Koskettamaton ultraäänimittaus puun mittaussovelluksia

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "Koskettamaton ultraäänimittaus puun mittaussovelluksia"

Outi Hyttinen
5 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 Koskettamaton ultraäänimittaus puun mittaussovelluksia Laboratoriosta käytäntöön Valtakunnalliset mittauspäivät, Laura Tomppo

2 Tausta Kuopion yliopisto/itä-suomen yliopisto Kontaktiultraääneen liittyviä tutkimuksia mm. lahon detektointiin ja vanerin liimavikoihin liittyen (esim. Tiitta et al. 1998) Ensimmäiset ilmakytketyt sensorit hankittiin 2000-luvun alussa Viilumittauksia Lankun sisäisten halkeamien mittaus Puun kosteuden mittaus Lujuuden mittaus Puumuovikomposiittien mittaus Yhdistelmämittaukset

3 Miksi useimmat ultraäänimittaukset vaativat kontaktin, veden tai geelin? Akustinen impedanssi Z on materiaalin ominaisuus, joka riippuu materiaalin tiheydestä ja siinä etenevän ääniaallon nopeudesta v Z = ρv Kahden materiaalin rajapinnalla akustisten impedanssien ero vaikuttaa siihen, kuinka iso osa aallosta heijastuu Heijastumiskerroin: R = Z 2 Z 1 Z 2 +Z 1 2

Ilma/puu-rajapinta Ilma = 1.3 kg/m 3, v = 343 m/s Z air = 445.

4 Ilma/puu-rajapinta Ilma = 1.3 kg/m 3, v = 343 m/s Z air = kg/m 2 s Puu = 500 kg/m 3, v = 1000 m/s (syysuuntaan kohtisuoraan) Z wood = kg/m 2 s R = Yli 99.6 % ultraääniaallon energiasta heijastuu ilma/puurajapinnalta! Laura Tomppo

5 Ultraäänen kulkuajan ja amplitudin lisäksi voidaan mitata monia parametreja Laura Tomppo

Mitkä puun ominaisuudet vaikuttavat äänen etenemiseen?

puulajista, anatomisesta rakenteesta ja mittaussuunnasta

kosteuspitoisuuksissa kuin korkeissa Suunta: vuosirenkaat

6 Mitkä puun ominaisuudet vaikuttavat äänen etenemiseen? Jäykkyys (kimmokerroin) Tiheys Vaikutus riippuu puulajista, anatomisesta rakenteesta ja mittaussuunnasta Kosteuspitoisuus Vaikuttaa eri tavoin matalissa kosteuspitoisuuksissa kuin korkeissa Suunta: vuosirenkaat ja syysuunta Laho Oksat Halkeamat ja muut sisäiset viat Laura Tomppo

Viilun sorvaushalkeamien mittaus Koskettamaton mittaus eri suuntiin 116 khz Menetelmää testattu myös teollisella linjalla tuoreen ja kuivatun viilun mittaaminen poikkeaa toisistaan

7 Viilun sorvaushalkeamien mittaus Koskettamaton mittaus eri suuntiin 116 khz Menetelmää testattu myös teollisella linjalla tuoreen ja kuivatun viilun mittaaminen poikkeaa toisistaan merkittävästi! Tomppo, L., Tiitta, M., & Lappalainen, R. (2009). Ultrasound evaluation of lathe check depth in birch veneer. European Journal of Wood and Wood Products, 67(1), Laura Tomppo

8 Lankun sisähalkeamien mittaus Lämpöpuu, kuivattu puu, joka esim. hiotaan ja petsataan viimeistelyssä Röntgenin erotuskyky on rajallinen pitäisi saada kiinni myös suljetut halkeamat Sisähalkeamien lujuutta heikentävä vaikutus? Menetelmän kehitys ja Tutkimuksesta uutta tietoa ja liiketoimintaa hanke, sisähalkeilun mittaamiseen liittyvien oikeuksien siirto spin off -yritykselle (Puumit Oy) Kuvan koko 68 x 90 mm Laura Tomppo

