EE05822B1 - Moisture meter and method for measuring the moisture content of wood above the fibre saturation point of wood with the electric charging effect. - Google Patents
Moisture meter and method for measuring the moisture content of wood above the fibre saturation point of wood with the electric charging effect.Info
- Publication number
- EE05822B1 EE05822B1 EEP201800017A EEP201800017A EE05822B1 EE 05822 B1 EE05822 B1 EE 05822B1 EE P201800017 A EEP201800017 A EE P201800017A EE P201800017 A EEP201800017 A EE P201800017A EE 05822 B1 EE05822 B1 EE 05822B1
- Authority
- EE
- Estonia
- Prior art keywords
- wood
- moisture content
- electrical
- moisture
- measuring
- Prior art date
Links
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
Leiutis kuulub materjalide uurimise ja analüüsimise valdkonda, täpsemalt puidu niiskussisalduse määramise elektriliste meetodite hulka, ja on kasutatav puidu kiu küllastuspunktist suurema niiskussisalduse korral. Niiskusmõõtur puidu elektrilise laadumise efektiga puidu kiu küllastuspunktist suurema niiskussisalduse mõõtmiseks sisaldab kahte mõõteelektroodi, stabiilset tugipingeallikat, elektromeetrilise sisendiga eelvõimendit, analoog-digitaalmuundurit, täppistakistit elektromeetrilise sisendiga eelvõimendi tagasisideahelas, elektrooniliste aktiivfiltrite plokki, mis sisaldab filtreid madalsageduslike ning kõrgsageduslike mõõtemürade filtreerimiseks operatsioonivõimendi ja kondensaatori abil, mikroarvutit mõõtmisprotsessi juhtimiseks ning LCD-displeid, kusjuures mikroarvutisse on mõõtmisprotsessi täieliku automatiseerimise eesmärgil sisestatud matemaatilised algoritmid. Meetod puidu elektrilise laadumise efektiga puidu küllastuspunktist suurema niiskussisalduse mõõtmiseks, mille kohaselt mõõdetakse puidus puidu elektritakistust, mõõdetud laadumisvoolu ajalise käigu alusel leitakse reaalajas puidu elektrimahtuvus eri ajamomentidel ning määratakse puidu laadumisarv kalibreerimismudeli koostamiseks ja valideerimiseks, kusjuures mõõtmisprotsessi juhitakse digitaalselt.The invention belongs to the field of research and analysis of materials, in particular to electrical methods for determining the moisture content of wood, and is applicable to moisture contents higher than the saturation point of the wood fiber. The humidity meter for measuring the moisture content of wood with an electric charge effect above the saturation point of the wood fiber includes two measuring electrodes, a stable reference voltage source, an electromagnetic input preamplifier, an analog-to-digital converter, to control the measurement process and an LCD display with mathematical algorithms embedded in the microcomputer to fully automate the measurement process. A method for measuring the moisture content of a wood above the saturation point of the wood by measuring the electrical resistance of the wood, finding the real-time electrical capacity of the wood at different time points and determining the wood load number to create and validate a calibration model.
Description
TEHNIKAVALDKOND TECHNICAL FIELD
Käesolev leiutis kuulub materjalide omaduste uurimise ja analüüsimise valdkonda, puidu niiskuse määramise meetodite ja seadmete, täpsemalt elektriliste juhtivus- ja impedantsmeetodite ja seadmete hulka. The present invention belongs to the field of research and analysis of materials properties, methods and devices for determining wood moisture, more specifically electrical conductivity and impedance methods and devices.
TEHNIKA TASE STATE OF THE ART
Puidu niiskussisalduse määramise idee puidu elektrijuhtivuse mõõtmise alusel esitas esmakordselt Stamm 1927. aastal. Sellest ajast peale on puidu elektritakistuse või elektrijuhtivuse (mis on elektritakistuse pöördväärtus) põhimõttel töötavaid puiduniiskusmõõtureid tööstuslikult seeriaviisiliselt toodetud ja neid kasutatakse laialdaselt praktikas ka tänapäeval. Praktikas kasutusel olevate tuntud takistus-tüüpi puiduniiskusmõõturite jaoks probleemne mõõtepiirkond algab 30% puidu niiskussisaldusest (kuivkaalu suhtes) ja sellest edasi niiskussisalduse suurenedes kuni ca 150% niiskussisalduseni. Seda niiskussisalduste piirkonda nimetatakse puidu kiu küllastuspunktist kõrgemaks piirkonnaks, sest siis hakkab puidu kapillaaridesse kogunema vaba vesi. The idea of determining the moisture content of wood based on the measurement of the electrical conductivity of wood was first proposed by Stamm in 1927. Since then, wood moisture meters operating on the principle of the electrical resistance or electrical conductivity of wood (which is the inverse of electrical resistance) have been manufactured industrially in series and are widely used in practice today. The problematic measuring range for the well-known resistance-type wood moisture meters used in practice starts at 30% wood moisture content (relative to dry weight) and increases from there to about 150% moisture content as the moisture content increases. This moisture content range is called the region above the saturation point of the wood fiber, because then free water begins to accumulate in the capillaries of the wood.
Puidu elektritakistus varieerub väga laiades piirides, sõltuvalt puidu niiskussisaldusest, temperatuurist, ja mingil määral ka puidu liigist. Puidu elektritakistuse laborimõõtmised kinnitasid jämedat hinnangut, et näiteks toatemperatuuril 20 kraadi Celsiuse järgi on 8% niiskussisaldusega puidu elektritakistus ca 10 giga-oomi, 18% niiskussisaldusega umbes 10 mega-oomi, 47% niiskussisaldusega umbes 100 kilo-oomi, 150% niiskussisaldusega umbes 10 kilo-oomi. Sellest tulenevalt on usaldusväärse mõõtetulemuse saamiseks vajalik niiskusmõõturit kalibreerida. The electrical resistance of wood varies within very wide limits, depending on the moisture content of the wood, the temperature, and to some extent also the type of wood. Laboratory measurements of the electrical resistance of wood confirmed a rough estimate that, for example, at room temperature of 20 degrees Celsius, the electrical resistance of wood with an 8% moisture content is about 10 giga-ohms, with an 18% moisture content about 10 mega-ohms, with a 47% moisture content about 100 kilo-ohms, with a 150% moisture content about 10 kilo-ohms. Consequently, it is necessary to calibrate the moisture meter to obtain a reliable measurement result.
Kirjanduse (Tamme, V., Muiste, P., Padari, A., Tamme, H. 2014. Modelling of Resistance-Type Wood Moisture Meters for Three Deciduos Tree Species (Black Alder, Birch, Aspen) in Moisture Contents Above Fibre Saturation Point. Baltic Forestry, 20 (1): 157-166) andmetel läbi viidud ulatusliku uuringu põhjal kolme praktilises kasutuses ja tootmises olevate puidu niiskusemõõturite usaldusväärsuse küsimuse selgitamiseks puidu kiu Based on the literature (Tamme, V., Muiste, P., Padari, A., Tamme, H. 2014. Modelling of Resistance-Type Wood Moisture Meters for Three Deciduos Tree Species (Black Alder, Birch, Aspen) in Moisture Contents Above Fibre Saturation Point. Baltic Forestry, 20 (1): 157-166), an extensive study was conducted to clarify the reliability of three wood moisture meters in practical use and production.
küllastupunktist suuremal ehk puidu üle 30% varieeritavatel niiskussisaldustel. Uuringu tulemusena leiti, et 95% usaldusnivool oli tuntud niiskusmõõturi ja kolme puuliigi korral võimalik varustada uued kalibreerimismudelid, mille alusel on võimalik kõrvaldada algselt leitud suured süstemaatilised vead (kuni 75% niiskussisaldust (NS)) mõõtetulemustes. at variable moisture contents greater than the saturation point, i.e. over 30% of wood. The study found that at a 95% confidence level, it was possible to provide new calibration models for a known moisture meter and three wood species, based on which it was possible to eliminate the initially found large systematic errors (up to 75% moisture content (NS)) in the measurement results.
Puidu elektritakistus on tuntud leiutistes mõõdetud kas alalisvoolu või vahelduvvoolu meetodil. Mõlemad variandid on kasutusel. The electrical resistance of wood has been measured in known inventions using either the direct current or alternating current method. Both variants are in use.
Patendi US4408128 (A) järgi on tuntud meetod puidu niiskussisalduse määramiseks oma olemuselt puidu vahelduvvoolu elektritakistuse määramine. Tuntud tehnilise lahenduse puhul on puidu niiskussisalduste mõõtepiirkonnaks leiutiskirjelduses toodud 10% kuni 40% niiskussisaldust. Selle niiskussisaiduste vahemiku jaoks on patendikirjelduses ära toodud ka kalibreerimiskõver, mis seob omavahel puidu tegelikku niiskussisaldust ja vahelduvvoolu elektritakistust. According to patent US4408128 (A), a known method for determining the moisture content of wood is essentially determining the alternating current electrical resistance of wood. In the case of the known technical solution, the measurement range of the moisture content of wood is given in the description of the invention from 10% to 40%. For this moisture content range, the patent description also gives a calibration curve that relates the actual moisture content of wood to the alternating current electrical resistance.
Vastavalt patendile ES2566775 B2 (A1) on tuntud meetod puidu niiskussisalduse määramiseks oma olemuselt puidu vahelduvvoolu elektritakistuse määramine. Tuntud tehnilises lahenduses on puidu niiskussisalduse mõõtepiirkonnaks on toodud 7% kuni 20% niiskussisaldust. Nimetatud mõõtepiirkonna kohta on patendikirjelduses ära toodud ka kalibreerimiskõver, mis seob mõõdetud puidu vahelduvvoolu elektritakistuse vastava puidu tegeliku niiskussisaldusega. Kalibreerimiskõverad on antud kahe puuliigi jaoks. According to patent ES2566775 B2 (A1), a known method for determining the moisture content of wood is essentially determining the alternating current electrical resistance of wood. In the known technical solution, the measuring range of the moisture content of wood is given as 7% to 20% moisture content. For the said measuring range, the patent description also provides a calibration curve that relates the measured alternating current electrical resistance of wood to the actual moisture content of the corresponding wood. The calibration curves are given for two types of wood.
Vastavalt patendile US4259633 (A) on tuntud meetod puidu niiskussisalduse määramiseks oma olemuselt puidu alalisvoolu elektritakistuse määramine. Elektritakistuse ajaline muutumine ehk triiv kompenseeritakse toitepinge analoogkorrigeerimisega, et saada püsivat näitu. Tuntud tehnilise lahenduse kirjelduses kalibreerimismudeli kohta avalikult kättesaadavad andmed puuduvad. Tuntud tehnilise lahenduse üldiseks mõõtepiirkonnaks on patendikirjelduses deklareeritud 10% kuni 90% niiskussisaldust. According to patent US4259633 (A), a known method for determining the moisture content of wood is essentially the determination of the direct current electrical resistance of wood. The temporal change in the electrical resistance, or drift, is compensated for by analog correction of the supply voltage to obtain a stable reading. There is no publicly available data on the calibration model in the description of the known technical solution. The general measurement range of the known technical solution is declared in the patent description to be 10% to 90% moisture content.
Vastavalt patendile US67008555 (A) on tuntud kalibreerimise meetod, mille iseloomulikuks tunnuseks on see, et mõõdetavat suurust, puidu elektrimahtuvust C, seostatakse kalibreerimise meetodis puidu niiskussisaldusega. According to patent US67008555 (A), a calibration method is known, the characteristic feature of which is that the measured quantity, the electrical capacitance C of wood, is associated in the calibration method with the moisture content of the wood.
