PL224538B1

PL224538B1 - Dwufazowy przetwornik wilgotności drewna do pomiarów on-line w suszarniach do drewna

Info

Publication number: PL224538B1
Application number: PL400608A
Authority: PL
Inventors: Maciej Steczowicz
Original assignee: Maciej Steczowicz
Priority date: 2012-09-03
Filing date: 2012-09-03
Publication date: 2017-01-31
Also published as: PL400608A1

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest dwufazowy przetwornik wilgotności drewna, przy czym określenie dwufazowy wynika z faktu, że we wspólnej obudowie znajdują się dwa systemy pomiaru wilgotności drewna. Pierwszy wyposażony w czujnik wilgotności względnej i temperatury umożliwia wyznaczenie wilgotności równowagowej wewnątrz otworu w drewnie. Ponieważ taki pomiar ma sens tylko w zakresie do nasycenia włókien drewna, dla wartości większych pomiaru dokonujemy za pomocą tradycyjnej metody rezystancyjnej, kiedy wyniki pomiarów nie muszą być bardzo dokładne, gdyż w tym przedziale system sterowania tylko częściowo bazuje na wilgotności drewna. Wkręty (2) spełniają podwójną rolę. Z jednej strony służą do przymocowania obudowy (5) przetwornika do drewna (10), z drugiej strony zastępują igiełki wbijane w drewno w typowym systemie pomiaru wilgotności drewna, poprzez pomiar prądu między nimi. Do pomiaru wilgotności równowagowej wewnątrz drewna zastosowano przetwornik (1) wilgotności względnej i temperatury, który jest umieszczony wewnątrz obudowy (5) nad otworem (11) w drewnie.

Description

Przedmiotem wynalazku jest dwufazowy przetwornik wilgotności drewna do pomiarów on-line w suszarniach do drewna w szczególności wyposażonych w komputerowy system sterowania procesem suszenia.

Wilgotność drewna

W_d%

100

Wdr (1) gdzie:

W_d% - wilgotność drewna w procentach;

W_w - waga wody znajdującej się w drewnie;

W_dr - waga masy drzewnej po całkowitym wysuszeniu.

W sposób oczywisty wilgotność drewna można więc wyznaczyć, jeżeli znamy ciężar wody w drewnie i ciężar suchego drewna.

Procedura pomiaru polega na:

1. Wyznaczeniu wagi drewna wilgotnego W_d.

2. Wysuszeniu (wyprażeniu) drewna do momentu, gdy waga drewna przestaje maleć.

3. Wyznaczeniu wagi W_dr drewna wysuszonego.

4. Wyznaczenie wagi wody znajdującej się w wilgotnej próbce drewna z zależności W_w=W_d-W_dr.

5. Wyznaczenie wilgotność drewna W_d% w procentach z zależności (1).

Ten sposób pomiaru wilgotności drewna niestety zupełnie się nie nadaje do pomiarów on-line w trakcie procesu suszenia drewna, gdyż komputerowe systemy sterowania, muszą znać aktualną wartość wilgotności suszonego drewna, a ta metoda zwana suszarkowo-wagową jest bardzo wolna, gdyż wynik jest znany dopiero po kilkunastu godzinach.

Poza tym taki pomiar wymaga okresowego pobierania próbek suszonego materiału, co nie jest łatwe do przeprowadzenia, w warunkach, jakie panują w suszarniach w trakcie procesu suszenia. Są znane rozwiązania, w których poprzez pomiar wagi próbek drewna umieszczonych w suszarni system sterowania jest informowany o szybkości wysychania drewna, jednak trudno tu mówić o pomiarze wilgotności drewna, gdyż do tego musi być znana waga zupełnie suchego drewna, a ta może być poznana dopiero po zakończeniu procesu suszenia i zastosowaniu wspomnianej wyżej procedury.

W tej sytuacji od samych początków stosowania automatycznych systemów sterowania proc esem suszenia drewna, w pierwszej połowie XX wieku, stosowano pośredni sposób wyznaczania wilgotności drewna poprzez pomiar rezystancji drewna. Pomiar ten polega na pomiarze rezystancji drewna pomiędzy dwoma metalowymi igiełkami wbitymi w drewno. O rozpowszechnieniu tej metody zadecydowała, względna prostota oraz niski koszt. Inny, pośredni sposób pomiaru wilgotności drewna przez pomiar pojemności drewna lub tłumienia fal elektromagnetycznych, mimo że często stosowany w ręcznych przyrządach pomiarowych z uwagi na nieinwazyjność tego pomiaru, nie znalazł zastosowania w pomiarach on-line w suszarniach, głównie z uwagi na trudną do skompensowania, silną zależność od gęstości drewna, która zmienia się praktycznie losowo oraz wynikający z praktycznie nieosiągalnego wymogu, aby sonda przylegała ściśle do drewna, co może być spełnione przy bardzo gładkiej powierzchni a co praktycznie nigdy nie ma miejsca, gdyż najczęściej suszymy drewno nie strugane o dużej chropowatości.

