تاريخ أجهزة قياس رطوبة الخشب

جهاز قياس رطوبة الخشب على شكل دبوس

حتى قبل أن يتم فهم علم العلاقة بين الخشب والرطوبة بشكل جيد، كان على عمال النجارة أن يأخذوا في الاعتبار كيفية تأثير الرطوبة على المواد التي يصنعونها.

لحسن الحظ، ندرك جيدًا اليوم الخصائص الاسترطابية للخشب. ولذلك، تمكنا من استخدام هذه المعرفة لتصميم أجهزة قياس رطوبة الخشب التي تُوفر لنا بيانات كمية عن حالة رطوبة قطعة الخشب. ومع تطور فهمنا المشترك، تطورت أساليب الاختبار أيضًا.

يوجد اليوم نوعان رئيسيان من أجهزة قياس رطوبة الخشب اليدوية: ذات دبوس ودون دبوس. يعتمد كل منهما على خصائص كهربائية مختلفة تتأثر بكمية الرطوبة الموجودة في الخشب المراد قياسه، والتي سنتناولها بالتفصيل لاحقًا في هذه المقالة.

في الوقت الحالي، يكفي القول إن العدادات الدبوسية تستخدم قطبين يشبهان المسمار، يُغرسان في الخشب ويقيسان التيار المار بينهما. أما العدادات غير الدبوسية فتستخدم ألواح استشعار تُوضع بشكل مسطح على سطح الخشب وتقيس سلوك الموجة الكهربائية التي تُرسلها عبره.

دون الخوض في علم كل نوع من أنواع أجهزة قياس الرطوبة، فإن الاختلافات الأكثر وضوحًا بينها هي ما تفعله بالخشب الذي يتم قياسه، ومدى سهولة استخدامها.

تترك عدادات القياس ثقوبًا في الخشب المراد قياسه. هذا يجعلها مفيدة لتقييم محتوى الرطوبة في الحطب أو قطع الخشب، حيث لا يؤثر ترك ثقوب متعددة سلبًا على سلامة هيكل المنتج النهائي أو جماله.

في المقابل، لا تترك العدادات بدون دبابيس أي علامات مادية. تُستخدم فقط على الخشب المسطح، ويجب أن يبقى سطح المستشعر بأكمله ملامسًا للخشب أثناء القراءة.

جهاز قياس رطوبة الخشب الذكي أوريون 950 بدون دبوس

يُعدّ بطء قياس رطوبة الخشب نتيجةً أخرى لضرورة إدخال أو دقّ المسامير عند استخدام مقياس المسامير. يستغرق إدخال المسامير بالعمق المناسب، ثم إزالتها، والتأكد من بقائها في حالة جيدة لأخذ القراءة وقتًا.

نتيجةً لذلك، عند تقييم حالة رطوبة قطعة أو دفعة كبيرة من الخشب، يتطلب الأمر استثمارًا كبيرًا من الوقت. والاحتمال الأرجح هو أن تأخذ قراءات أقل. الأول يُطيل الجداول الزمنية للمشروع وتكاليفه، بينما يعني الثاني أنك ستتخذ قراراتك بناءً على بيانات أقل.

يمكنك العمل بكفاءة أكبر بكثير باستخدام عدادات بدون دبابيس لأنها تتطلب جهدًا بدنيًا أقل للاستخدام وليست عرضة للتلف المادي مثل أقطاب الدبابيس.

لكن هذا هو وضعنا اليوم. أجهزة قياس الرطوبة الكهربائية لها تاريخ يمتد لما يقارب مئة عام. ومن المثير للاهتمام أنها لا تزال تعتمد على طريقة أقدم - وهي التجفيف بالفرن - للتحقق من دقتها. لفهم آلية عمل أجهزة قياس رطوبة الخشب اليدوية اليوم، يجدر التعمق في تطور التقنية التي تعتمد عليها.

طرق التجفيف بالفرن هي المعيار الذهبي لقياس رطوبة الخشب

أقدم طريقة استُخدمت لتجفيف الخشب هي التجفيف بالهواء أو "التجفيف الجوي". وهذا يستغرق وقتًا. وكان الخشب يُترك غالبًا لسنوات قبل استخدامه. وقد أدت المحاولات الأولى لتسريع عملية التجفيف إلى بناء أنواع مختلفة من "البيوت الجافة". كانت هذه هياكل بسيطة تُبنى فوق أقبية محفورة تحتوي على فرن من الطوب أو البلاط.