Kõige lähemaks tehniliseks lahenduseks on vastavalt patendile US4621229 (A) tuntud puidu niiskussisalduse määramine alalisvoolu elektritakistuse meetodiga. Tuntud niiskusmõõturi lugem on sisuliselt niiskusmõõturi sisemise andmetöötluse algoritmi ehk kalibreerimisfunktsiooni abil arvutatud ehk prognoositud puidu niiskussisaldus. Tuntud tehnilise lahenduse iseloomuliks tunnuseks on see, et mõõdetavat suurust puidu elektritakistust R seostatakse kalibreerimise meetodid puidu niiskusesisaldusega. Tuntud meetodi puuduseks on see, et mõõdetav suurus, puidu elektritakistus, seostatakse kalibreerimise meetodis puidu niiskussisaldusega, mis ei võimalda anda usaldusväärsuset mõõtmistulemust puidu kiu küllastupunktist suuremal ehk puidu üle 30% varieeritavatel niiskussisaldustel. The closest technical solution is the determination of the moisture content of wood by the DC electrical resistance method known according to patent US4621229 (A). The reading of the known moisture meter is essentially the moisture content of wood calculated or predicted by the internal data processing algorithm or calibration function of the moisture meter. A characteristic feature of the known technical solution is that the measurable quantity, the electrical resistance of wood R, is associated with the moisture content of the wood in the calibration method. A disadvantage of the known method is that the measurable quantity, the electrical resistance of wood, is associated with the moisture content of the wood in the calibration method, which does not allow for reliable measurement results at variable moisture contents greater than the saturation point of the wood fiber, i.e. over 30% of the wood.
Tuntud meetodi peamiseks puuduseks on see, et üle kiu küllastuspunkti puidu niiskussisaldustel elektritakistuse mõõtmisandmete dispersioon kasvab progresseeruvalt puidu niiskuse kasvades, põhjustades tõsiseid probleeme takistustüüpi puidu niiskusmõõturite kalibreerimisel, mis omakorda on puidu niiskussisalduse määramise ebapiisava täpsuse põhjuseks puidu üle 30% niiskussisaldustel. The main disadvantage of the known method is that at wood moisture contents above the fiber saturation point, the dispersion of electrical resistance measurement data increases progressively with increasing wood moisture content, causing serious problems in calibrating resistance-type wood moisture meters, which in turn is the reason for insufficient accuracy in determining wood moisture content at wood moisture contents above 30%.
Kõige lähemaks tehniliseks lahenduseks on vastavalt patendile US4623229 (A) on tuntud niiskusmõõtur puidu elektrilise laadumise efektiga puidu küllastuspunktist suurema niiskussisalduse mõõtmiseks, mis sisaldab mõõteelektroode, tugipingeallikat, elektromeetrilise sisendiga eelvõimendit ning analoog-digitaalmuunduritniiskusemõõturiga ning mille konstruktsiooni illustreerib patendi US4621229 (A) joonis fig. 1. The closest technical solution is, according to patent US4623229 (A), a known moisture meter for measuring moisture content above the saturation point of wood by the effect of electrical charging of wood, which includes measuring electrodes, a reference voltage source, a preamplifier with an electrometric input and an analog-to-digital converter with a moisture meter, the construction of which is illustrated in figure 1 of patent US4621229 (A).
Tuntud niiskusmõõturi puududeks on puidu niiskussisalduse määramise ebapiisav täpsus, kuna mõõdetavat suurust, puidu elektritakistust, seostatakse selles puidu niiskussisaldusega. The disadvantages of the known moisture meter include insufficient accuracy in determining the moisture content of wood, since the measured quantity, the electrical resistance of wood, is associated with the moisture content of the wood.
Kirjanduses (V. Tamme. Elektriliste takistus-tüüüpi kontrollmeetodite arendamine puidukuivatites. Väitekiri filosoofiadoktori kraadi taotlemiseks. Tartu, 2016, 135 lk) on analüüsitud puidu niiskussisalduse määramisel mõõteelektroodide nn individuaalse kalibreerimise võimalust puidu kiu üle 30% niiskussisalduse määramisel. On välja selgitatud, et mõõteelektroodide individuaalse kalibreerimise abil on praktiliselt võimalik välistada juhuslike mõõtmisvigade tekkimine puidu kius üle 30% niiskussisalduse määramisel. The literature (V. Tamme. Development of electrical resistance-type control methods in wood dryers. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy. Tartu, 2016, 135 pages) has analyzed the possibility of so-called individual calibration of measuring electrodes when determining the moisture content of wood fiber above 30%. It has been found that by means of individual calibration of measuring electrodes, it is practically possible to exclude the occurrence of random measurement errors when determining the moisture content of wood fiber above 30%.
individuaalse kalibreerimise puuduseks on see, et elektroodide jaoks konkreetses asukohas läbi viidud individuaalne kalibreerimine kaotab oma kehtivuse, kui mõõteelektroodid (nõelvõi kruvielektroodid) paigaldada puidus järgmisesse juhuslikult valitud asukohta. Seega on individuaalse kalibreerimise näol tegemist tegelikult ühekordseks kasutamiseks mõeldud protseduuriga, mis õigustab ennast vaid laboritingimustes. The disadvantage of individual calibration is that an individual calibration performed for the electrodes at a specific location loses its validity if the measuring electrodes (needle or screw electrodes) are installed at the next randomly selected location in the wood. Thus, individual calibration is actually a one-time procedure that is only justified in laboratory conditions.
Mõõteelektroodide individuaalse kalibreerimise kogemusest võib teha ühe olulise järelduse: puidu kiu üle 30% niiskussisalduse määramisel tekkivate suurte juhuslike mõõtmisvigade tegelikuks põhjuseks on kõige tõenäosemalt puidu/mõõteelektroodi elektrilise kontakti takistus, mille väärtus on igas mõõteelektroodide puitu sisestamise kohas individuaalne ja unikaalne puidu heterogeensete ja varieeruvate looduslike omaduste (tihedus, niiskussisaldus, nn veetaskud, vaigusisaldus jne) tõttu. One important conclusion can be drawn from the experience of individual calibration of measuring electrodes: the real cause of large random measurement errors when determining the moisture content of wood fiber above 30% is most likely the resistance of the electrical contact between the wood and the measuring electrode, the value of which is individual and unique at each point where the measuring electrodes are inserted into the wood due to the heterogeneous and variable natural properties of the wood (density, moisture content, so-called water pockets, resin content, etc.).
Tuntud tehnilistes lahendustes on puiduniiskusmõõturid tegelikult puidu elektrilise takistuse mõõturid, mis on kalibreeritud kuivkaalu meetodil (näit standard ISO 3130:1975) puidu niiskussisalduse mõõtjateks. Vastavad kalibreerimismudelid koostatakse tavaliselt lineaarse regressiooni mudelitena. In known technical solutions, wood moisture meters are actually wood electrical resistance meters that are calibrated using the dry weight method (e.g. standard ISO 3130:1975) to measure wood moisture content. The corresponding calibration models are usually constructed as linear regression models.
Kirjanduse (vt V. Tamme. Elektriliste takistus-tüüpi kontrollmeetodite arendamine puidukuivatuses. Väitekiri filosoofiadoktori kraadi taotlemiseks. Tartu 2016, 135 lk) põhjal on teada, et puidu kiu üle 30% niiskussisaldustel kaasneb mõõteelektrood-puit kontakti elektritakistusega ka elektrood-/puitkontakti elektrimahtuvuse teke, kusjuures mõlemad - nii elektritakistus kui ka elektrimahtuvus - on ajast sõltuvad suurused. Based on the literature (see V. Tamme. Development of electrical resistance-type control methods in wood drying. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy. Tartu 2016, 135 pages), it is known that at wood fiber moisture contents above 30%, the electrical resistance of the measuring electrode-wood contact is also accompanied by the formation of electrical capacitance of the electrode/wood contact, whereby both - electrical resistance and electrical capacitance - are time-dependent quantities.
Praktika on näidanud, et tuntud leiutist omava firma Gann (www.gann.de) originaalsete metallist valmistatud mõõteelektroodide (tüüp M19) korrosioon võib olulisel määral häirida elektritakistuse ja elektrimahtuvuste ajaliste sõltuvuste ülesvõtmist. Practice has shown that corrosion of the original metal measuring electrodes (type M19) from the well-known company Gann (www.gann.de), which owns the invention, can significantly disrupt the recording of the time dependences of electrical resistance and electrical capacitance.
Leiutise eesmärgiks oli välja töötada uue põlvkonna puiduniiskusmõõtur ja meetod selle kalibreerimiseks, puidu kiu küllastuspunktist suurema, täpsemalt üle 30% puidu niiskussisalduse usaldusväärseks määramiseks, The aim of the invention was to develop a new generation of wood moisture meter and a method for calibrating it, for reliable determination of wood moisture content above the saturation point of wood fibers, more precisely above 30%.
LEIUTISE OLEMUS ESSENCE OF THE INVENTION
Käesoleva leiutise olemus seisneb selles, et luua senituntud tehnilisest lahendusest erinev niiskusemõõtur puidu niiskussisalduse määramiseks puidu kiu kiillastuspunktist suurema, täpsemalt üle 30% puidu niiskussisalduste korral, ja meetod niiskusemõõturi kalibreerimiseks. The essence of the present invention is to create a moisture meter different from the previously known technical solution for determining the moisture content of wood at wood moisture contents greater than the wedge loading point of the wood fiber, more precisely, at wood moisture contents greater than 30%, and a method for calibrating the moisture meter.
Niiskusmõõtur puidu elektrilise laadumise efektiga puidu kiu küllastuspunktist suurema niiskussisalduse mõõtmiseks sisaldab kahte mõõteelektroodi, stabiilset tugipingeallikat, elektromeetrilise sisendiga eeivõimendit, analoog-digitaalmuundurit, täppistakistit elektromeetrilise sisendiga eelvõimendi tagasisideahelas, elektrooniliste aktiivfiltrite plokki, mis sisaldab filtreid madalsageduslike ning kõrgsageduslike mõõtemürade filtreerimiseks operatsioonivõimendi ja kondensaatori abil, mikroarvutit mõõtmisprotsessi juhtimiseks ning LCD-displeid, kusjuures mikroarvutisse on mõõtmisprotsessi täieliku automatiseerimise eesmärgil sisestatud matemaatilised algoritmid. The moisture meter for measuring the moisture content of wood above the saturation point of the wood fiber by the effect of electrical charging includes two measuring electrodes, a stable reference voltage source, a preamplifier with an electrometric input, an analog-to-digital converter, a precision resistor in the feedback circuit of the preamplifier with an electrometric input, a block of electronic active filters, which includes filters for filtering low-frequency and high-frequency measurement noise using an operational amplifier and a capacitor, a microcomputer for controlling the measurement process, and LCD displays, whereby mathematical algorithms have been entered into the microcomputer for the purpose of fully automating the measurement process.
Niiskusemõõturi mõõteelektroodideks on korrosioonivabad isoleeritud süsinikkiud- nõelelektroodid. Need võivad olla valmistatud ka roostevabast terasest või alumiiniumisulamist. The measuring electrodes of the moisture meter are corrosion-free insulated carbon fiber needle electrodes. They can also be made of stainless steel or aluminum alloy.
Puidu elektrilise laadumise efektiga niiskusmõõturi kalibreerimise meetodi kohaselt sisaldab mõõtmisprotsess puidu elektritakistuse ja laadumisvoolu mõõtmist ajast sõltuvana, eelnevalt valitud mõõteintervalliga, konstantse laadumispinge juures ette nähtud pikkusega mõõtetsükli korral, kusjuures mõõdetud laadumisvoolu ajalise käigu alusel leitakse reaalajas puidu elektrimahtuvus eri ajamomentidel ning määratakse puidu laadumisarv optimaalse kalibreerimismudeli koostamiseks ja valideerimiseks, kusjuures mõõtmisprotsessi juhitakse digitaalselt According to the method for calibrating a moisture meter with an electric charging effect on wood, the measurement process includes measuring the electrical resistance and charging current of the wood as a function of time, with a pre-selected measurement interval, at a constant charging voltage for a measurement cycle of a prescribed length, whereby the electrical capacitance of the wood at different points in time is found in real time based on the time course of the measured charging current and the charging number of the wood is determined for the preparation and validation of an optimal calibration model, whereby the measurement process is controlled digitally.