9 Puun halkeilun mittaukset Halkeilu vaikuttaa selvästi ultraäänisignaalin etenemiseen Ultraäänimittausten avulla voitiin luokitella vähän halkeilleet ja selvästi halkeilleet (halkeama > 10 mm poikkileikkauksessa) Ristiinvalidoitu CCR (correct classification rate) 74 84% Tomppo, L., Tiitta, M., & Lappalainen, R. (2014). Nondestructive evaluation of checking in thermally modified timber. Wood science and technology, 48(2), Laura Tomppo

10 Haasteita sisähalkeamien mittauksessa Mittaus kehitetty pitkittäiskuljettimelle, esim. konenäköskannerin yhteyteen Vialliset kappaleet olisi hyvä saada kiinni jo aiemmin, yleensä poikittaiskuljettimella vaatii erityyppistä skannausta tai matriisiantureita Halkeaman asento ja vuosirenkaat suhteessa mittaussuuntaan vaikuttavat mittaustulokseen sopivassa asennossa oleva halkeama voi jopa vahvistaa signaalia täytyy huomioida algoritmeissa

11 Ultraääni mekaaniset ominaisuudet Sähköimpedanssispektroskopia (EIS) kosteus & tiheys Halkeiluun vaikuttavat tiheys, vuosirenkaiden leveys ja ytimen paikka Tiheys vaikuttaa myös kappaleen lujuuteen Halkeilu voi kriittisesti vaikuttaa lujuuteen, mutta sitä ei voida juurikaan ennustaa esim. pituussuuntaisella kopautusmittauksella Voisiko ultraäänen ja sähköisen menetelmän yhdistelmällä mitata myös lujuutta aiempaa tarkemmin? Laura Tomppo

12 Kuivattu ja lämpökäsitelty mänty Regressiomallit, joissa tiheyttä ja jäykkyyttä ennustettiin ultraäänimittauksen ja impedanssimittauksen avulla. Yhdistelmämittaus tuotti parhaat tulokset! Kuivattu puu (70 C): MOE: r 2 = 0.84, estimaatin standardivirhe 0.7 kn/mm 2, 14 kpl Tiheys r 2 = 0.89, estimaatin standardivirhe 21 kg/m 3, 15 kpl Lämpöpuu (228 C) MOE: r 2 = 0.69, estimaatin standardivirhe 1.1 kn/mm 2, 14 kpl Tiheys r 2 = 0.93, estimaatin standardivirhe 13 kg/m 3, 15 kpl

13 Yhdistelmämittaus, ennusteet vs. mitatut Tomppo, L., Tiitta, M., & Lappalainen, R. (2016). Air-coupled ultrasound and electrical impedance analyses of normally dried and thermally modified Scots pine (Pinus sylvestris). Wood Material Science & Engineering, 11(5),

14 Haapa kuivaus ja puristus + lämpökäsittely Tiitta, M., Tomppo, L., Möttönen, V., Marttila, J., Antikainen, J., Lappalainen, R., & Heräjärvi, H. (2017). Predicting the bending properties of air dried and modified Populus tremula L. wood using combined air-coupled ultrasound and electrical impedance spectroscopy. European Journal of Wood and Wood Products, 75(5), Laura Tomppo

15 Haapa Regressiomallit, joissa tiheyttä ja jäykkyyttä ennustettiin ultraäänimittauksen ja impedanssimittauksen avulla. Yhdistelmämittaus tuotti parhaat tulokset! Kuivattu puu (70 C, 27 kpl): MOE: r 2 = 0.85, estimaatin standardivirhe 0.7 GPa Tiheys r 2 = 0.85, estimaatin standardivirhe 20 kg/m 3 Lämpöpuu (228 C, 21 kpl) MOE: r 2 = 0.92, estimaatin standardivirhe 0.7 GPa Tiheys r 2 = 0.88, estimaatin standardivirhe 20 kg/m 3

Kosteusmittaus Ultraääntä voitaisiin hyödyntää kosteusmittauksissa sähköisten menetelmien tukena erityisesti korkeilla kosteuksilla ( > kyllästymispiste FSP) Testit lämpöpuulla, MC noin 4 40 % Van