في الولايات المتحدة، لم يكن استخدام "البيوت الجافة" شائعًا، ويعود ذلك جزئيًا إلى مخاطر الحرائق الكبيرة التي كانت تُشكلها. أُجريت بعض التجارب باستخدام أنابيب البخار في خمسينيات القرن التاسع عشر، لكنها لم تُكتب لها النجاح. وفي نهاية المطاف، ظهرت أولى أفران تجفيف الأخشاب الناجحة، وهي غرف تجفيف مزودة ببعض العزل الحراري، في أنحاء الغرب الأوسط الأمريكي في سبعينيات القرن التاسع عشر.

من خلال التجربة والخطأ، اكتشف مشغلو الأفران أن تجفيف الخشب على درجات حرارة منخفضة مع دوران الهواء يُعطي نتائج أفضل من رفع درجة الحرارة. وفي نهاية المطاف، حظي نهج التجربة والخطأ الذي تتبعه الشركات الساعية إلى تقليل أوقات التجفيف مع تعظيم الإنتاج بدعم من العلماء والباحثين. ومن خلال البحث العلمي، بدأ الباحثون في اكتشاف مجموعة واسعة من الخصائص الفيزيائية للخشب والتحقق من صحتها. ومن بين اكتشافاتهم فهم البنية الخلوية والخصائص الكيميائية للخشب.

وبدوره، أدى هذا إلى فهم كيفية تأثير الاختلافات المادية بين أنواع الخشب، وحتى بين نفس الأنواع المزروعة في مواقع مختلفة، على عملية تجفيف الخشب.

ومن خلال تطور أبحاث الأخشاب، تمكن علماء الأخشاب من تطوير صيغة لتحديد محتوى الرطوبة في قطعة من الخشب كدالة لوزنها ويتم التعبير عنها كنسبة مئوية.

محتوى الرطوبة (MC) = (الوزن الأولي - الوزن الجاف في الفرن) / الوزن الجاف في الفرن * 100

وبالتالي، توفر طريقة التجفيف بالفرن قياسًا مباشرًا لرطوبة قطعة الخشب. إذا كان لديك فرن لتجفيف الخشب، يمكنك وزن الخشب قبل وبعد دورة التجفيف فيه. ASTM D4442 (طريقة الاختبار القياسية لقياس محتوى الرطوبة المباشر للخشب والمواد القائمة على الخشب) تنص على أن التجفيف بالفرن يوفر "أعلى درجة من الدقة" وهو "المعيار المرجعي (الأساسي) لتحديد محتوى الرطوبة في الخشب والمواد القائمة على الخشب".

ونتيجة لذلك، يتم استخدام تجفيف الخشب بالفرن وفقًا لمعيار ASTM D4442 كنقطة مرجعية لمعايرة أجهزة قياس الرطوبة المحمولة لكل ASTM D4444 (طريقة الاختبار القياسية لتوحيد ومعايرة أجهزة قياس الرطوبة المحمولة في المختبر).

توفر مقاييس الرطوبة المحمولة قياسًا غير مباشر للرطوبة. ولأن الماء موصل للكهرباء، تجمع هذه المقاييس بيانات حول سلوك التيارات أو الموجات الكهربائية في قطعة خشب. تُستخدم هذه البيانات، إلى جانب بيانات أخرى ذات صلة، لحساب محتوى الرطوبة في الخشب.

تطور أجهزة قياس رطوبة الخشب الكهربائية

لقد أدركت البشرية منذ زمن طويل أن الخشب يحتوي على رطوبة؛ وأنه يجف ويعيد امتصاصه عند ملامسته للماء. في الواقع، عرف العلماء أيضًا العلاقة بين الماء والكهرباء منذ اللحظة التي تم فيها اكتشاف الكهرباء تقريبًا. وتحديدًا، عرفوا أن الماء يوصل الكهرباء، حتى لو كانت العملية الكيميائية المحددة التي تحدث في الماء حيث تسمح للشحنات الكهربائية بالمرور من خلاله قد تم توثيقها مؤخرًا.