Puidu elektrilise laadumise meetodile vastavalt on puidu laadumisarvu järgi puidu elektritakistus pöördvõrdelises sõltuvuses puidu elektrimahtuvusega kõigil kalbreerimismudelis erinevatel puidu tegelikel niiskussisaldustel, kusjuures kasutatakse elektritakistuste hälvete koondamiseks kalibreerimismudelis elektrimahtuvusest sõltuva muutuja integreerimisega kalibreerimismudelisse. Elektrimahtuvusest sõltuvaks muutujaks on laadumisarvu kaudu puidu elektritakistus ning niiskussisaldus. According to the method of electrical charging of wood, the electrical resistance of wood, according to the charging number of wood, is inversely proportional to the electrical capacitance of wood at all different actual moisture contents of wood in the calibration model, whereby the deviations of electrical resistances are combined in the calibration model by integrating a variable dependent on electrical capacitance into the calibration model. The variable dependent on electrical capacitance is the electrical resistance of wood through the charging number and the moisture content.
Puidu elektrilist laadumist iseloomustavaid muutujaid, elektritakistust ja elektrimahtuvust mõõdetakse parima võimaliku täpsusega konstantsel laadumispingel potentsiostaatilises laadimisrežiimis. Ühe mõõtetsükli jooksul kogutakse hulk katseandmeid, saadud katseandmeid töödeldakse, selleks kasutatakse matemaatilisi seoseid ning selle tulemusena parandatakse kalibreerimismudeli kvaliteeti. Kogutud andmeid töödeldakse mikroarvuti abil ning registreeritakse elektritakistuse ja elektrimahtuvuse ajalised käigud. The variables characterizing the electrical charging of wood, electrical resistance and electrical capacitance, are measured with the best possible accuracy at a constant charging voltage in potentiostatic charging mode. During one measurement cycle, a number of test data are collected, the obtained test data are processed, mathematical relationships are used for this, and as a result, the quality of the calibration model is improved. The collected data is processed using a microcomputer and the time courses of electrical resistance and electrical capacitance are recorded.
JOONISTE LOETELU LIST OF DRAWINGS
Joonisel fig. 1 on kujutatud puidu elektrilise laadumise põhimõtet realiseeriva elektroonikaseadme analoogosa. Fig. 1 shows the analog part of an electronic device that implements the principle of electrical charging of wood.
Joonisel fig. 2 on kujutatud puidu elektrilise laadumise efektiga niiskusemõõturi põhimõtteskeem. Fig. 2 shows the basic diagram of a moisture meter using the effect of electrical charging of wood.
Joonisel fig. 3 on kujutatud tüüpilised puidu elektritakistuse Rx = Rpuit + Rkontakt sõltuvused Fig. 3 shows typical dependences of the electrical resistance of wood Rx = Rwood + Rcontact
ajast 20 sekundi pikkuse mõõtetsükli jooksul. of time during a 20 second measurement cycle.
Joonisel fig. 4 on kujutatud puidu elektrimahtuvuse C sõltuvused ajast 20 sekundi pikkuse mõõtetsükli jooksul. Figure 4 shows the dependences of the electrical capacitance C of wood on time during a 20-second measurement cycle.
Joonisel fig. 5 on kujutatud puidu laadumisarvu logaritmi graafik, mis vastab valemile (6). Figure 5 shows a graph of the logarithm of the wood loading number, which corresponds to formula (6).
Joonisel fig. 6 on kujutatud LogR1n-st sõltuv kalibreerimismudel puidu niiskussisalduse prognoosimiseks puidu elektritakistuse mõõtmistulemuste alusel. Figure 6 shows a LogR1n-dependent calibration model for predicting wood moisture content based on wood electrical resistivity measurements.
Joonisel fig. 7 on kujutatud võrdlusmudel puidu tegeliku niiskussisalduse ja R1n alusel prognoositud puidu niiskussisalduste võrdlemiseks Figure 7 shows a comparison model for comparing actual wood moisture content and wood moisture content predicted based on R1n.
Joonisel fig. 8 on kujutatud võrdlusmudel puidu tegeliku niiskussisalduse ja 10 kordusmõõtmise alusel keskmistatud R1n alusel tehtud puidu niiskussisalduse prognoosi võrdlemiseks. Figure 8 shows a comparison model for comparing the actual moisture content of wood and the prediction of wood moisture content based on R1n averaged over 10 replicate measurements.
Joonisel fig. 9 on kujutatud kombineeritud muutujast (R1n+ C1n) sõltuv kalibreerimismudel puidu niiskussisalduse prognoosimiseks. Figure 9 shows a calibration model for predicting wood moisture content based on the combined variable (R1n+ C1n).
Joonisel fig. 10 on kujutatud võrdlusmudel puidu tegeliku niiskussisalduse ja muutuja (R1n + C1n)c alusel prognoositud puidu niiskussisalduste võrdlemiseks, juhul kui on ära korrigeeritud puidu tegelikul niiskussisaldusel 105% NS juhuslike vigade kokku surumisest tekkinud arvutuslik süstemaatiline viga. Figure 10 shows a comparison model for comparing the actual moisture content of wood and the moisture content of wood predicted based on the variable (R1n + C1n)c, if the computational systematic error resulting from the compression of random errors at the actual moisture content of wood of 105% NS has been corrected.
Joonisel fig. 11 on kujutatud kombineeritud muutujast Log(R1+R20) sõltuv kalibreerimismudel puidu üle 30% tegeliku niiskussisalduse prognoosimiseks Fig. 11 shows a calibration model dependent on the combined variable Log(R1+R20) for predicting the actual moisture content of wood above 30%.
Joonisel fig. 12 on kujutatud võrdlusmudel puidu tegeliku niiskussisalduse ja muutuja Log(R1n + R20n) alusel prognoositud puidu niiskussisalduste võrdlemiseks. Figure 12 shows a comparison model for comparing the actual moisture content of wood and the moisture content predicted based on the variable Log(R1n + R20n).
Joonisel fig. 13 on kujutatud võrdlusmudel puidu tegeliku niiskussisalduse ja muutuja Log(R1n+ R20n) alusel prognoositud puidu niiskussisalduste võrdlemiseks, kui on tehtud 10 kordusmõõtmist. Figure 13 shows a comparison model for comparing the actual moisture content of wood and the moisture content predicted based on the variable Log(R1n+ R20n) when 10 replicate measurements have been made.
Joonisel fig. 14 on kujutatud kalibreerimismudel kombineeritud sõltumatu x-muutujaga R + 0.00005 ·C3, mis on edaspidi nimetatud R+Par5 muutujaks. Figure 14 shows the calibration model with a combined independent x-variable R + 0.00005 ·C3, which is referred to hereafter as the R+Par5 variable.
Joonisel fig. 15 on kujutatud võrdlusmudel tegeliku niiskussisalduse ja joonisel fig. 14 kujutatud kalibreerimisfunktsiooni abil prognoositud niiskussisalduste võrdlemiseks. Figure 15 shows a comparison model for comparing the actual moisture content and the moisture contents predicted using the calibration function shown in Figure 14.
Joonisel fig. 16 on kujutatud R+Par5 kalibreerimismudel juhul, kui on tehtud k=10 kordusmõõtmist. Figure 16 shows the R+Par5 calibration model when k=10 replicate measurements have been made.
Joonisel fig. 17 on kujutatud võrdlusmudel puidu tegeliku niiskussisalduse ja joonisel fig. 19 kujutatud kalibreerimismudeli abil prognoositud puidu niiskussisalduste võrdlemiseks, juhul kui on tehtud k=10 kordusmõõtmist. Figure 17 shows a comparison model for comparing the actual moisture content of wood and the moisture content of wood predicted by the calibration model shown in Figure 19, if k=10 replicate measurements have been made.
Joonisel fig. 18 on kujutatud eri mudelite tolerantsi intervallid. Figure 18 shows the tolerance intervals for different models.
TEOSTUSNÄIDE EXAMPLE
Järgnevalt kirjeldatakse leiutist täielikumalt, koos viidetega lisatud joonistele, millel on kujutatud jooniste eelistatud teostus. The invention will now be described more fully with reference to the accompanying drawings, in which a preferred embodiment of the drawings is shown.
Joonisel fig. 1 on kujutatud puidu elektrilise laadumise põhimõtet realiseeriva elektroonikaseadme analoogosa. Puidu elektriline laadimine toimub konstantsel pingel, näiteks, U0= 1,024 volti, mis võetakse tugipingeallikast. Elektromeetri E, ehk täpsemalt elektromeetrilise sisendiga operatsioonvõimendi, tagasisideahelasse on lülitatud täppistakisti R0. Mõõdetav puidu elektritakistus Rx on lülitatud elektromeetri sisendisse. Läbi mõõdetava puidu elektritakistuse kulgeb laadimisvool Ilaad. Elektromeetri väljundpinge UVäij muutub ettenähtud piirides. Fig. 1 shows the analog part of an electronic device that implements the principle of electric charging of wood. Electric charging of wood occurs at a constant voltage, for example, U0= 1.024 volts, which is taken from a reference voltage source. A precision resistor R0 is connected to the feedback circuit of the electrometer E, or more precisely, an operational amplifier with an electrometric input. The measured electrical resistance of the wood Rx is connected to the input of the electrometer. The charging current Ilaad flows through the measured electrical resistance of the wood. The output voltage of the electrometer UVäij changes within the prescribed limits.
Puidu elektrilise laadumise ekvivalentskeem (fig. 2), kus puidu/mõõteelektroodi elektrilise kontakti takistus sõltub ajast logaritmiliselt: Equivalent diagram of the electrical charging of wood (Fig. 2), where the resistance of the wood/measuring electrode electrical contact depends logarithmically on time:
R(t) = a · ln(t) + b, (1) R(t) = a ln(t) + b, (1)
ja puidu/elektroodi kontakti elektrimahtuvus sõltub ajast lineaarselt: and the electrical capacitance of the wood/electrode contact depends linearly on time:
C(t) = а1 · t + b1, (2) C(t) = а1 · t + b1, (2)
kus a, b, a1 ja b1 on konstandid mõõteelektroodide antud konkreetse asukoha jaoks puidus. Kui mõõteelektroodide asukohta puidus muuta, siis omandavad konstandid uued väärtused, kuid funktsioonide üldkuju (logaritmiline (1) - lineaarne (2)) jääb samaks. where a, b, a1 and b1 are constants for a given specific location of the measuring electrodes in the wood. If the location of the measuring electrodes in the wood is changed, the constants acquire new values, but the general shape of the functions (logarithmic (1) - linear (2)) remains the same.
Elektritakistuse ja elektrimahtuvuse ajaliste sõltuvuste arvutamiseks on kasutatud joonisel fig. 1 kujutatud põhimõtteskeemi, kus puitu elektriliselt laadiv (polariseeruv) pinge võetakse täppis-tugipingeallikast U0=1,024 V ja puidu ajast sõltuv elektritakistus arvutatakse valemist The principle diagram shown in Fig. 1 has been used to calculate the time dependences of electrical resistance and electrical capacitance, where the voltage that electrically charges (polarizes) the wood is taken from a precision reference voltage source U0=1.024 V and the time-dependent electrical resistance of the wood is calculated from the formula
kus Rx on puidu elektritakistus oomides, R on elektromeetri tagasiside täppistakisti takistus oomides (100 megaoomi) ja Uväljund on mõõdetud analoog-väljundpinge voltides. where Rx is the electrical resistance of the wood in ohms, R is the resistance of the electrometer's feedback precision resistor in ohms (100 megohms), and Uoutput is the measured analog output voltage in volts.