Tak więc obecnie metoda rezystancyjna zdominowała rynek i do tej pory nie miała alternatywy mimo szeregu wad, o których niżej.

Do głównych wad tej metody pomiaru pośredniego wilgotności drewna, poprzez pomiar wartości prądu (lub inaczej pomiaru rezystancji lub przewodności elektrycznej) można zaliczyć wiele, tru dnym do skompensowania on-line, zakłóceń, takich jak:

• Zmienny skład chemiczny drewna i roztworów wodnych w naczyniach w drewnie, które decydują o natężeniu prądu;

• Wydzielająca się w czasie suszenia żywica, kalafonia i inne związki chemiczne wytwarzają warstwę izolującą igiełki pomiarowe, co wpływa na znaczne zmniejszenie natężenia prądu i przedwczesną sygnalizację wysuszenia drewna;

• Pozornie prosty do kompensacji bardzo duży wpływ temperatury drewna wymagałby

PL 224 538 B1 zastosowania przy każdej sondzie dodatkowej sondy mierzącej temperaturę drewna a czego żadna firma nie stosuje;

• Ponieważ suche drewno, można traktować, jako dobry izolator, to bardzo szybko rośnie wpływ rezystancji upływowych przewodów, łączących igiełki z układem pomiarowym; a tym samym rośnie nieznany błąd pomiarowy;

• Przewody łączące igiełki są bardzo podatne na zakłócenia występujące np. przy zasilaniu silników wentylatorów poprzez falowniki;

• Bardzo duży zakres zmian rezystancji drewna przy zmianach jego wilgotności wymagałby budowy bardzo kosztownych systemów pomiarowych, co przy konieczności, stosowania wielu sond, traci sens ekonomiczny.

I tak rezystancja drewna zmienia się od kilkuset omów dla drewna bardzo mokrego do Teraomów dla drewna całkowicie suchego co powoduje, że nie jest możliwe zbudowanie w akceptowalnej cenie przetwornika obejmującego kilkanaście dekad zmienności wartości mierzonej. Przykładowo jeżeli założymy, że dla drewna mokrego (wilgotność = 80%) sygnał przetwornika wynosi 10 V (na Fig. 1 log r = 4, co oznacza 10000 omów) to dla 10% wilgotności ten sygnał ma wartość zaledwie 0,000137 V (rezystancja 732 MQ). Oznacza to, że bez specjalnych zabiegów korygujących charakterystykę przetwornika ten sygnał byłby już poniżej poziomu szumów i nie byłby mierzalny.

Mimo korekty charakterystyki (np. z liniowej na logarytmiczną) nie da się wyeliminować błędów pomiaru, wynikających z faktu, że wartości natężenia prądu dla drewna suchego są znacznie mniejsze od prądów niezrównoważenia nawet najlepszych wzmacniaczy pomiarowych.

Jaki był, więc powód konieczności uzupełnienia konwencjonalnego pomiaru rezystancji drewna o pomiar „klimatyczny”?. Jak już wspomniano wyżej decydujący był bardzo duży zakres zmienności rezystancji drewna, wraz ze zmianą jego wilgotności, co powoduje, że system pomiarowy musiałby mieć zdolność pomiaru bardzo małych wartości napięć i natężeń prądów. Te bardzo małe wartości napięć i natężeń, w warunkach przemysłowych, nie są mierzalne z uwagi na wielokrotnie wyższy poziom zakłóceń, zwłaszcza w przypadku stosowania falowników. W przypadku natężeń prądów sytuacja jest jeszcze gorsza, bo są one znacznie mniejsze od prądów niezrównoważenia układów pomiarowych. Innymi słowy prądy dostarczane do przetwornika przez sondy igiełkowe są znacznie mniejsze od prądów pasożytniczych, niedających się wyeliminować, które generuje układ pomiarowy. Dodatkowo przy bardzo małych prądach nie można już wykluczyć prądów upływowych to znaczy tych, które wynikają ze skończonej impedancji przewodów, łączących sondy.