16 Kosteusmittaus Ultraääntä voitaisiin hyödyntää kosteusmittauksissa sähköisten menetelmien tukena erityisesti korkeilla kosteuksilla ( > kyllästymispiste FSP) Testit lämpöpuulla, MC noin 4 40 % Van der Beek, J., Tiitta, M., Tomppo, L., & Lappalainen, R. (2011). Moisture content determination of thermally modified timber by electrical and ultrasound methods. International Wood Products Journal, 2(2), Malli R 2 Std. virhe (% yks.) MC < FSP EIS MC < FSP EIS & ACU MC > FSP EIS MC > FSP EIS & ACU N Laura Tomppo

17 ACU amplitudi (au) Puumuovikomposiitit UPM Formi LunaComp 1 LunaComp 2 0,14 0,13 0,12 0,11 0,1 0,09 Mittausmahdollisuuksia Mekaaniset ominaisuudet Valmistusviat Kuitupitoisuus Kuidun suunta Kosteus 0, Komposiitin kuitupitoisuus (%) Sun, X. (2015): Non-destructive characterization of wood plastic composites, pro gradu. Laura Tomppo

18 Uusia ultraääniantureita? Nykyiset ilmakytketyt ultraäänianturit vaihtelevat hinnaltaan joistakin kympeistä useisiin tuhansiin Tarve edullisille & herkille antureille, jotka mahdollistaisivat kattavan mittauksen esimerkiksi Lankuista poikittaiskuljettimella Vanerista Biomassasta jne. Laura Tomppo

signaalin voimakkuus ja anturin pitkäaikaiskesto - Yhteistyötä Emfit Oy:n ja mm.

19 Edullisia antureita elektreettikalvojen avulla Uusia sensoritekniikoita biotalouteen (SEBI) hanke: - Kehitetään elektreettiantureita, haasteina ovat mm. signaalin voimakkuus ja anturin pitkäaikaiskesto - Yhteistyötä Emfit Oy:n ja mm. BAM:n kanssa (Bundesanstalt für Materialforschung und prüfung, Berliini) Laura Tomppo

20 Laudan skannaus elektreettiantureilla Yksittäinen lankku hitaasti skannattuna: Läpimittaus Laudan päässä ylhäällä halkeama, jonka pituutta ei pinnasta näe Laudan paksuus 25 mm Laura Tomppo

21 Lähteet Tiitta, M. (2006). Non-destructive methods for characterisation of wood material. Doctoral dissertation, University of Kuopio. Tomppo, L. (2013). Novel applications of electrical impedance and ultrasound methods for wood quality assessment. Doctoral dissertation, University of Eastern Finland. Tomppo, L., Tiitta, M., & Lappalainen, R. (2009). Ultrasound evaluation of lathe check depth in birch veneer. European Journal of Wood and Wood Products, 67(1), Van der Beek, J., Tiitta, M., Tomppo, L., & Lappalainen, R. (2011). Moisture content determination of thermally modified timber by electrical and ultrasound methods. International Wood Products Journal, 2(2), Tomppo, L., Tiitta, M., & Lappalainen, R. (2014). Non-destructive evaluation of checking in thermally modified timber. Wood science and technology, 48(2), Sun, X. Non-destructive characterization of wood plastic composites, Master s thesis, University of Eastern Finland. Tomppo, L., Tiitta, M., & Lappalainen, R. (2016). Air-coupled ultrasound and electrical impedance analyses of normally dried and thermally modified Scots pine (Pinus sylvestris). Wood Material Science & Engineering, 11(5), Tiitta, M., Tomppo, L., Möttönen, V., Marttila, J., Antikainen, J., Lappalainen, R., & Heräjärvi, H. (2017). Predicting the bending properties of air dried and modified Populus tremula L. wood using combined aircoupled ultrasound and electrical impedance spectroscopy. European Journal of Wood and Wood Products, 75(5), Laura Tomppo

22 Kiitos! uef.fi

Samankaltaiset tiedostot

Impedanssispektroskopia

Impedanssispektroskopia Puun ja biomassan mittaus Puun mittauspäivät, Kajaani, 14.3.2019 Markku Tiitta Tausta Kuopion yliopisto/itä-suomen yliopisto Impedanssispektroskopiaan liittyviä tutkimuksia mm.