أثبت الباحثون لأول مرة إمكانية استخدام الخصائص الكهربائية للخشب كمقياس لمحتواه من الرطوبة في أواخر عشرينيات القرن الماضي. ومن أوائل أجهزة قياس رطوبة الخشب الكهربائية المحمولة التي نجد لها توثيقًا جهازًا "وميضًا" عام ١٩٢٧. كان هذا الجهاز مزودًا بمصباح نيون متصل بمكثف يلامس الخشب. يمتص المكثف الشحنة الكهربائية المارة عبر الخشب. عند شحن المكثف بالكامل، يضيء مصباح النيون لفترة وجيزة. كلما زادت سرعة إعادة شحن المكثف، زادت سرعة وميض المصباح.

كانت سرعة شحن المكثف مرتبطةً بمدى مقاومة الخشب. ولأن الرطوبة موصلة للكهرباء، فكلما زادت نسبة الرطوبة في الخشب، زادت سرعة شحن المكثف بالكامل. أما إذا كانت مقاومة الخشب عالية (أي منخفضة الرطوبة)، فسيومض المصباح ببطء.

خلال السنوات العشر التالية، طُوِّر نوع جديد من أجهزة قياس الرطوبة الكهربائية: جهاز قياس الأنبوب المفرغ. استخدم هذا الجهاز فولتميتر أنبوبي مفرغ كجزء من دائرة جسر ويتستون، التي تستخدم مقاومة لقياس الرطوبة على الخشب المراد قياسه. يُعدّ جهاز قياس الأنبوب المفرغ السلف المباشر لأجهزة قياس الرطوبة المقاومة المستخدمة اليوم.

بحلول منتصف أربعينيات القرن العشرين، أصبحت عدادات القياس الدبوسية متاحة تجاريًا. كانت تعمل (ولا تزال) بقياس تدفق التيار الكهربائي بين المجسات المُدخلة في الخشب. وكما هو الحال في عداد الوميض المبكر، كانت زيادة التيار بين المجسات مؤشرًا على انخفاض مستويات الرطوبة.

بدون موصلية الرطوبة العالية، أظهر الخشب الجاف مقاومةً كادت أن تُعيق تدفق التيار. استخدمت بعض مقاييس الرطوبة الدبوسية المبكرة أربعة مجسات. أما مقاييس الرطوبة الدبوسية الحديثة فتتطلب مجسين فقط.

خلال فترة طرح مقاييس المقاومة في الأسواق، كان الباحثون يستكشفون أيضًا كيفية استخدام الخصائص العازلة لقياس رطوبة الخشب. تستطيع المواد العازلة نقل التيارات الكهربائية دون أن تكون موصلة في حد ذاتها. وقد أدى هذا البحث في النهاية إلى نوعين آخرين من أساليب اختبار رطوبة الخشب، يعتمدان على مبدأين مختلفين للعزل الكهربائي.

دون الخوض في تفاصيل الهندسة الكهربائية، يستخدم هذان النوعان من عدادات العوازل موجات الراديو لقياس مستويات الرطوبة. يقيس عداد فقدان الطاقة مقدار الطاقة الكهرومغناطيسية المفقودة، والتي ترتبط بمستويات الرطوبة. أما عداد الرطوبة بالسعة، فيتبع النهج المعاكس، إذ يقيس مقدار الطاقة الكهربائية التي يمكن تخزينها. يشترك كلاهما عمليًا في أنهما لا يتطلبان دبابيس لاختراق سطح الخشب.

بدلاً من ذلك، يستخدمون ألواح استشعار تُصدر ترددات راديوية عبر الخشب. كان مختبر منتجات الغابات (FPL) التابع لوزارة الزراعة الأمريكية قد طوّر جهازًا يعمل بالسعة لقياس مستويات رطوبة الخشب، ولكنه لم يكن متوفرًا تجاريًا. في ذلك الوقت، كان العديد من المصنّعين يبيعون أجهزة قياس الرطوبة الدبوسية.