Następnym problemem, związanym z tak dużą zmiennością rezystancji drewna, jest zbyt mały zakres przetworników analog-cyfra (A/D). Otóż nowoczesne systemy sterowania procesem suszenia drewna opierają się o komputery, które przetwarzają wyłącznie wartości cyfrowe. Nawet stosując dokładne 16-bitowe przetworniki A/D w praktyce nie uzyskamy większej dokładności niż 14-bitów (2 =16384) co jest znacznie mniej niż to wynika z zakresu zmian mierzonych sygnałów. Gdyby jeszcze rezystancja drewna zmieniała się liniowo, ale ponieważ te zmiany są wykładnicze, to (zależnie od konfiguracji przetwornika) albo dla dużych lub dla małych wilgotności praktycznie nie mamy wiarygodnych wyników. Pośredni pomiar wilgotności drewna poprzez pomiar rezystancji drewna niesie dużą niepewność związaną ze znaczną jej zmiennością dla różnych gatunków, a także wewnątrz jednego gatunku uzależnioną np. od bonitacji gleby, na której rosło drzewo.

Pozornie prosty do kompensacji bardzo duży wpływ temperatury drewna na zmianę rezystancji drewna wymaga zastosowania przy każdej sondzie dodatkowej sondy mierzącej temperaturę drewna, co ma miejsce w naszym przypadku a co nie występuje u innych firm.

Jako dowód, że operatorzy suszarń mają poważny problem, na całym świecie, z uzyskaniem poprawnych wyników pomiarów wilgotności drewna w trakcie procesu suszenia są wyniki badań uzyskane w 2000 roku, w ramach programu finansowanego przez Unię Europejską, przez Instytut Technologii Drewna w ESPOO (Helsinki), który dokonał oceny dokładności pomiarów wilgotności drewna z użyciem wilgotnościomierzy elektrycznych. Badaniom poddano 16 przyrządów rezystancyjnych i 6 przyrządów pojemnościowych wszystkich największych producentów wilgotnościomierzy z Unii Europejskiej. Wyniki nie są zachęcające, gdyż dla pomiarów w warunkach przemysłowych dla wilgotnościomierzy rezystancyjnych, błąd wyniósł od ±2.0% do ±5.0%. Oznacza to, że przykładowo dla faktycznej wilgotności drewna równej 10% przyrządy pomiarowe mogą wskazywać w przedziale 8% do 12%, a nawet w przedziale 5% do 15%. To jest przyczyna, dla której powstał pomysł wprowadzenia dodatkowego członu mierzącego wilgotność równowagową dla małych wartości wilgotności drewna. Ten sposób pomiaru zastępuje pomiar rezystancyjny dla drewna suchego, kiedy błędy konwencjonal4

PL 224 538 B1 nej metody są największe z uwagi na bardzo małe napięcia i prądy, a sygnały otrzymywane z toru pomiaru wilgotności równowagowej są znacznie większe i znacznie powyżej poziomu występujących zakłóceń, co implikuje znaczną poprawę dokładności pomiarów.

Na wykresie (Fig. 2) przedstawiono napięcia uzyskiwane z obu kanałów pomiarowych dla różnych wilgotności drewna. Kanał pomiaru wilgotności równowagowej ma w przybliżeniu liniową charakterystykę i znacznie wartości napięcia dla małych wilgotności drewna większe niż kanał mierzący rezystancję. Pomiar klimatyczny jest ograniczony do stanu, kiedy wilgotność względna w otworze w drewnie osiąga 100% i kiedy ma miejsce nasycenie włókien i dlatego w sondzie według wynalazku stosujemy dwa systemy pomiaru wilgotności drewna. Dla drewna mokrego metodę konwencjonalną a dla bardzo małych wilgotności drewna, klimatyczną.

W miejsce tradycyjnych igiełek służących do wyznaczania wilgotności drewna zastosowaliśmy sondy mierzące trzy parametry drewna:

• wilgotność drewna mierzoną w sposób konwencjonalny poprzez pomiar rezystancji drewna;

• temperaturę drewna;

• wilgotność powietrza wewnątrz małego otworu w drewnie, który to pomiar umożliwia obliczenie wilgotności równowagowej w tym otworze, a tym samym skorelowaną z tą wartością wilgotność drewna.

