电阻式木材测湿仪

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在各种木制品的制作中,需要正确地掌握木材的含水率。这是由于木材的含水率会受空气湿度的影响而变化。当空气湿度高于木材含水率时,木材即从空气中吸取水分;反之则释放水分。木材以空气中吸取或释放水分的结果,就使木材体积膨胀或收缩,因此木制品就要变形、翘曲、豁裂或脱榫等等。为此,各生产单位都根据对产品的要求和加工特点,制订出木材含水率标准。

测量木材含水率的方法一般有:①测量木材的电阻(导电系数);②测量木材的介电系数;③称量法等等。我们试制了数台电阻式木材测湿仪,实际使用效果较好。其主要优点有:

①稳定性好,受空气温湿度变化影响小;

②准确度符合生产要求;

③测量范围较大,分度较宽,读数正确;

④全机体积只有120×256×178毫米\(^{3}\),便于携带;

⑤结构简单,易于制作。

下面我们把它介绍出来,供有关单位参考。

工作原理

木材的导电性能是随含水率的变化而变化的。干燥的木材具有良好的绝缘性能。随着木材含水率的增加,导电性能相应增大。电阻式木材测湿仪就是根据木材的这一性能而制作的。

最简单的测量方法如图1所示。这种方法一般只限于电阻小于10兆欧时使用。因为电阻过大就会使电流过小,因而无法测量。但木材较干燥时电阻值都很大,如木材含水率为9%,丙电极距离为2.2厘米时,其电阻约达600兆欧。因此用这种方法测量木材的电阻是不合适的。

图1
图1 🔍原图 (252×602)

我们是采用电桥法来测定木材电阻的,其原理如图2所示。由电阻r\(_{1}\)、r2、r\(_{3}\)、r4组成电桥的四个臂,在Cd两点之间接入一微安表。适当选配各臂的阻值,使Cd两点电位相等,则电流表指示在零点。当电桥某一臂的电阻变化时,电桥的平衡被破坏,于是电流表中就有电流流过,指针则指示出相应的数字。

木材测湿仪的实际电路如图3所示。其中R\(_{1}\)、R2分别相当于图2中的r\(_{1}\)和r2,R\(_{3}\)、R4相当于图2中的r\(_{3}\),R5、R\(_{6}\)和电子管相当于图2中的r4,其中的电子管可视为一可变电阻。a、b两点为仪器插头的插口,当插头插入木材中时,即相当于在a、b两点接入一电阻R\(_{x}\)。Rx随不同的木材含水率而变化,因而电子管栅极上的正偏压也随着改变,使电子管内阻改变。按下K\(_{3}\)按钮电流表指针应达满刻度,否则即调整电位器R9,使仪表达满度点。电位器R\(_{4}\)可调整仪器的零点。K2为测量范围变换开关,合上K\(_{2}\)即将加于电子管栅极上的正偏压分压,从而使仪器能够测量高湿度(低阻值)的木材。

图2
图2 🔍原图 (769×529)

对元件的要求

微安表:微安表要求灵敏度不劣于50微安。我们采用的是浦江61C1——A型50微安电流表制作的。

电子管:需选用低噪音电子管,以提高仪器的灵敏度。可采用1S5或国产1B2(1Б2П)。

电阻:电阻的稳定度对仪器稳定度的影响很大。如果图3中的R\(_{1}\)~R10变值,将使电桥失去平衡,因而使零点和满度点漂移。如果R\(_{11}\)~R17变值,将使电子管栅极上的输入分压电路改变,读数产生误差。我们采用的是经过挑选和老练处理的薄膜电阻。

此外测量范围变换开关(K\(_{2}\))要有良好的绝缘性能。我们选用的两片式三刀双掷高频瓷波段开关,并用环氧树脂密封。有机玻璃件(如接线板、测头电极用的有机玻璃座子等)也要求绝缘性能良好。加工后表面最好进行抛光,以防止因表面粗糙而使潮气吸附其上,使表面电阻降低而引起仪器的不稳定。

装配中应注意的问题

①零件排列位置方面要求不高,但应保证接线牢固、短捷,减少走线距离。

②高阻抗的栅回路接线必须采用塑胶线或套上绝缘套管,还应注意不使和不同于栅极电位的元件和引线相接触。否则因栅极阻抗很高,只要有极微的电流漏到栅极上,就会破坏仪器的稳定性。我们是将屏栅两回路的元件分别装在两块有机玻璃板上的,以保证隔离良好。

③因为被测木材的测量距离改变后,导电率也随着改变,因此针形电极的距离必须有一标准,使之与电路中的元件相适应。我们确定两电极间的距离为22毫米。

④针形电极是固定于有机玻璃针座上的(见图4)。有机玻璃的绝缘电阻约为10\(^{13}\)欧姆/厘米。这个电阻对较干燥的木材来说还不够大。为了提高它的绝缘程度,以减小它对木材电阻的分流作用,就需要提高两电极间有机玻璃的厚度。但这样又会把两电极间的距离拉长。为此,我们将针座居中剖开,使两铜块(铜块和电极是短路的)之间隔着一层空气,然后再用一块铜板将被剖开的两块有机玻璃固定在一起。由于铜板到铜块之间的有机玻璃的厚度可以作得较大,所以就提高了两电极间的绝缘电阻。

图3
图3 🔍原图 (416×344)

⑤电子管丝极为1、7两脚,但1脚与抑制栅直接连通,如果1脚处于正电位,则会使电子管的屏极产生二次电子发射,使读数不稳定。我们是将1脚接1.5伏电池的负极,7脚接正极。这样灵敏度比反接的低些,但按设计已可满足要求,而稳定性却有了提高。

⑥装配结束后,为了彻底避免仪器受空气湿度影响而引起稳定性不好,应将元件用环氧树脂密封。

刻度

我们是用秤量法来定刻度的。这种方法是先秤出欲测木材的重量,然后将此木材放在105℃的烘箱中干燥,24小时后再取出秤其重量。如果未烘干的木材重量为A,烘干后的重量为B,则木材含水率W\(_{o}\)就由下式决定:

W\(_{o}\)=\(\frac{A-B}{A}\)。

需要说明一点,由于木材存在湿度分布不均匀的情况,用电阻式木材测湿仪所测得的木材含水率,仅是电极测定的局部地方的含水率,而用秤量法测得的木材含水率则为木材的平均含水率。因此两者存在有一定的误差。为了弥补这个缺点,我们采用了两对电极(图4为示意图,只画了一对电极,电极引出线也没有画出)。

此外由于木材品种不同,它们的组织结构也就不同,因此以一种木材为标准定好的刻度,在测量其他品种的木材时应加以修正。修正数值由实验来决定。可将不同树种的修正数值列成一表,以便实际测量时随时查考。

使用注意事项

①调节零点和满度值时,测头电极不应与任何物体接触。

②测量时电极应顺木纹插入,因木材的顺木纹与跨越木纹的含水率是不同的。

③因木材的表面与内部的湿度存在着相当大的差别,因此测量时电极应用力插入木材,务使入木约6毫米。

④仪器应避免剧烈振动,防止表头游丝损坏。仪器应保持清洁与干燥,以便保持良好的电气性能。(陆大钧 郑克治 李伯寿)