العصر الحديث لأجهزة قياس رطوبة الخشب الكهربائية

بحلول أوائل ستينيات القرن العشرين، كان هناك جهاز شائع لقياس الرطوبة يعمل بتقنية فقدان الطاقة في السوق. خلال تلك الفترة، كان ديلمر فاغنر، مؤسس شركة فاغنر ميترز، يعمل كهربائيًا في منشرة في ولاية أوريغون. استخدم المصنع كاشف رطوبة داخليًا كبيرًا وغير عملي ذي أنبوب مفرغ.

لبناء جهاز قياس رطوبة أصغر حجمًا وأسهل معايرة، صمم ديلمر أول جهاز قياس رطوبة خطي. استخدم هذا النظام ترانزستورات لقياس الرطوبة. ترك ديلمر مصنع الأخشاب في نهاية المطاف، وفي عام ١٩٦٥، أسس شركة فاغنر للإلكترونيات (المعروفة اليوم باسم فاغنر ميترز)، التي كانت تُصنّع أجهزة قياس رطوبة خطية لصناعة الأخشاب.

كانت جميع أجهزة قياس رطوبة الخشب المحمولة تقريبًا في السوق حتى أواخر الثمانينيات أجهزة قياس رطوبة دبابيسية. ومع ذلك، كانت هذه الأجهزة الجديدة التي لا تحتوي على دبابيس كبيرة الحجم، ويصعب معايرتها، وحساسة جدًا للظروف المحيطة. ونتيجةً لذلك، ازدهر سوق أجهزة قياس الرطوبة الدبابيسية، بينما كان هناك عدد قليل جدًا من الأجهزة التي لا تحتوي على دبابيس.

في تسعينيات القرن الماضي، شرعت شركة فاغنر ميترز في تطوير جهاز لقياس رطوبة الخشب بدون دبابيس، والذي عالج عيوب أجهزة قياس الرطوبة بدون دبابيس التي كانت تُباع آنذاك في السوق. وقد تميّز أول خط إنتاج من أجهزة قياس الرطوبة المحمولة بدون دبابيس من فاغنر ميترز بدوائر مُحسّنة تعمل بالموجات الكهرومغناطيسية، مما أدى إلى قراءات أكثر دقة للرطوبة.

بالإضافة إلى ذلك، كانت الدوائر أقل حساسية لدرجة حرارة المحيط ودرجة حرارة الخشب. كما تمكنت شركة Wagner Meters من تقليل حجم جهاز القياس اليدوي بشكل ملحوظ مقارنةً بالمتوفر حاليًا في السوق. كان وزن أجهزة القياس بدون دبابيس من شركات مصنعة أخرى لا يقل عن 10 أرطال. صُممت أجهزة قياس الرطوبة الأصلية لمصانع الخشب، لكن شركة Wagner Meters أضافت جهازًا مصممًا خصيصًا للنجارين بحلول منتصف التسعينيات.

كانت سلسلة أجهزة قياس الرطوبة الرقمية بدون دبابيس من فاغنر تناظرية في البداية. استُبدلت السلسلة التناظرية بسلسلة من أجهزة قياس الرطوبة الرقمية بدون دبابيس في أوائل القرن الحادي والعشرين. استخدمت هذه الأجهزة معالجات دقيقة، مما أدى إلى انكماش حجم جهاز فاغنر المحمول. وبحلول ذلك الوقت، أثبتت العديد من الدراسات أن قدمت أجهزة قياس الرطوبة بدون دبابيس من Wagner قراءات أكثر دقة من أجهزة قياس الرطوبة بدون دبابيس.

تُعد هذه الدراسات مهمة لأنها دحضت الاعتقاد السائد بأن أجهزة قياس رطوبة الخشب أكثر دقة من الأجهزة بدون دبابيس. ولا تزال التقنيات الأساسية المستخدمة في كلٍّ من أجهزة قياس رطوبة الخشب ذات الدبابيس والأجهزة بدون دبابيس دون تغيير. واليوم، تُركز معظم التطورات في أجهزة قياس رطوبة الخشب على الميزات ذات القيمة المضافة المُدمجة في هذه الأجهزة والخدمات المرتبطة بها.

سلسلة أوريون من أجهزة قياس رطوبة الخشب الرقمية بدون دبابيس.