Potrzeba mierzenia temperatury drewna i to w kilku miejscach wynikała przede wszystkim z konieczności poprawienia dotychczas dominujących procedur sterowania procesem suszenia drewna, kiedy najczęściej ogranicza się do pomiaru i regulacji powietrza w suszarni. Prowadzi to do częstego narażania suszonego drewna na nadmierne naprężenia i tym samym straty suszonego materiału, zwłaszcza w stanach nieustalonych np. po różnego typu awariach. Dodatkowo pomiar temperatury drewna jest niezbędny w trakcie obróbki fitosanitarnej.

Sondy według wynalazku charakteryzują się następującymi cechami:

1. Mierzą nie tylko wilgotność, ale także temperaturę drewna, co powoduje, że wartość temperatury drewna jest liczona na podstawie 6 pomiarów.

2. Są odporne na zakłócenia generowane przez falownik, które w przypadku sond konwencjonalnych są trudne do opanowania.

3. Mierzą nawet bardzo małe wilgotności drewna, co w przypadku sond konwencjonalnych jest trudne i obarczone znacznymi błędami.

4. Zastosowanie tanich wkrętów w miejsce igiełek i bananów ułatwia obsługę.

Uzyskanie bardziej dokładnych wyników wilgotności drewna powoduje możliwość optymalizacji procesu suszenia drewna pod kątem zmniejszenia strat drewna oraz zmniejszenia kosztów suszenia.

Jest to bardzo ważne, kiedy weźmie się pod uwagę liczbę czynnych suszarń do drewna na świecie, ogromne ilości suszonego drewna a także ograniczone zasoby tego cennego surowca.

Przedmiotem wynalazku jest dwufazowy przetwornik wilgotności drewna, przy czym okr eślenie dwufazowy wynika z faktu, że we wspólnej obudowie znajdują się dwa systemy pomiaru wilgotności drewna (Fig. 3). Pierwszy wyposażony w czujnik wilgotności względnej i temperatury umożliwia wyznaczenie wilgotności równowagowej wewnątrz otworu w drewnie. Jak wiemy z licznych publikacji naukowych opisujących procesy nawilżania i suszenia ciał porowatych, jakimi są przykładowo drewno i cegła, procesy te są opisywane bardzo złożonymi równa niami różniczkowymi cząstkowymi z których można ocenić, że ich zachowanie nie wynika z prostych równań op isujących procesy dyfuzji. Gdyby tak było, to drewno lub cegła pozostawione w pomieszczeniu o określonej wilgotności bezwzględnej (wyrażonej w ciężarze wody w jednostce objętości) w st anie równowagi osiągnęłyby tą samą wilgotność jaka występuje w jego otoczeniu. Ponieważ tak nie jest dla wielu praktycznych celów należało znaleźć jaką wartość wilgotności osiągają różne ciała porowate jeżeli w otaczającym je środowisku będą panowały stabilne warunki, to znaczy stała temperatura i wilgotność. Te wartości, oczywiście zmieniające się przy zmianach temperatury i wilgotności, tworzą powierzchnie w przestrzeni trójwymiarowej i są nazywane zmiennymi wilgotności równowagowej (np. drewna lub cegły).

Pomiar w metodzie klimatycznej polega na pomiarze wilgotności względnej i temperatury w małym otworze wywierconym w drewnie i przeliczeniu tych wartości na wilgotność drewna, przy

PL 224 538 B1 założeniu, że wilgotność równowagowa w otworze i wilgotność drewna są ze sobą skorelowane. Przykładowe wykresy wilgotności równowagowej drewna przedstawia Fig. 4.

Uzyskane z pomiarów wartości temperatury i wilgotności służą do wyznaczenia wilgotności równowagowej za pomocą komputera np. poprzez uprzednią linearyzację odcinkową wyżej przedstawionych krzywych.

Ponieważ taki pomiar ma sens tylko w zakresie do nasycenia włókien drewna, dla wartości większych pomiaru dokonujemy za pomocą tradycyjnej metody rezystancyjnej, kiedy wyniki pomiarów nie muszą być bardzo dokładne, gdyż w tym przedziale system sterowania tylko częścio wo bazuje na wilgotności drewna.

Do analizy wyników uzyskanych z tych dwóch systemów oraz do wyboru, który z wyników jest w danym momencie właściwy, służy oprogramowanie komputera opracowane przez autora wynala zku, przy czym omawiany wynalazek ma charakter techniczny i samo oprogramowanie, służące w yłącznie jako typowe narzędzie obliczeniowe nie stanowi części zastrzeżeń zgłoszonego wynalazku.

