PUUN ON-LINE - KOSTEUDENMITTAUS State of Art -selvitys :lle Timo Järvinen, Jouko Malinen, Pekka Teppola, Markku Tiitta ja Ari Virtanen VTT:n tutkimusraportti 8.3.2007 (www.metsateho.fi > Tuotteet > Muut julkaisut) Yhteyshenkilö Antti Korpilahti, Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 1
Kalvosarjan sisältö ja rakenne Puun on-line-kosteudenmittaus Timo Järvinen, VTT Jyväskylä Viitekalvosarjat: 1. IR/NIR-spektroskopiaan perustuva kosteusmittaus (kalvot 12 29) Jouko Malinen, VTT Oulu 2. Puun kosteuden mittauksesta ja sähkökentän ominaisuuksien mittaukseen perustuvista menetelmistä (kalvot 30 49) Markku Tiitta, Kuopion yliopisto 3. Puun ominaisuuksien mittaus neutronimenetelmällä (kalvot 50 60) Ari Virtanen, Jyväskylän yliopisto Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 2
PUUN ON-LINE-KOSTEUDENMITTAUS Timo Järvinen, VTT Copyright VTT 21.3.2007 Timo Järvinen Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 3
Puun kosteuden mittaus - taustaa Kosteuden epätasainen jakautuma puuaineksessa, joka vaikuttaa pintamittausluonteisiin menetelmiin (ir, sähkökenttä) Kuori ja ympäristöoloista (lumi, jää, lämpötila) johtuvat haasteet: vaikuttavat pintamittauksiin ja lämpötila lisäksi mikroaalto- ja radiotaajuus -menetelmiin Puun tiheysvaihtelut vaikuttavat radiometrisiin ja mikroaalto/rf - menetelmiin ja hakkeella palakoko jonkin verran pintamittaukseen Tiheyden muutoksien vaikutusta on yleisesti kompensoitu gammasäteilyn lineaarisen vaimennuksen tai sähkömekaanisen vaa`an ja ultraäänipinnan (materiaalipaksuuden) mittauksella; tavoitteena yhdistelmämittaus Kosteuden epätasaista jakautumaa, palakokomuutoksia ja muita olosuhdevaikutuksia on ratkaistu nir-mittauksien algoritmikehittämisellä perustuen monimuuttuja-analyysiin ja -malleihin (kemometria). 21.3.2007 Timo Järvinen Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 4
Esimerkki hakkeen kosteudenmittauksen tutkimuksesta Kosteuden mittaus koivuhakkeesta käytännön olosuhteita vastaavalta hihnakuljettimelta: menetelminä pinta-, gamma- ja impedanssimittaus 21.3.2007 Timo Järvinen Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 5
Esimerkki purun kosteudenmittauksen tutkimuksesta Kosteuden mittaus purusta: kuvassa kaksi gammamittausta ja välissä NDC:n ir-mittaus 21.3.2007 Timo Järvinen Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 6
Esimerkki hakkeen kosteusmittaustuloksesta Kosteus on määritetty kahdella gammamittauksella ja suodinkiekkoon perustuvalla ir-mittauksella koivuhakkeella tilanteessa, jossa hakkeen tiheys ei juuri muutu. - kuvassa näkyy ir-mittauksen systemaattinen virhe, joka johtuu pintamittausluonteesta Koivuhakeajo 30.6.05: ir kosteus ja standardikosteus sekä lasketut radiometriset kosteuspitoisuudet 60 55 50 45 IR-kosteus (%) kost.p-% Cs/pinta-vasteesta laskettu kosteus, p-% Am/pinta-vasteesta laskettu kosteus, p-% 30 per. Mov. Avg. (IR-kosteus (%)) 30 per. Mov. Avg. (Cs/pinta-vasteesta laskettu kosteus, p-%) 30 per. Mov. Avg. (Am/pinta-vasteesta laskettu kosteus, p-%) 40 35 30 25 - Cs ja Am kosteudet laskettu 2.6. ajosta tehdyn mallin perusteella 20 15 10 5 0 11:53:47 12:08:11 12:22:35 12:36:59 12:51:23 13:05:47 21.3.2007 Timo Järvinen Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 7