ونتيجة لذلك، فإن فاغنر أحدث خط من أجهزة قياس رطوبة الخشبيتضمن الطراز Orion® ميزات جديدة ومتطورة تجعل حياة عمال النجارة أسهل.

على سبيل المثال، تُعد عدادات أوريون الوحيدة في السوق التي يُمكن معايرتها في الموقع باستخدام جهاز المعايرة عند الطلب المُرفق مع كل عداد أوريون. أما جميع العدادات اليدوية الأخرى، فيتعين إرسالها إلى الشركة المُصنِّعة لمعايرتها في المصنع، مما يُكلف وقتًا وجهدًا.

تُحسّن بعض الميزات ذات القيمة المضافة الأكثر فائدة عملية جمع بيانات العداد وإدارتها. معرفة نقطة توازن محتوى الرطوبة (EMC) للموقع قيد الاستخدام من المهم جدًا حماية الخشب من الأضرار المستقبلية المرتبطة بالرطوبة، وتتضمن وظيفة Orion 950 حساب التوافق الكهرومغناطيسي للمستخدمين.

يجمع عداد الرطوبة بدون دبابيس قراءة درجة الحرارة المحيطة والرطوبة النسبية، ويستخدمها لحساب التوافق الكهرومغناطيسي (EMC). يمكن بعد ذلك استخدام هذا التوافق الكهرومغناطيسي كـ "محتوى الرطوبة المستهدف" للمشروع الذي تعمل عليه، أو للتنبؤ بأنماط التجفيف. تُريح حسابات التوافق الكهرومغناطيسي القائمة على عداد الرطوبة المستخدمين من عناء وعدم يقين حساب التوافق الكهرومغناطيسي بأنفسهم.

أثبتت أجهزة القياس بدون دبابيس أنها أكثر دقة وموثوقية من أجهزة قياس الرطوبة من النوع الدبوسي

بينما تعمل أجهزة قياس الرطوبة الدبوسية وغير الدبوسية على كيفية عمل الخواص الكهربائية للخشب، إلا أن كلاً منهما يبحث في خصائص مختلفة. ببساطة، تتفاعل أجهزة القياس الدبوسية مع الخواص الكيميائية للخشب، بينما تتفاعل أجهزة القياس غير الدبوسية مع الكثافة النوعية للخشب.

يختلف التركيب الكيميائي وكثافة قطعة الخشب باختلاف نوع الخشب. ولذلك، يتطلب كلا المقياسين تعديلًا وفقًا لنوع الخشب المراد قياسه للحصول على قراءة دقيقة للرطوبة.

وفقًا لـ FPL، من بين العوامل التي تؤثر على دقة قراءة العداد: الأحوال الجوية، وملامسة الأقطاب الكهربائية، ودرجة حرارة الخشب، ومهارة المُشغّل. تؤثر العديد من هذه العوامل على عدادات الرطوبة ذات المسامير بشكل أسرع من العدادات عديمة المسامير. وقد أظهرت الدراسات أن العدادات عديمة المسامير غالبًا ما تكون أكثر دقة وموثوقية من عدادات المقاومة.

على سبيل المثال، تُعدّ عدادات القياس حساسة للغاية لدرجات حرارة الخشب، مما قد يعيق الحصول على قراءة دقيقة. إذا كانت درجة حرارة الهواء بعيدة عن تلك العلامة في أي اتجاه، فعلى المُشغّل ضبط قراءات العداد بناءً على درجة حرارة الهواء الدقيقة في المكان الذي قُدّمت فيه.

يُعدّ ضبط درجة حرارة الخشب أحد العوامل التي تؤثر فيها مهارة مُشغّل جهاز القياس على دقة قياسه. كما تتطلب أجهزة القياس مهارة مُشغّل دقيقة لضمان إدخال كلا القطبين في الخشب بشكل صحيح وبالعمق المطلوب. فبدون ضبط المحاذاة أو العمق المناسبين، قد لا يقيس القطبان الرطوبة بدقة في تلك البقعة.

إن أهم مهارة يجب أن يمتلكها المشغل عند تركيب مقياس الرطوبة بدون دبابيس هي ببساطة التأكد من أن لوحات المستشعر موضوعة بشكل مسطح على سطح الخشب.