Puidu laadimisvool amprites arvutatakse valemist: The wood charging current in amperes is calculated from the formula:
ja puidu elektrimahtuvus arvutatakse valemist: and the electrical capacitance of wood is calculated from the formula:
kus Cx on puidu elektrimahtuvus faradites, Q on puidu elektrilaeng kulonites, mille konkreetne väärtus määratakse laadimisvoolu Ilaad numbrilise integreerimise abil, mis omakorda viiakse läbi seadme tööd juhtiva mikroarvuti abil reaalajas. where Cx is the electrical capacitance of the wood in farads, Q is the electrical charge of the wood in coulombs, the specific value of which is determined by numerical integration of the charging current Ilaad, which in turn is carried out in real time by a microcomputer controlling the operation of the device.
Puidu elektrilise laadimise tsükkel konstantsel laadimispingel kestab, näiteks, 20 sekundit, kusjuures mõõteintervall on eelnevalt valitav vahemikus 0,1 kuni 1,0 sekundit. Seega, antud näite puhul, ühe mõõtetsükli jooksul registreeritakse 200 kuni 20 puidu elektritakistuse Rx ja laadimisvoolu Ilaad ajast sõltuvat mõõtetulemusi. The cycle of electrical charging of wood at a constant charging voltage lasts, for example, 20 seconds, with the measurement interval being pre-selected between 0.1 and 1.0 seconds. Thus, in the given example, during one measurement cycle, 200 to 20 time-dependent measurements of the electrical resistance Rx of the wood and the charging current Ilaad are recorded.
Leiutise olemuse esiletõstmiseks on defineeritud katseandmete analüüsi alusel puidu empiiriline laadumisarv. Kui moodustada mõõdetud elektritakistustest ja arvutatud elektrimahtuvustest korrutised iga järgneva mõõteintervalli jooksul, siis selgus, et need korrutised on praktiliselt konstantsed (väga väikese varieeruvusega, vt joonis fig. 3), ning ei sõltu ka puidu niiskussisaldusest üle 30% puidu niiskussisalduste piirkonnas. See väga väikese varieeruvusega empiiriline konstant nimetati puidu laadumisarvuks. Logaritmides puidu laadumisarvu, saame lihtsa matemaatilise seose, mida on mugav esitada graafikuna (joonis fig. 3): To highlight the essence of the invention, the empirical charge number of wood has been defined based on the analysis of experimental data. If we form the products of the measured electrical resistances and the calculated electrical capacitances during each subsequent measurement interval, it turned out that these products are practically constant (with very small variability, see Fig. 3), and also do not depend on the moisture content of the wood in the region of wood moisture contents above 30%. This empirical constant with very small variability was called the charge number of wood. By taking the logarithms of the charge number of wood, we obtain a simple mathematical relationship, which is convenient to present as a graph (Fig. 3):
log(LA) = log R1n + log C1n, (6) log(LA) = log R1n + log C1n, (6)
kus LA on puidu laadumisarv, R1n on vastavalt puidu elektritakistused ja C1n puidu elektrimahtuvused n-da mõõtmistsükli esimesel sekundil. where LA is the charge number of the wood, R1n are the electrical resistances of the wood and C1n are the electrical capacitances of the wood in the first second of the nth measurement cycle, respectively.
Kommentaarid puidu empiirilisese tunnuse, laadumisarvu, kohta on järgmised. The comments on the empirical characteristic of wood, the load capacity, are as follows.
1. Kuna puidu laadumisarv ise ei sõltu puidu niiskussisaldusest, siis ei sobi see muutujaks kalibreerimismudelisse, mille eesmärgiks on prognoosida puidu niiskussisaldust puidu kiu küllastuspunktist suurema, see on puidu üle 30% niiskussisaldusel. 1. Since the wood loading number itself does not depend on the moisture content of the wood, it is not suitable as a variable in a calibration model, the purpose of which is to predict the moisture content of wood above the wood fiber saturation point, that is, at a moisture content of wood above 30%.
2. Puidu laadumisarv matemaatiliselt esitab empiiriliselt tunnust, et puidu elektritakistus on pöördvõrdelises sõltuvuses puidu elektrimahtuvusega kõigil kalibreerimismudelis esinevatel puidu tegelikel niiskussisaldustel. Seda asjaolu on teoreetiliselt võimalik ära kasutada elektritakistuse suurte hälvete kokkusurumiseks kalibreerimismudelis elektrimahtuvusest sõltuva uue muutuja integreerimisega mudelisse. Seda protseduuri võib nimetada kalbireerimismudeli signaal-müra-suhte parandamiseks, või ka kalibreerimismudeli kvaliteedi tõstmiseks. 2. The wood charge number mathematically represents the empirical characteristic that the electrical resistance of wood is inversely proportional to the electrical capacitance of wood at all actual moisture contents of wood present in the calibration model. This fact can theoretically be used to compress large deviations in electrical resistance by integrating a new variable dependent on electrical capacitance into the calibration model. This procedure can be called improving the signal-to-noise ratio of the calibration model, or also increasing the quality of the calibration model.
Joonisel fig. 2 on kujutatud puidu elektrilise laadumise efektiga niiskusemõõturi põhimõtteskeem, kusjuures niiskusemõõturi funktsionaalsed elemendid on näidatud plokkskeemina. Niiskusmõõtur sisaldab mõõteelektroode 1 ja 2, stabiliseeritud tugipingeallikat 3, analoogmõõteahela plokki 4, analoog-digitaalmuundurit 5, mikroarvutit 6 ja LCD-displeid 7. Analoogmõõteahela plokk 4 sisaldab elektromeetrilise sisendiga eelvõimendit A1, elektrooniliste aktiivfiltrite plokki 8 ja lülitust 9 (R2 ja R3) analoogvõimendi väljundpinge ja nullimispinge summeerimiseks. Mõõtelektroodid 1 ja 2 on ette nähtud surumiseks puidu 11 sisse niiskussisalduse (NS) mõõtmiseks. Fig. 2 shows a schematic diagram of a moisture meter with the effect of electric charging of wood, with the functional elements of the moisture meter shown as a block diagram. The moisture meter includes measuring electrodes 1 and 2, a stabilized reference voltage source 3, an analog measuring circuit block 4, an analog-digital converter 5, a microcomputer 6 and LCD displays 7. The analog measuring circuit block 4 includes a preamplifier A1 with an electrometric input, a block of electronic active filters 8 and a circuit 9 (R2 and R3) for summing the output voltage of the analog amplifier and the zeroing voltage. The measuring electrodes 1 and 2 are intended to be pressed into wood 11 to measure the moisture content (NS).
Joonisel fig.2 on seadme funktsionaalsed elemendid näidatud skemaatiliselt plokkskeemina. Analoogmõõteahela plokk 4, mis sisaldab elektromeetrilise sisendiga eelvõimendit A1 signaali eelvõimendina, tagasiside täppistakistit 10 (R0), potentsiomeetrilist lülitust R1 võimendi nulli seadistamiseks, lülitust 9 (näiteks takistid R2 ja R3) võimendi väljundpinge ja nullimispinge summeerimiseks, elektrooniliste aktiivfiltrite plokki 8 (joonisel fig. 2 tähistatud plokina ,,Filter“). mis sisaldab filtreid madalsageduslike ja kõrgsageduslike mõõtemürade filtreerimiseks operatsioonvõimendi A2 ja kondensaatori C1 abil. Stabiliseeritud tugipingeallikas 3 väljastab mõõteelektroodile 2 stabiliseeritud alalispinge väärtusega U0, milline pinge mõõteelektroodil 2 langeb mõõtmisprotsessis puidu 11 või puitmaterjali ekvivalentakistusel Rx kuni null volti potentsiaalini mõõteelektroodil 1 , mis on In Fig. 2, the functional elements of the device are shown schematically as a block diagram. An analog measuring circuit block 4, which includes a preamplifier with an electrometric input A1 as a signal preamplifier, a feedback precision resistor 10 (R0), a potentiometric circuit R1 for setting the amplifier to zero, a circuit 9 (for example, resistors R2 and R3) for summing the amplifier output voltage and the zeroing voltage, a block of electronic active filters 8 (in Fig. 2, marked as the block "Filter"), which includes filters for filtering low-frequency and high-frequency measurement noise using an operational amplifier A2 and a capacitor C1. A stabilized reference voltage source 3 outputs a stabilized DC voltage with a value of U0 to the measuring electrode 2, which voltage on the measuring electrode 2 drops during the measurement process at the equivalent resistance Rx of wood 11 or wood material to a potential of zero volts on the measuring electrode 1, which is
ühendatud elektromeetrilise sisendiga eelvõimendi A1 sisendi nullpotentsiaali tähistava punktiga О analoogmõõteahela plokis 4. Analoogmõõteahela ploki 4 üldine otstarve on konvertida eelvõimendi A1 sisendis mõõdetud elektritakistuse Rx väärtus võimalikult lineaarselt ja müravabalt analoogväljundpingeks Uvälj., luues sellega eeldused analoogväljundi signaali muundamiseks digitaalseks signaaliks analoog-digitaalmuunduri 5 abil. Mõõtetulemuse edasine digitaalne töötlus toimub mikroarvuti 8 abil, töötlemise tulemus väljastatakse numbriliselt LCD-displeil 7. Niiskusemõõturi elektrooniliste elementide 3, 5, 6, 7, 8, 9 toiteahelaid ei ole joonisel fig.2 kujutatud, samuti ei ole kujutatud mõõtmistsüklit markeerivat heliallikat (summerit) ega valgusallikat (valgusdioodi). connected to the electrometric input of the preamplifier A1 with the point О indicating the zero potential of the input in the analog measuring circuit block 4. The general purpose of the analog measuring circuit block 4 is to convert the value of the electrical resistance Rx measured at the input of the preamplifier A1 as linearly and noise-free as possible into the analog output voltage Uout, thereby creating the prerequisites for converting the analog output signal into a digital signal using the analog-digital converter 5. Further digital processing of the measurement result is carried out by a microcomputer 8, the processing result is numerically output on the LCD display 7. The power supply circuits of the electronic elements 3, 5, 6, 7, 8, 9 of the moisture meter are not shown in Figure 2, nor is the sound source (buzzer) or light source (light emitting diode) marking the measurement cycle shown.