Dla zrozumienia korzyści z takiego rozwiązania przyjmijmy dla uproszczenia, że człon mierzący wilgotność drewna za pomocą przetwornika wilgotności równowagowej ma, w przybliżeniu, liniową charakterystykę wyjściową i przykładowo jeżeli dla 30% wilgotności ustalimy sygnał wyjściowy na poziomie 10 V, to dla 10% wilgotności drewna mamy jeszcze bardzo duży sygnał 3.3 V.

Dla wilgotności 5% sygnał wyniesie 1.7 V i jest ciągle bez trudu mierzalny, gdyż nadal pozostaje znacznie powyżej poziomu szumów, podczas gdy dla obu rozpatrywanych przypadków człon rezystancyjny generuje bardzo małe napięcia trudne do wyłowienia z szumów.

Pomiar poniżej nasycenia włókien, za pomocą czujnika wilgotności i temperatury wewnątrz drewna, eliminuje wpływ chemii drewna oraz innych parametrów wspomnianych wyżej.

Kompensacja temperatury drewna jest możliwa, gdyż każda sonda ma czujnik temperatury.

Fig. 3 przedstawia przetwornik wilgotności drewna. Wkręty 2 spełniają podwójną rolę. Z jednej strony służą do przymocowania wykonanej z teflonu obudowy 5 przetwornika do drewna 10, z drugiej strony zastępują igiełki wbijane w drewno w typowym systemie pomiaru wilgotności drewna, poprzez pomiar prądu między nimi. Do pomiaru wilgotności równowagowej wewnątrz drewna zastosowano przetwornik 1 wilgotności względnej i temperatury, który jest umieszczony wewnątrz obudowy 5 nad otworem 11 w drewnie. Dla zapewnienia odseparowania środowiska otaczającego suszone drewno od tego wewnątrz drewna (w otworze 11 i w przestrzeni 12) służą elastyczne uszczelki 8 i 9. Filtr siatkowy 7 ze stali kwasoodpornej służy do ochrony przetwornika przed uszkodzeniem przez przypadkowe dotknięcie ostrym przedmiotem. Elementy łączące 4 wykonane ze stali kwasoodpornej, służą do połączenia wkrętów 2 z płytką drukowaną 3, która stanowi element łączący przetwornik 1 z wkrętami 2 i przewodem łączącym, doprowadzonym do płytki 3 poprzez kanał 6, cały przetwornik wilgotności drewna z komputerowym system sterującym procesem suszenia drewna.

Specjalny kształt elementów łączących 4 zapobiega ich obracaniu się, w czasie przykręcania przetwornika do drewna.

Zastrzeżenia patentowe

1. Przetwornik wilgotności drewna służący do pomiarów on-line w komputerowych systemach

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Przetwornik wilgotności drewna służący do pomiarów on-line w komputerowych systemach sterowania procesem suszenia drewna, wykorzystujący również klasyczną, pośrednią metodę pomiaru uwzględniającą zależność rezystancji od wilgotności drewna, znamienny tym, że dla zwiększenia dokładności pomiarów, we wspólnej obudowie (5) znajdują się dwa systemy pomiaru, wspomniany klasyczny system pomiarów rezystancji drewna dla wilgotności zwłaszcza powyżej wartości nasycenia włókien oraz drugi wykorzystujący zależność wilgotności równowagowej w otworze (11) wewnątrz drewna i w przestrzeni (12) od wilgotności drewna dla małych wartości wilgotności drewna.

2. Przetwornik według zastrz. 1, znamienny tym, że do pomiaru rezystancji drewna (10) zależnej od wilgotności drewna zastosowano wkręty (2) połączone z płytką drukowaną (3) poprzez elementy łączące (4) ze stali kwasoodpornej, o konstrukcji uniemożliwiającej ich obracanie w stosunku do płytki drukowanej (3), która stanowi element łączący przetwornik (1) wilgotności względnej i temperatury z wkrętami (2) i przewodem łączącym, doprowadzonym do płytki (3) poprzez kanał (6), cały przetwornik wilgotności drewna z komputerowym systemem sterującym procesem suszenia drewna lub systemem pomiaru wilgotności drewna, przy czym wkręty (2) służą równocześnie do przymocowania obudowy (5) do drewna (10) a elastyczne uszczelki (8) i (9) służą do odseparowania przestrzeni (11)

PL 224 538 B1 wewnątrz drewna i (12) pod przetwornikiem (1) wilgotności względnej i temperatury od przestrzeni otaczającej suszone drewno a do ochrony przetwornika (1) od uszkodzeń mechanicznych zastosowano filtr (7) siatkowy ze stali kwasoodpornej.