Tietoa kosteusmittareista Markkinoilla on hyvin vähän puun on-line -kosteusmittareita, hakkeelle löytyy pari sovellusta, kokopuulle niitä ei juuri ole Pikakosteusmittaus -tyyppisiä laitteita kylläkin löytyy kymmeniä, jopa satoja ja niitä voidaan nimittää in- tai at-line mittareiksi Em. näytemittareissa on myös hyvin kehittyneitä ratkaisuja (esim. nmr), joilla puunäytteestä saa paljon tietoa ulos nopeasti, mutta niiden kehittäminen varsinaisiksi on-line -mittareiksi teolliseen käyttöön ei vielä näytä mahdolliselta Menetelmiä, ehdotettuja ja kokeiltujakin, kosteuden mittaukseen on useita esim: Kehittynyt nir -mittaus säteenjakotekniikalla ja rividetektoreilla sekä materiaalispesifinen monimuuttuja-adaptointi (katso viitekalvosarja 1, kalvot 12-29) Sähkökentän ominaisuuksiin perustuvat mittaukset (katso viitekalvosarja 2, kalvot 30-49) Yhdistelmämittaukset (gamma, ir, sähkökenttä). 21.3.2007 Timo Järvinen Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 8
Puun kosteudenmittauksen mahdollisuuksia Ratkaisujen edellytys: kullekin tavaralajille tai puuosioille sopiva mittaus menetelmäarsenaalista Menetelmät voidaan luokitella tarpeen, vaatimusten ja sovelluksen mukaan mm. seuraavasti: ainetta (puuta) koskemattomat ja rikkomattomat, läpäisevät (kokopuun tai patjan mittaus), ympäristösietoiset, riittävän nopeat ja tarkat sekä järjestelmiin liitettävät menetelmät Menetelmistä nousevat seuraavat potentiaaliset vaihtoehdot: Nir -mittaus (yleisimmät kaupalliset sovellukset suodinkiekkoon perustuvia) Mikroaallot (kaupallisia sovelluksia on) Radiometriset (gamma, röntgen, neutroni) menetelmät, termisten neutronien detektointiin kaupallisia sovelluksia Sähköiset menetelmät, esim. impedanssi (ei vielä kaup. sovell.) Yhdistelmämittaukset (ei kaupallisia sovelluksia). 21.3.2007 Timo Järvinen Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 9
Potentiaaliset kokopuun kosteuden mittausmenetelmät 1. Neutronimenetelmä, perustuen neutronigeneraattoreihin ja NAA analyysiin antaa kosteuspitoisuuden, mutta pelkkänä kosteusmittarina vaatii (vielä) liian suuren investoinnin (katso viitekalvosarja 3, kalvot 50-60) Neutronimenetelmä soveltuvin yksittäiselle pöllille ja mahdollisesti pöllinipulle ja vaatii tilavuus- ja massamuunnoksia varten lisäksi kehys- ja punnitusmittauksia, pitoisuuksia voi mahdollisesti saada suoraankin alkuaineiden suhdetietojen kautta Neutronimenetelmän turvallisuuskysymykset ratkaistavissa. 2. Yhdistelmämittaukset: Nir- ja gamma/röntgenmittauksen tai mahdollisesti impedanssimittauksen yhdistäminen Yhdistäminen onnistuu myös mikroaaltojen osalta (ja sitä on kaupallisissa sovelluksissa toteutettu) Yhdistelmämittaukset edellyttävät dimensiomittauksia ja mahdollisesti kuva-analyysiä Soveltuvat yksittäisille pölleille. Kuori muodostaa haasteen kummallekin em. menetelmälle, jää enemmän jälkimmäiselle. 21.3.2007 Timo Järvinen Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 10