لهذا السبب، لا تُستخدم عادةً عدادات الرطوبة بدون دبابيس على الحطب. إلا أن سرعة وسهولة استخدام عدادات الرطوبة بدون دبابيس تعني أن النجارين عادةً ما يحصلون على قراءات أكثر منها باستخدام عدادات الرطوبة بدون دبابيس. توفر بيانات مستوى الرطوبة صورة أدق لحالة رطوبة دفعة من الخشب.

تنزيل مجاني - هل جهاز قياس الرطوبة الدبوس أو بدون دبوس هو الأفضل بالنسبة لك؟

تاريخ أجهزة قياس رطوبة الخشب: من التجربة والخطأ إلى أداة أساسية في النجارة

مع نمو صناعة الأخشاب بوتيرة متسارعة مع الثورة الصناعية خلال القرن التاسع عشر، كان من المنطقي أن تسعى مصانع الأخشاب إلى إيجاد طرق لتسريع عملية التجفيف بطرق لا تُتلف الخشب. وقد ساعدتهم منهجيتهم القائمة على التجربة والخطأ، إلى جانب معرفتهم المتناقلة بالتجفيف الجوي، على الابتكار.

أدركوا كيف يُسهم دوران الهواء في تعظيم الإنتاج من خلال السماح باستخدام درجات حرارة منخفضة لتجفيف الأخشاب. ولاحظوا كيف تتفاعل أنواع مختلفة من الأخشاب في ظروف متشابهة. وشكلت استكشافاتهم العملية أساسًا لعلم الأخشاب الرسمي.

أجهزة قياس Orion من Wagner Meters هي أجهزة قياس رطوبة الخشب الوحيدة الخالية من الدبابيس المتوفرة والتي يمكن معايرتها فعليًا في الميدان بدلاً من إعادتها إلى المصنع لإعادة المعايرة.

بفضل البحث العلمي والأكاديمي الدقيق، توسّع فهمنا للخصائص الفيزيائية والميكانيكية للخشب بشكل ملحوظ خلال القرن العشرين. ومن خلال هذا البحث، تمكّنت الصناعة من تحديد كيفية انتقال الرطوبة عبر الخشب، وكيف تؤثر الرطوبة الزائدة سلبًا عليه.

وفي إطار استكمال الدائرة، استخدمت صناعة الأخشاب مساهمات علم الخشب لتطوير الأدوات اللازمة لقياس نسبة الرطوبة في الخشب، بشكل مباشر وغير مباشر، بدرجة عالية من الدقة.

مع كشف علم الخشب عن المزيد حول التفاعل بين الرطوبة والكهرباء داخل الخشب، استخدم مصنعو العدادات هذه التطورات لتصميم وبناء أجهزة قياس الرطوبة القابلة للتطبيق تجارياً - ومقياس الرطوبة المحمول على وجه الخصوص.

بفضل أجهزة قياس رطوبة الخشب اليدوية الموثوقة والدقيقة، يستطيع كل نجار، من مشغل منشرة أخشاب إلى هواة جمع الأخشاب، اتخاذ قرارات مدروسة بشأن جاهزية الخشب للخطوة التالية في رحلته نحو الاستخدام المقصود. وبصفتها أداة فعّالة، أصبحت أجهزة قياس رطوبة الخشب الآن أساسية لدى جميع النجارين تقريبًا، مما يثير التساؤل حول سبب عدم استخدامها من قبل جميع النجارين.

في الواقع، الآن بعد أن أصبح بإمكان أي شخص الوصول إلى معلومات دقيقة حول حالة الرطوبة في الخشب من خلال جهاز قياس الرطوبة المحمول، فإنه يتحمل مسؤولية القيام بذلك.

توني مورغان

توني مورغان فني أول في شركة فاغنر ميترز، حيث يعمل ضمن فريق لاختبار المنتجات وتطويرها، بالإضافة إلى خدمة العملاء والتدريب على منتجات قياس الرطوبة. يمتلك توني خبرة ميدانية تمتد لـ 19 عامًا في عدد من شركات الإلكترونيات، وهو حاصل على بكالوريوس في الإدارة وزمالة في تكنولوجيا الإلكترونيات.

آخر تحديث في 10 يناير 2025