Joonisel fig. 3 on kujutatud tüüpilised puidu 11 elektritakistuse Rx=Rpuit +Rkontakt sõltuvused ajast 20 sekundi pikkuse mõõtetsükli jooksul. Mõõtmised on tehtud 21 puidus juhuslikult valitud asukohas, ühe puuliigi korral, ja 1/3 puidu paksuse sügavusel. Puuliigiks oli sanglepp, tegeliku keskmise niiskussisaldusega 105%, mis määrati kuivkaalu meetodil vastavalt standardile ISO3130:1975 ja temperatuuril 50 kraadi Celsiuse järgi, elektritakistus mõõdeti puidus 1/3 materjali paksuse sügavusel pinnast. Igale mõõtmistsüklile vastab üks graafik. Maksimaalseid puidu elektritakistuste mõõtetulemusi kujutavale graafikule ja minimaalseid mõõtetulemusi kujutavale graafikule parves on lisatud trendijoon. Graafikutelt on visuaalselt tuvastatav, et kõige väiksem hajuvus on puidu elektritakistusel mõõtmise algul punktis R1n . Võrdlev kirjeldav statistika mõõtepunktides R1n ja mõõtepunktides 20 sekundi möödudes R20n kinnitab seda järeldust Arvutatud vastavad variatsioonikordajad (σ/average)· 100% on vastavalt: (R1n=9,7% ja R20n=15,9%), st variaisioonikordaja suureneb 20. sekundil alates mõõtmise algusest oluliselt. Fig. 3 shows typical time dependences of the electrical resistance of wood 11 Rx=Rwood +Rcontact during a 20-second measurement cycle. The measurements were made in 21 randomly selected locations, in the case of one tree species, and at a depth of 1/3 of the wood thickness. The tree species was alder, with an actual average moisture content of 105%, which was determined by the dry weight method according to the ISO3130:1975 standard and at a temperature of 50 degrees Celsius, the electrical resistance was measured in the wood at a depth of 1/3 of the material thickness from the surface. One graph corresponds to each measurement cycle. A trend line is added to the graph showing the maximum electrical resistance measurement results of wood and to the graph showing the minimum measurement results in rafters. It can be visually identified from the graphs that the smallest dispersion is in the electrical resistance of wood at the beginning of the measurement at point R1n. Comparative descriptive statistics at measurement points R1n and at measurement points after 20 seconds R20n confirm this conclusion. The calculated corresponding coefficients of variation (σ/average)· 100% are respectively: (R1n=9.7% and R20n=15.9%), i.e. the coefficient of variation increases significantly at the 20th second from the start of the measurement.
Joonisel fig.4 on kujutatud tüüpilised puidu elektrimahtuvuse C sõltuvused ajast 20 sekundi pikkuse mõõtetsükli jooksul. Mõõtmised on tehtud 21 puidus juhuslikult valitud asukohas (joonise selguse huvides on kujutatud ainult min, max ja 4 vahepealset mahtuvuse ajast sõltuvuse graafikut 21 tegelikult määratud graafikust), ühe puuliigi korral, ja 1/3 puidu paksuse sügavusel. Puuliigiks on toodud näites sanglepp, tegeliku keskmise niiskussisaldusega 105%, mis määrati kuivkaalu meetodil vastavalt standardile ISO 3130:1975 ja temperatuuril 50 kraadi Celsiuse järgi, elektrimahtuvus, nagu ka elektritakistus, mõõdeti puidus 1/3 materjali paksuse sügavusel pinnast. Igale mõõtmistsüklile vastab üks graafik. Maksimaalseid puidu elektrimahtuvuse mõõtetulemusi Figure 4 shows typical time dependences of the electrical capacitance C of wood during a 20-second measurement cycle. The measurements were made in 21 randomly selected locations in wood (for the sake of clarity of the figure, only the min, max and 4 intermediate graphs of the dependence of capacitance on time from the 21 actually determined graphs are shown), for one wood species, and at a depth of 1/3 of the wood thickness. The wood species given in the example is alder, with an actual average moisture content of 105%, which was determined by the dry weight method according to the ISO 3130:1975 standard and at a temperature of 50 degrees Celsius, the electrical capacitance, as well as the electrical resistance, were measured in the wood at a depth of 1/3 of the material thickness from the surface. One graph corresponds to each measurement cycle. Maximum measurement results of the electrical capacitance of wood
kujutavale graafikule ja minimaalseid mõõtetulemusi kujutavale graafikule parves on lisatud trendijoon. Graafikutelt on visuaalselt tuvastatav, et kõige väiksem hajuvus on puidu elektrimahtuvusel mõõtmise algul punktis C1n. Võrdlev kirjeldav statistika mõõtepunktides C1n ja mõõtepunktides C20n kinnitab seda järeldust. Arvutatud vastavad variatsioonikordajad (s.o standardhälve jagatuna aritmeetilise keskmisega protsentides: (σ/average)· 100% on (C1n=10,4% ja C20n=14%), seega 20 sekundit mõõtmise algusest kasvas hajuvust kvantitatiivselt iseloomustav variatsioonikordaja oluliselt. A trend line has been added to the graph showing the minimum measurement results and the graph showing the minimum measurement results in the raft. It can be visually identified from the graphs that the smallest dispersion is in the electrical capacitance of wood at the beginning of the measurement at point C1n. Comparative descriptive statistics at measurement points C1n and C20n confirm this conclusion. The calculated corresponding coefficients of variation (i.e. standard deviation divided by the arithmetic mean in percentages: (σ/average)· 100% are (C1n=10.4% and C20n=14%), so 20 seconds after the start of the measurement, the coefficient of variation quantitatively characterizing the dispersion increased significantly.
Joonisel fig. 5 on kujutatud puidu laadumisarvu logaritmi graafik, mis vastab valemile (6). Laadumisarv ise puidu niiskussisaldusest ei sõltu, kuid selle tähtsus seisneb selles, et laadumisarvust lähtuvalt koostatud statistiliste muutujate abil on teoreetiliselt võimalik kokku suruda puidu niiskusmõõturi kalibreerimise regressioonimudeli hajuvust eriti puidu suurtel niiskussisaldustel, kus traditsioonilised puidu elektritakistust kasutavad mudelid muutuvad niiskussisalduse suurenedes progresseeruvalt ebatäpsemateks (st annavad ebatäpsema prognoosi puidu niiskussisaldusele). Fig. 5 shows a graph of the logarithm of the wood loading number, which corresponds to formula (6). The loading number itself does not depend on the moisture content of the wood, but its importance lies in the fact that using statistical variables based on the loading number, it is theoretically possible to compress the variance of the regression model for calibrating a wood moisture meter, especially at high moisture contents of the wood, where traditional models using the electrical resistance of the wood become progressively less accurate as the moisture content increases (i.e., they provide a less accurate prediction of the wood moisture content).
Järgnevad joonised fig. 6, fig. 7 ja fig 8. hõlmavad sellist teostusnäidet, kus kalibreerimismudelis sõltumatuks muutujaks on valitud puidu elektritakistus R1n kui kõige väiksema algse hajuvusega muutuja (vt fig. 3). The following figures, fig. 6, fig. 7 and fig. 8, include an embodiment where the electrical resistance of the wood R1n is selected as the independent variable in the calibration model as the variable with the smallest initial dispersion (see fig. 3).
Joonisel fig. 6 on kujutatud LogR1n-st sõltuv kalibreerimismudel puidu niiskussisalduse prognoosimiseks puidu elektritakistuse mõõtmistulemuste alusel. Mõõtmiste koguarv mudeli kohta oli n=63. Figure 6 shows a LogR1n-dependent calibration model for predicting wood moisture content based on wood electrical resistivity measurements. The total number of measurements per model was n=63.
Joonisel fig. 7 on kujutatud võrdlusmudel puidu tegeliku niiskussisalduse ja R1n alusel prognoositud puidu niiskussisalduste võrdlemiseks. Selline võrdlusmudel võimaldab hinnata joonisel fig. 6 antud kalibreerimismudeli ennustuspotentsiaali, kuna puidu tegelik niiskussisaldus on määratud suure täpsusega kuivkaalumise meetodil vastavalt standardile ISO 3130:1975. Figure 7 shows a comparison model for comparing the actual moisture content of wood and the moisture content predicted based on R1n. Such a comparison model allows for an assessment of the predictive potential of the calibration model given in Figure 6, as the actual moisture content of wood is determined with high accuracy by the dry weighing method according to ISO 3130:1975.
Joonisel fig. 8 on kujutatud võrdlusmudel puidu tegeliku niiskussisalduse ja 10 kordusmõõtmise alusel keskmistatud R1n alusel tehtud puidu niiskussisalduse prognoosi võrdlemiseks. 10 kordusmõõtmist on praktikas enim aktsepteeritud võte prognoosi Figure 8 shows a comparison model for comparing the actual moisture content of wood and the prediction of the moisture content of wood based on the average R1n of 10 replicate measurements. In practice, 10 replicate measurements are the most accepted method for prediction.
usaldusväärsuse tõstmiseks, kuna see ei ole eriti töömahukas. Seda võtet nimetatakse ka kalibreerimismudeli valideerimiseks 10 kordusmõõtmise juures. to increase reliability, as it is not very labor-intensive. This technique is also called validating the calibration model with 10 replicate measurements.
Võrreldes kirjanduses (Tamme, V., Muiste, P., Padari, A., Tamme, H. 2014. Modelling of Resistance-Type Wood Moisture Meters for Three Deciduos Tree Species (Black Alder, Birch, Aspen) in Moisture Contents Above Fibre Saturation Point Baltic Forestry, 20 (1): 157-166) tuntud üksikmõõtmisele prognoositud tolerantsi intervalliga 35% NS sanglepa puidu tegelikul niiskussisaldusel 90% on joonise fig. 6 kalibreerimismudeli abil prognoositud 105% tegeliku niiskussisalduse (NS) jaoks üksikmõõtmise tolerantsi intervall 20% NS. Seega üksikmõõtmise prognoos paranes 15% NS. Kui aga võrrelda mudeli fig. 7 üksikmõõtmise prognoosi, ja mudeliga fig. 8, 10 kordusmõõtmise abil tehtud tolerantsi intervalli prognoosi samal tegelikul niiskussisaldusel 105%, siis oli paranemine 20% NS -8,5% NS = 11,5% NS. Puidu niiskussisalduse tolerantsi intervalli prognoosi paranemine on ilmselt seotud mitme asjaoluga. Esiteks, praktikas läbi viidud eelnevalt kalibreeritud puidu niiskusmõõtjate ümberkalibreerimine, aga joonisel fig. 6 toimus originaalis elektrilise takistusmõõtja otsene kalibreerimine puiduniiskusmõõtjaks. Teiseks, tuntud puiduniiskusmõõtja oli elektritakistuste skaalas ülimalt laia mõõtepiirkonnaga (10 gigaoomi kuni mõnikümmend kilo-oomi), mis viis ilmselt alla elektritakistuse mõõtmistäpsuse üle 30% puidu niiskussisaldustel, lõppkokkuvõttes suurendades mõõtmistulemuste hajuvust. Compared to the single measurement predicted tolerance interval of 35% NS for the actual moisture content of 90% of black alder wood, known in the literature (Tamme, V., Muiste, P., Padari, A., Tamme, H. 2014. Modelling of Resistance-Type Wood Moisture Meters for Three Deciduos Tree Species (Black Alder, Birch, Aspen) in Moisture Contents Above Fibre Saturation Point Baltic Forestry, 20 (1): 157-166), the single measurement tolerance interval for the actual moisture content (NS) of 105% predicted by the calibration model of Fig. 6 is 20% NS. Thus, the single measurement prediction improved by 15% NS. However, if we compare the single measurement prediction of the model Fig. 7 and the tolerance interval prediction made by the repeated measurement of the model Fig. 8, 10 at the same actual moisture content of 105%, then the improvement was 20% NS -8.5% NS = 11.5% NS. The improvement in the prediction of the tolerance interval for wood moisture content is probably related to several factors. First, the recalibration of previously calibrated wood moisture meters carried out in practice, while in Fig. 6 the original electrical resistance meter was directly calibrated as a wood moisture meter. Second, the known wood moisture meter had an extremely wide measurement range in the electrical resistance scale (10 gigaohms to a few tens of kilo-ohms), which probably reduced the electrical resistance measurement accuracy by more than 30% at wood moisture contents, ultimately increasing the dispersion of the measurement results.
Joonistel fig. 9, fig. 10 ja fig. 11 kasutatakse puidu laadumisarvu ideoloogia alusel koostatud kombineeritud muutujat (R1n + C1n) kalibreerimismudeli sõltumatu muutujana, et suruda kokku kalibreerimismudeli suurt hajuvust eeskätt puidu suurematel niiskussisaldustel. In Fig. 9, Fig. 10 and Fig. 11, a combined variable (R1n + C1n) based on the ideology of wood loading number is used as an independent variable in the calibration model to suppress the large dispersion of the calibration model, especially at higher wood moisture contents.
