接触情况、木材温度以及操作人员的技能。这些因素对针式水分仪的影响比对无针式水分仪的影响更大。研究表明，无针式水分仪通常比针式（电阻式）水分仪更准确、更可靠。

例如，针式温度计对木材温度非常敏感。当木材温度远高于或低于约 70°F 时，操作人员必须根据木材温度校正读数。

调整木材温度只是测量仪操作员主观技能影响针式测量仪精度的因素之一。针式测量仪还需要操作员的精准技能，以确保两个电极正确地插入木材并达到正确的深度。如果对准度或深度不正确，电极可能无法准确测量该点的湿度。

放置无针湿度计时最关键的操作技巧就是确保传感器板平放在木材表面。

这就是为什么无针式湿度计通常不用于测量柴火或其他粗糙不平的木材的原因。另一方面，由于无针式湿度计使用起来快速便捷，木工通常会比使用针式湿度计进行更多次的读数，而更多次的读数可以更准确地反映一批木材的含水率。

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