Joonisel fig. 9 on kujutatud kombineeritud muutujast (R1n + C1n) sõltuv kalibreerimismudel puidu niiskussisalduse prognoosimiseks. Mõõtmiste koguarv mudeli kohta on n=63. Figure 9 shows a calibration model for predicting wood moisture content based on the combined variable (R1n + C1n). The total number of measurements per model is n=63.
Joonisel fig. 10 on kujutatud võrdlusmudel puidu tegeliku niiskussisalduse ja muutuja (R1n + C1n)c alusel prognoositud puidu niiskussisalduste võrdlemiseks, juhul kui on ära korrigeeritud puidu tegelikul niiskussisaldusel 105% NS juhuslike vigade kokkusurumisest tekkinud arvutuslik süstemaatiline viga 11,17% NS. Figure 10 shows a comparison model for comparing the actual moisture content of wood and the moisture content of wood predicted based on the variable (R1n + C1n)c, if the calculated systematic error of 11.17% NS resulting from the compression of random errors at the actual moisture content of wood of 105% NS has been corrected.
Võrreldes joonisel fig. 6 (R1n) kujutatud mudelit ja joonisel fig. 9 kujutatud (R1n + C1n ) mudelit, võib teha järelduse, et näiteks puidu tegelikul niiskussisaldusel 105% vähenes Comparing the model shown in Fig. 6 (R1n) and the model shown in Fig. 9 (R1n + C1n), it can be concluded that, for example, at an actual moisture content of wood of 105%, the
üksikmõõtmise tolerantsi intervall vastavalt 20% NS kuni 7% NS. See tähendab, et elektrimahtuvuse lisamine kalibreerimismudelisse vähendab oluliselt üksikmõõtmise veahinnangut, ehk parandab kalibreerimismudeli kvaliteeti, eriti üle 100% puidu tegelikul niiskussisaldusel. Kui joonisel fig. 9 kujutatud mudeli korral kasutada 10 kordusmõõtmise võtet hajuvuse vähendamiseks, siis puidu 105% tegeliku niiskussisalduse prognoosimisel üksiku (antud juhul 10 kordusmõõtmise keskmine tulemus on mõistetav üksikmõõtmise tähenduses) mõõtmise alusel võib sattuda tolerantsi intervalli 7% NS asemel vaid intervalli 2,2% NS (vt joonis fig. 9). Joonisel fig. 10 võib täheldada väga kõrget R2=0,9885 väärtust, mis viitab korrigeeritud süstemaatilise veaga mudeli väga heale ennustuspotentsiaalile. Kui joonise fig. 10 põhjal on parima mudeliga puidu tegelikul niiskussisaldusel 105% üksikmõõtmisele prognoositud tolerantsi intervall 7% NS, siis puidu tegelikul niiskussisaldusel 77% NS on see 14,5% NS ja tegelikul puidu niiskussisaldusel 34% NS on üksikmõõtmise tolerantsi intervall vastavalt 12,1% NS. Niisiis on täheldatav üksikmõõtmisele prognoositud tolerantsi intervalli vähenemine suurematel, eelistatult üle 100% puidu niiskussisaldustel. Tulemus on täielikult vastuolus ainult puidu elektritakistusest sõltuva mudeli (vt joonis fig. 6) käitumisega. the tolerance interval of a single measurement is 20% NS to 7% NS, respectively. This means that adding electrical capacitance to the calibration model significantly reduces the error estimate of a single measurement, i.e. improves the quality of the calibration model, especially for actual moisture content of wood above 100%. If, in the case of the model shown in Fig. 9, 10 repeated measurements are used to reduce the dispersion, then when predicting the actual moisture content of wood at 105% based on a single measurement (in this case, the average result of 10 repeated measurements is understood in the sense of a single measurement), instead of the tolerance interval of 7% NS, only the interval of 2.2% NS may be reached (see Fig. 9). In Fig. 10, a very high R2=0.9885 value can be observed, which indicates a very good predictive potential of the model with corrected systematic error. If, in Fig. 10, the best model has a predicted tolerance interval of 7% NS for a single measurement at an actual wood moisture content of 105%, then at an actual wood moisture content of 77% NS it is 14.5% NS and at an actual wood moisture content of 34% NS the tolerance interval of the single measurement is 12.1% NS. Thus, a decrease in the predicted tolerance interval for a single measurement can be observed at higher, preferably over 100% wood moisture contents. The result is completely contrary to the behavior of the model that depends only on the electrical resistance of the wood (see Fig. 6).
Võrreldes joonisel fig. 9 kujutatud (R1n + C1n ) mudelit ja joonisel fig. 12 kujutatud (R1n + C1n+1/(R1n + C1n)) mudelit, võib täheldada, et komplitseerituma mudeli kasutamine ei anna erilist efekti lihtsama mudeliga (fig. 9) võrreldes. Näiteks 105% sanglepa puidu korral paranes prognoositud üksikmõõtmise tolerantsi intervall 7,17% NS kuni 7 ,15% NS, seega vaid 0,02%. Comparing the (R1n + C1n ) model shown in Fig. 9 and the (R1n + C1n+1/(R1n + C1n)) model shown in Fig. 12, it can be seen that the use of the more complicated model does not give a special effect compared to the simpler model (Fig. 9). For example, in the case of 105% alder wood, the predicted single measurement tolerance interval improved from 7.17% NS to 7.15% NS, thus only 0.02%.
Kaudselt on puidu laadumisarvu ideoloogiaga seotud ka (R1n+R20n) kombineeritud muutujaga kalibreerimismudel, sest puidu elektritakistuse (R20n) kasv laadumise 20. sekundiks on teatavas sünkroonis puidu elektrimahtuvuse kasvuga laadumise 20. sekundiks (vt joonised fig. 3 ja fig. 4). Järgnevatel joonistel fig. 14, fig. 15 ja fig. 16 on kujutatud (R1n+R20n) tüüpi mudelite kasutusnäidised (lihtsuse huvides on graafikute pealkirjades alaindeksid ära jäetud). The (R1n+R20n) combined variable calibration model is also indirectly related to the ideology of the wood loading number, because the increase in the electrical resistance (R20n) of wood by the 20th second of loading is in a certain synchrony with the increase in the electrical capacitance of wood by the 20th second of loading (see Figures 3 and 4). The following Figures 14, 15 and 16 show examples of the use of (R1n+R20n) type models (for the sake of simplicity, subscripts have been omitted in the titles of the graphs).
Joonisel fig. 11 on kujutatud kombineeritud muutujast Log(R1+R20) sõltuv kalibreerimismudel puidu üle 30% tegeliku niiskussisalduse prognoosimiseks. Mõõtmiste koguarv mudeli kohta on n=63. Figure 11 shows a calibration model dependent on the combined variable Log(R1+R20) for predicting the actual moisture content of wood above 30%. The total number of measurements per model is n=63.
Joonisel fig. 12 on kujutatud võrdlusmudel puidu tegeliku niiskussisalduse ja muutuja Log(R1n + R20n) alusel prognoositud puidu niiskussisalduste võrdlemiseks. Figure 12 shows a comparison model for comparing the actual moisture content of wood and the moisture content predicted based on the variable Log(R1n + R20n).
Joonisel fig. 13 on kujutatud võrdlusmudel puidu tegeliku niiskussisalduse ja muutuja R1n + R20n) alusel prognoositud puidu niiskussisalduste võrdlemiseks, kui on tehtud k=10 kordusmõõtmist, st eelmisel joonisel fig. 15 kujutatud võrdlusmudelit on hajuvuse vähendamiseks valideeritud 10 kordusmõõtmise korral. Fig. 13 shows a comparison model for comparing the actual moisture content of wood and the moisture content of wood predicted based on the variable R1n + R20n) when k=10 replicate measurements have been made, i.e. the comparison model shown in the previous Fig. 15 has been validated for 10 replicate measurements to reduce dispersion.
Joonisel fig. 14 on kujutatud kalibreerimismudel kombineeritud sõltumatu x-muutujaga R+0.00005· C3 ehk edaspidi lühendatult nimetatud (R+Par5) kalibreerimismudel, mis ei vaja enam süstemaatilise vea korrigeerimist nagu R+C mudel (vt joonis fig. 10), sest R+Par5 muutuja kasutamisel süstemaatilist viga ei teki. Figure 14 shows a calibration model combined with an independent x-variable R+0.00005· C3, or hereinafter abbreviated as (R+Par5) calibration model, which no longer requires systematic error correction like the R+C model (see Figure 10), because no systematic error occurs when using the R+Par5 variable.
Joonisel fig. 15 on kujutatud võrdlusmudel tegeliku niiskussisalduse ja joonisel fig. 17 kujutatud kaiibreerimisfunktsiooni abil prognoositud niiskussisalduste võrdlemiseks ja mudeli ennustuspotentsiaali hindamiseks. Figure 15 shows a comparison model for comparing the actual moisture content and the moisture contents predicted using the calibration function shown in Figure 17 and for evaluating the predictive potential of the model.
Joonisel fig. 16 on kujutatud R+Par5 kalibreerimismudel juhul, kui on tehtud k=10 kordusmõõtmist. Figure 16 shows the R+Par5 calibration model when k=10 replicate measurements have been made.
Joonisel fig. 17 on kujutatud võrdlusmudel tegeliku puidu niiskussisalduse ja joonisel fig. Fig. 17 shows a comparison model between the actual wood moisture content and the one in Fig.
19 kujutatud kalibreerimismudeli abil prognoositud puidu niiskussisalduste võrdlemiseks, juhul kui on tehtud k=10 kordusmõõtmist. For comparing the wood moisture contents predicted using the calibration model shown in Figure 19, if k=10 replicate measurements have been made.
Joonisel fig. 18 on kujutatud eri mudelite tolerantsi intervallid: a) tavalise elektritakistusest R oleneva kalibreerimismudeli prognoositud üksikmõõtmise tolerantsi intervall (joonisel punktiirjoon), b) kombineeritud muutujaga R+C mudeli abil leitud üksikmõõtmise tolerantsi intervall (joonisel paks pidevjoon) ja c) tegeliku puidu niiskussisalduse tolerantsi intervall (joonisel kriips-punktjoon) omavaheliseks võrdlemiseks. Figure 18 shows the tolerance intervals of different models: a) the predicted single measurement tolerance interval of the standard electrical resistance R calibration model (dotted line in the figure), b) the single measurement tolerance interval found using the combined variable R+C model (thick solid line in the figure), and c) the tolerance interval of the actual wood moisture content (dashed-dotted line in the figure) for comparison.
Jooniselt fig. 18 nähtub graafiliselt, kuidas käituvad eri sõltumatu x-muutujaga mudelite tolerantsi intervallid puidu tegeliku niiskussisalduse kasvades. Punkt-kriipsjoon tähistab puidu tegeliku niiskussisalduse tolerantsi intervalli, aga kuna see on nii kitsas (alla 1% NS), Fig. 18 shows graphically how the tolerance intervals of the models with different independent x-variables behave as the actual moisture content of the wood increases. The dotted-dashed line represents the tolerance interval of the actual moisture content of the wood, but because it is so narrow (less than 1% NS),
ei tule siis joonisel vahemik nähtavale, on ainult üks punkt- kriipsjoon. Punktiirjoon tähistab tavalise elektritakistusest R oleneva kalibreerimismudeli poolt prognoositud tolerantsi intervalli üksikmõotmise jaoks. Sellise trendi tõi esmakordselt välja Edwards 1974 aastal. Paks pidevjoon joonisel tähistab kombineeritud muutujaga R+C mudeli abil leitud tolerantsi intervalli käitumist. On näha, et esialgu on käitumine samane Edwardsi trendiga, kuid alates puidu tegelikust niiskusissaldusest 78% NS pöördub trend Edwardsi trendiga vastupidiseks, ja algab tolerantsi intervalli kokku surumine puidu suurematel tegelikel niiskussisaldustel, mis tähendab, et hakkab toimima laadumisarvu ideoloogia. Selline tolerantsi intervalli kokkusurumine on uus võrreldes tuntud tehnika tasemega. then the range is not visible in the figure, there is only one dotted-dashed line. The dotted line represents the tolerance interval predicted by the standard calibration model based on the electrical resistance R for a single measurement. This trend was first noted by Edwards in 1974. The thick solid line in the figure represents the behavior of the tolerance interval found using the combined variable R+C model. It can be seen that initially the behavior is the same as the Edwards trend, but from the actual moisture content of the wood of 78% NS the trend reverses to the Edwards trend, and the compression of the tolerance interval begins at higher actual moisture contents of the wood, which means that the ideology of the charge number begins to operate. Such compression of the tolerance interval is new compared to the prior art.
Võrreldes omavahel joonisel fig. 9 kujutatud (R1n+C1n) mudelit ja joonisel fig. 14 kujutatud (R1n+R20n) mudeleid puidu 105% tegeliku niiskussisalduse juures, võib täheldada (R1+R20) mudeli ligikaudu kaks korda suuremat hinnangut üksikmõotmise tolerantsi intervallile, mis suurenes 7%NS kuni 13,44%NS ja 10 kordusmõõtmise jaoks (vt joonis fig. 16) vastavalt 2,2% NS kuni 8,1% NS. Teiselt poolt aga, võrreldes fig. 16 ja fig. 10 üksikmõõtmise tolerantsi intervalle ülejäänud kahes niiskusrühmas puidu tegeliku niiskussisaldusega 78% NS (T. I=21% vs. 14,5%) ja 34%NS (T. I=8,6% vs 12,1), võib täheldada, et tolerantsi intervall väheneb mudelis fig. 10 niiskusrühmas 78%NS ja vähesel määral suureneb niiskusrühmas 34%NS. Comparing the (R1n+C1n) model shown in Fig. 9 and the (R1n+R20n) models shown in Fig. 14 at 105% actual wood moisture content, one can observe an approximately twice larger estimate of the tolerance interval of the single measurement for the (R1+R20) model, which increased from 7%NS to 13.44%NS and from 2.2%NS to 8.1%NS for 10 replicate measurements (see Fig. 16), respectively. On the other hand, comparing the tolerance intervals of the single measurement in Fig. 16 and Fig. 10 in the remaining two moisture groups with actual wood moisture content of 78%NS (T. I=21% vs. 14.5%) and 34%NS (T. I=8.6% vs. 12.1), one can observe that the tolerance interval decreases in the model in Fig. 10 in the 78%NS humidity group and slightly increases in the 34%NS humidity group.
Käesolevas tehnilises lahenduses sisaldavad mõõte-elektroodid kahte sümmeetrilist, ettenähtud omavahelise distantsiga isoleeritud nõel-elektroodi, mis on sisestatud puitu teatavale sügavusele puidu pinnast (tavaliselt 1/3 puidu paksust), ja mille vahele on rakendatud konstantne alalispinge ehk puidu laadumispinge. In this technical solution, the measuring electrodes include two symmetrical, insulated needle electrodes with a predetermined distance between them, which are inserted into the wood to a certain depth from the wood surface (usually 1/3 of the wood thickness), and between which a constant DC voltage, i.e. the wood charging voltage, is applied.
Kalibreerimismudeli ennustuspotentsiaali on võimalik vastavalt kasutaja soovidele kohandada (näiteks võib sobiva mudeli valikuga garanteerida parema ennustuspotentsiaali puidu suurematel niiskussisaldustel). The predictive potential of the calibration model can be adjusted according to the user's wishes (for example, choosing a suitable model can guarantee better predictive potential at higher moisture contents of wood).
Niiskusmõõturi kalibreerimise mudel on oma olemuselt statistiline regressioonmudel. Kalibreerimismudel koostatakse konkreetse empiiriliste katseandmete hulga ehk valimi põhjal. Kalibreerimismudeli kõige olulisemaks elemendiks on kalibreerimisfunktsioon, mis esitatakse matemaatilise avaldise kujul ja seda teades on võimalik iga mõõdetud sõltumatu The calibration model for a moisture meter is essentially a statistical regression model. The calibration model is constructed based on a specific set of empirical test data, or sample. The most important element of the calibration model is the calibration function, which is presented in the form of a mathematical expression, and knowing this, it is possible to calculate each measured independent
x-muutuja (puidu elektritakistus R, puidu elektrimahtuvus C, või mõni nende kahe parameetri summa) jaoks välja arvutada puidu niiskussisalduse väärtus, mis on kalibreerimisfunktsiooni seisukohalt sõltuv y-muutuja. For the x-variable (electrical resistance of wood R, electrical capacitance of wood C, or some sum of these two parameters), calculate the value of the moisture content of the wood, which is the dependent y-variable from the point of view of the calibration function.
Kalibreerimismudelid on leitud empiiriliselt, katse-eksimuse meetodil, mistõttu ei ole nende puhul tegemist teoreetiliselt tuletatud matemaatiliste avaldistega. Calibration models have been found empirically, through trial and error, and are therefore not theoretically derived mathematical expressions.
Niiskusemõõtur töötab järgmiselt. Niiskusemõõturi töö kirjeldamisel eeldatakse, et seade on töökorras, st enne mõõtmiste alustamist on seadet testitud mõõtepiirkonnale vastavalt valitud täppistakistitega. Niiskusemõõturi töökorras oleku testimine ei ole kokkuleppeliselt mõõtmisprotsessi osa. The moisture meter works as follows. When describing the operation of the moisture meter, it is assumed that the device is in working order, i.e. before starting measurements, the device has been tested with precision resistors selected according to the measurement range. Testing the working order of the moisture meter is not conventionally part of the measurement process.
Mõõtmisprotsessi võib tinglikult jagada üksteisele järgnevateks sammudeks või toiminguteks või etappideks. The measurement process can be conditionally divided into successive steps or operations or stages.
Esimene samm on järgmine. Mõõteelektroodid 1 ja 2 vajutatakse puitmaterjali 11 (tavaliselt laud, plank või pruss üle 30% algniiskussisaldusega) sisse, tavaliselt 1/3 materjali paksuse sügavusele, nii et puidu elektritakistus Rx moodustuks puidu pikikiudu suunaga risti olevas suunas, tavaliselt 30 mm elektroodide vahekaugusega (juhul kui kalibreerimismudeli korratavuse tingimused ei näe ette teistsugust suunda või teistsugust vahekaugust). Vältimaks voolu teekonda mööda puidu pinnakihti, peavad mõõte-elektroodid olema osaliselt isoleeritud, nii et voolu juhiks ainult nõelelektroodide 1 ja 2 puitu sisestatud koonusekujuline osa. Seejärel ühendatakse mõõteelektroodid varjestatud koaksiaalkaabliga, nii et elektrood 2 ühendatakse niiskusmõõturi mittetundliku terminaali abil tugipinge allikaga 3 ja tundliku terminaali abil plokiga 5 punktiga 0. Seejuures tuleb jälgida, et seadme tundlik osa ei saaks juhmete paigaldamise käigus elektrostaatilist laengut, mis võib parimal juhul moonutada mõõtmistulemusi, halvimal juhul aga ka seadme rikkuda. Mõõtmisprotsessi esimene samm on vajalik teha käsitsi (kui seda ei tee robot). Kuna niiskusmõõturi mõõtmisprotsess on eelprogrammeeritav ja mikroarvuti 6 poolt juhitav, siis edasine toimub automaatselt. The first step is as follows. The measuring electrodes 1 and 2 are pressed into the wood material 11 (usually a board, plank or beam with an initial moisture content of more than 30%), usually to a depth of 1/3 of the material thickness, so that the electrical resistance Rx of the wood is formed in a direction perpendicular to the longitudinal grain of the wood, usually with an electrode spacing of 30 mm (unless the repeatability conditions of the calibration model provide for a different direction or a different spacing). To avoid the current path along the surface layer of the wood, the measuring electrodes must be partially insulated, so that only the conical part of the needle electrodes 1 and 2 inserted into the wood conducts the current. The measuring electrodes are then connected to a shielded coaxial cable, so that the electrode 2 is connected to the reference voltage source 3 by the non-sensitive terminal of the moisture meter and to the block 5 with point 0 by the sensitive terminal. Care must be taken to ensure that the sensitive part of the device does not receive an electrostatic charge during the installation of the wires, which can distort the measurement results at best, and damage the device at worst. The first step of the measurement process must be done manually (unless it is done by a robot). Since the measurement process of the moisture meter is pre-programmable and controlled by the microcomputer 6, the rest is done automatically.
Teine samm on tegelik mõõtmine. Võimendile A1 tehakse nullikontroll ja sellele järgneb katseandmete kogumine 20 sekundi jooksul varem seadistatud mõõteintervalliga. Mõõtmise toorandmetes filtreeritakse täiendavalt digitaalselt mürasid, arvutatakse reaalajas puidu The second step is the actual measurement. A zero check is performed on the amplifier A1, followed by the collection of test data for 20 seconds at a previously set measurement interval. The raw measurement data is further digitally filtered for noise, and the real-time calculation of the wood
elektritakistus ja elektrimahtuvus, salvestatakse katseandmete ja varustatakse failinimega. Järgneb etteantud pikkusega paus, seejärel algab mõõtmise katseandmete kogumine 20 sekundi jooksul otsast peale. Mõõtmistsükkel 20 sekundit ja etteantud pikkusega paus on seadme kasutamise mugavuse huvides markeeritud nii heli- kui ka valgussignaaliga. Pausi võib mikroarvuti vastavalt programmile kasutada eelmise mõõtmise katseandmete esmaseks statistiliseks töötlemiseks. Samuti võib pausi kasutada mõõteelektroodide puidul järgmisse asukohta sisestamiseks. electrical resistance and electrical capacitance, the test data is saved and provided with a file name. A pause of a predetermined length follows, then the collection of measurement test data starts again for 20 seconds. The measurement cycle of 20 seconds and the pause of a predetermined length are marked with both an audio and a light signal for the convenience of using the device. The pause can be used by the microcomputer for the initial statistical processing of the test data of the previous measurement according to the program. The pause can also be used to insert the measuring electrodes into the next position on the stick.
Kolmas samm on andmeanalüüs mikroarvutis 6 ja puidu niiskussisalduse mõõtetulemuse väljastamine numbriliselt displeile 7 koos statistiliste usalduspiiridega. Andmeanalüüsil kasutatakse käesoleva seadme jaoks spetsiaalselt välja töötatud kalibreerimismeetodit, mille rakendamise tulemusena leitakse teaduslikult põhjendatud hinnang puidu niiskussisaldusele üle kiu küllastuspunkti niiskussisaldustel. The third step is data analysis in a microcomputer 6 and the numerical output of the wood moisture content measurement result on a display 7 with statistical confidence limits. The data analysis uses a calibration method specially developed for this device, the application of which results in a scientifically justified estimate of the wood moisture content at moisture contents above the fiber saturation point.
Puidu elektrilise laadumise efektiga niiskusemõõtur puidu küllastuspunktist suurema niiskussisalduse mõõtmiseks võimaldab reaalajas registreerida ja salvestada mikroarvuti mällu puidu elektritakistuse ja puidu elektrimahtuvuse ajalised käigud puidu elektrilise laadimise tsükli jooksul, eelnevalt valitava mõõtmiskiirusega. A moisture meter with an electric charging effect for measuring moisture content above the saturation point of wood allows real-time recording and storage in the microcomputer memory of the time course of the electrical resistance and capacitance of wood during the electric charging cycle of wood, at a pre-selected measurement speed.
Pärast mõõtmiste lõppu töödeldakse mõõtmisandmete fail seadme mikroarvutis vastavalt valitud kalibreerimismudelile ja väljastatakse puidu niiskussisalduse prognoos koos statistilise vea hinnanguga. Puidu elektrilise laadumise meetod puidu niiskussisalduse määramiseks puidu kiu küllastuspunktist kõrgema niiskussisalduse korral iseloomulikuks tunnuseks on see, et toimub puidu kiu küllastuspunktist kõrgema niiskuse mõõtmisel mõõtemääramatuse oluline kahanemine puidu niiskussisalduse kasvades. Mõõtemääramatuse kahanemine, eriti puidu suurtel niiskussisaldustel 100% ja enam, on saavutatud originaalse puidu laadumisarvu kasutusele võtuga ja selle arvestamisega kalibreerimismudeli koostamisel. After the measurements are completed, the measurement data file is processed in the device's microcomputer according to the selected calibration model and a forecast of the wood moisture content is output along with an estimate of the statistical error. A characteristic feature of the method of electrical charging of wood for determining the moisture content of wood at a moisture content higher than the saturation point of the wood fiber is that when measuring moisture above the saturation point of the wood fiber, a significant decrease in measurement uncertainty occurs as the wood moisture content increases. The decrease in measurement uncertainty, especially at high moisture contents of wood of 100% and more, has been achieved by introducing the original wood charging number and taking it into account when compiling the calibration model.
Niiskusmõõturite mõõtmistäpsust on suurendatud kalibreerimismudelite kasutusele võtuga. Niiskusmõõturite kalibreerimismudelite tekitamisega ehk sisuliselt niiskusmõõturite ümberkalibreerimisega ei õnnestunud kõrvaldada suuri juhuslikke vigu üksikmõõtmisele antavas veahinnangus. Näiteks 90% tegeliku niiskussisaldusega (tegelik niiskussisaldus The measurement accuracy of moisture meters has been increased by the introduction of calibration models. The creation of calibration models for moisture meters, or essentially recalibration of moisture meters, did not eliminate large random errors in the error estimate given to individual measurements. For example, with 90% actual moisture content (actual moisture content
määrati kuivkaalu meetodil vastavalt standardile ISO3130: 1975) puidu jaoks mudeli abil prognoositud üksikmõõtmine võis sattuda 95% usaldatavusega niiskussisalduste vahemikku 72,5% kuni 105,5% niiskussisaldust. Toodud näites oli üksikmõõtmisele hinnanguliselt omistatav niiskussisalduse tolerantsi intervall 35% niiskussisaldust, ja seda 95% usaldusnivool. Saadud statistiliste regressioonmudelite (st niiskusmõõturite uute kalibreerimismudelite) usaldusväärsust kontrolliti mitteparameetriliste Kolmogorov-Smirnov- ja Shapiro-Wilk-testidega. Leiti, et kõik leitud mudelid olid statistiliselt usaldusväärsed. was determined by the dry weight method according to ISO3130: 1975) for wood, the individual measurement predicted by the model could fall within the moisture content range of 72.5% to 105.5% moisture content with 95% confidence. In the example given, the estimated moisture content tolerance interval attributable to the individual measurement was 35% moisture content, and this at the 95% confidence level. The reliability of the resulting statistical regression models (i.e. the new calibration models for the moisture meters) was checked with non-parametric Kolmogorov-Smirnov and Shapiro-Wilk tests. All the models found were found to be statistically reliable.
Modelleerimise teiseks oluliseks järelduseks on fakt, et leitud regressioonmudelite jääkstandardhälve vähenes üllatavalt kiiresti koos tehtud kordusmõõtmiste arvuga - see tähendab seda, et mudelid olid statistilises mõttes hästi koonduvad. Seega optimaalselt valitud kordusmõõtmiste arv (10 ja enam) võimaldas oluliselt parandada kalibreerimismudelite kvaliteeti ja alla suruda puidu niiskussisalduse juhuslikke mõõtmisvigu üle 30% niiskussisalduse piirkonnas. Another important conclusion of the modeling is the fact that the residual standard deviation of the regression models decreased surprisingly quickly with the number of repeated measurements - this means that the models were statistically well convergent. Thus, the optimally selected number of repeated measurements (10 and more) allowed to significantly improve the quality of the calibration models and suppress random measurement errors of wood moisture content in the region of moisture content above 30%.
Käesolevas tehnilises lahenduses sisaldavad mõõte-elektroodid kahte sümmeetrilist isoleeritud nõel-elektroodi, omavahelise distantsiga 30 mm, mis on sisestatud puitu teatavale sügavusele puidu pinnast (tavaliselt 1/3 puidu paksust), ja mille vahele on rakendatud konstantne alalispinge ehk puidu laadumispinge. In this technical solution, the measuring electrodes include two symmetrical insulated needle electrodes, with a distance of 30 mm between them, which are inserted into the wood to a certain depth from the wood surface (usually 1/3 of the wood thickness), and between which a constant DC voltage, i.e. the wood charging voltage, is applied.
Puidu elektrilise laadumise efektiga niiskusemõõturi abil on osutunud võimalikuks vabaneda tuntud takistustüüpi puidu niiskusmõõturitele iseloomulikust progresseeruvalt laienevast veakoridorist, ja seda ilma puidu elektritakistust logaritmimata ning kordusmõõtmisi sooritamata. Using a moisture meter with the effect of electrical charging of wood, it has proven possible to get rid of the progressively widening error corridor characteristic of well-known resistance-type wood moisture meters, without taking the logarithm of the electrical resistance of the wood and without performing repeated measurements.
Leiutise olemus ei piirdu kitsalt ülaltoodud teostusnäitega, vaid võimaldab mitmeid edasiarendusi modelleerimise valdkonnas. Näiteks ei ole ülaltoodud teostusnäites esitletud ajahetke t = 0,1 sekundit jaoks R(0,1)1n ,C(0,1)1n ja nende kombinatsioonide alusel saadud kalibreerimismudeleid. Ka kombineeritud muutujate võimalik valik ei ole selles teostusnäites sugugi ammendav. The nature of the invention is not limited to the above embodiment, but allows for a number of further developments in the field of modeling. For example, the above embodiment does not present calibration models based on R(0,1)1n ,C(0,1)1n and their combinations for the time instant t = 0.1 seconds. The possible selection of combined variables is also not exhaustive in this embodiment.
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EEP201800017A EE05822B1 (en) | 2018-07-16 | 2018-07-16 | Moisture meter and method for measuring the moisture content of wood above the fibre saturation point of wood with the electric charging effect. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EEP201800017A EE05822B1 (en) | 2018-07-16 | 2018-07-16 | Moisture meter and method for measuring the moisture content of wood above the fibre saturation point of wood with the electric charging effect. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EE201800017A EE201800017A (en) | 2020-02-17 |
| EE05822B1 true EE05822B1 (en) | 2020-06-15 |
Family
ID=69469328
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| EEP201800017A EE05822B1 (en) | 2018-07-16 | 2018-07-16 | Moisture meter and method for measuring the moisture content of wood above the fibre saturation point of wood with the electric charging effect. |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| EE (1) | EE05822B1 (en) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4259633A (en) * | 1978-07-25 | 1981-03-31 | Armstrong Cork Company | Method and apparatus for measuring the moisture content of wood |
| US4408128A (en) * | 1979-03-08 | 1983-10-04 | Kett Electric Laboratory | Electric resistance type wide range moisture meter |
| US4621229A (en) * | 1983-02-24 | 1986-11-04 | Gann Mess- U. Regeltechnik Gmbh | Instrument for measuring the moisture content of solids |
| US6708555B1 (en) * | 2002-11-18 | 2004-03-23 | William F. Lyons, Jr. | Dielectric wood moisture meter |
| US20040124856A1 (en) * | 1995-03-15 | 2004-07-01 | Liebrecht Venter | Determining the dielectric properties of wood |
| US20120139565A1 (en) * | 2010-12-03 | 2012-06-07 | Polygon Us Corporation | Moisture sensing |
-
2018
- 2018-07-16 EE EEP201800017A patent/EE05822B1/en unknown
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4259633A (en) * | 1978-07-25 | 1981-03-31 | Armstrong Cork Company | Method and apparatus for measuring the moisture content of wood |
| US4408128A (en) * | 1979-03-08 | 1983-10-04 | Kett Electric Laboratory | Electric resistance type wide range moisture meter |
| US4621229A (en) * | 1983-02-24 | 1986-11-04 | Gann Mess- U. Regeltechnik Gmbh | Instrument for measuring the moisture content of solids |
| US20040124856A1 (en) * | 1995-03-15 | 2004-07-01 | Liebrecht Venter | Determining the dielectric properties of wood |
| US6708555B1 (en) * | 2002-11-18 | 2004-03-23 | William F. Lyons, Jr. | Dielectric wood moisture meter |
| US20120139565A1 (en) * | 2010-12-03 | 2012-06-07 | Polygon Us Corporation | Moisture sensing |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EE201800017A (en) | 2020-02-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6742154B2 (en) | Method and system for online monitoring of electrolytic capacitor status | |
| CN101087993B (en) | Method for monitoring sensor function | |
| JP6556350B2 (en) | Method for determining the gas concentration in a measuring gas with a gas sensor | |
| CN119804298A (en) | A corrosion monitoring and evaluation method and device for storage environment | |
| EE05822B1 (en) | Moisture meter and method for measuring the moisture content of wood above the fibre saturation point of wood with the electric charging effect. | |
| Dai et al. | Long-term monitoring of timber moisture content below the fiber saturation point using wood resistance sensors | |
| CN111272060B (en) | A method for quantifying the size of opening defects in the width direction of non-conductive materials based on single-pair electrode capacitance imaging detection technology | |
| CN117929171B (en) | A method for evaluating asphalt mixture performance based on waterlogged hamburger rutting data | |
| CN111337452A (en) | Method for verifying feasibility of spectral data model transfer algorithm | |
| CN111141809B (en) | Soil nutrient ion content detection method based on non-contact type conductivity signal | |
| Tamme et al. | Novel polarization-type moisture meter for determining moisture content of wood above fibre saturation point | |
| CN117741309A (en) | Method and device for evaluating insulation aging state and service life of high-frequency sensor | |
| Conde-García et al. | Improving the accuracy of wood moisture content estimation in four European softwoods from Spain | |
| KR102355439B1 (en) | Evaluation and calibration method for dew sensor | |
| CN119984630B (en) | Sensor compensation method, device and electronic equipment | |
| CN105259135B (en) | Suitable for real-time online without measuring point temperature-compensating near-infrared measuring method | |
| CN121208074B (en) | Method and system for detecting disease defects of reinforced concrete structure | |
| JP7685596B2 (en) | Method for determining the amount of a substance in a mixture of substances | |
| CN118901004A (en) | Plant Analysis Sensors | |
| Tamme et al. | Comparative testing of two alternating current methods for determining wood moisture content in kiln conditions | |
| CN115266768B (en) | Method and device for measuring quality of carbon granules of filter stick and computer equipment | |
| KR20250048948A (en) | Method for calculating moisture content of wood and terminal for executing the method | |
| Bet’ák et al. | Comparison of Wood Moisture Meters Operating on Different Principles of Measurement. Buildings 2023, 13, 531 | |
| Sakthivel et al. | A Simple, Linear Circuit for Measuring fF Range of Capacitances with Improved Performance | |
| Kalinowski et al. | Evaluation of the NO2 concentration prediction possibility based on static and dynamic responses of TGS sensors at changing humidity levels |