Potentiaaliset hakkeen kosteuden mittausmenetelmät Nir-, gamma/röntgen- ja impedanssimittaukset, myös erillisinä mittauksina Yhdistelmämittaukset parantavat tarkkuutta ja laajentavat käyttöaluetta Yhdistelmämittauksen tavoitteena lähinnä pintamittausluonteen ja tiheyden muutosten hallinta Yhdistelmämittaukset edellyttävät lisäksi pinta/patjanpaksuus mittausta, joka voidaan melko helposti toteuttaa Mittausten yhdistäminen voi tapahtua monentasoisesti, kehittyneimmässä ratkaisussa läpäisevän mittauksen viesti liitetään jo esim. nir -mittauksen algoritmiin Neutronimenetelmä perustuen nopeiden neutronien detektointiin; vaatii lisäksi tiheysmittauksen, kuten termisiin neutroneihin perustuva kaupallinenkin laite Kaupallinen mikroaaltomittaus vaimenemiseen perustuen; ei ole kuitenkaan yleistynyt, mm. lämpötila, lumi, jää -kysymysten vuoksi 21.3.2007 Timo Järvinen Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 11
Viitekalvosarja 1 IR/NIR spektroskopiaan perustuva kosteusmittaus Jouko Malinen, VTT Optical Instruments Centre, Oulu Copyright VTT 21.3.2007 Jouko Malinen Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 12
Viitekalvosarja 1 Nestemäisen veden absorptiospektri lähi-infrapuna (NIR) aallonpituuksilla Absorption Coefficient of Liquid Water at Room Temperature 10 0 10-1 millimeter -1 (Base 10) 10-2 10-3 Cary5000, 1mm cuvette (Suprasil) Cary5000, 5mm cuvette (Suprasil) J.A. Curcio and C.C. Petty, J.Opt.Soc.Am. 41(1951), 302-304 G.M.Hale, M.R.Querry, Appl.Optics 12(1973), 555-563 NIR (near infra red): aallonpituus = 700-2500 nm 10-4 500 1000 1500 2000 2500 21.3.2007 Jouko Malinen wavelength (nm) Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 13
Viitekalvosarja 1 Optisen säteilyn ja materiaalin vuorovaikutus kiinteän aineen mittaustilanteessa Yksittäinen partikkeli Materiaalin mittaustilanne Oleellista NIR -kosteusmittauksessa: mittaus hyödyntää diffuusia heijastusta (b) fysikaalinen rakenne vaikuttaa mitattuun spektriin sironta vaikuttaa mm. mittauksen tunkeutumissyvyyteen 21.3.2007 Jouko Malinen Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 14
Viitekalvosarja 1 Nestemäisen veden ja selluloosan absorptiospektrit Ref. Sturm 1985 21.3.2007 Jouko Malinen Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 15
Viitekalvosarja 1 Lämpötilan vaikutus kostean puun NIR-spektriin Nestemäinen vesi lämpötilan funktiona: Kuusen pintapuu lämpötilan funktiona: -10, -5, 0, +5, +10 C Ref. Thygesen et al. 2000 21.3.2007 Jouko Malinen Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 16
Viitekalvosarja 1 Jäätymisen vaikutus puun NIR -spektriin Ref. L.G. Weyer ja S.-C. Lo 2002 0.45 Jäätyneen kuoren mittaus Koemittaus VTT:llä 2005 (Malinen) absorbanssi 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 830 870 910 950 990 1030 1070 aallonpituus /nm 0 min 3 min 5 min 15 min 40 min 60 min 120 min 21.3.2007 Jouko Malinen Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 17
Viitekalvosarja 1 Tiheyden vaikutus puun NIR spektriin tiheysalueella 0.4-0.7 g/cm 3 Ref. Schimleck et al. 2003 21.3.2007 Jouko Malinen Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 18
Viitekalvosarja 1 Perinteinen IR kosteusmittaustekniikka Mittalaitteet perustuvat spektrin mittaukseen valituilla mittaus- ja referenssiaallonpituuksilla, "harmaatasovaihtelun" (baseline) kompensointi suhdemittauksella Filtterikiekkolaitteissa 2-12 aallonpituutta, mm NDC Infrared Engineering Tekniikkaa käytetty pitkään hyvällä menestyksellä mm. jauhojen kosteusmittauksissa Vaativien luonnonmateriaalien kosteusmittauksessa (turve, hake) joudutaan uudelleen kalibrointeihin materiaalin laadun muuttuessa, koska mitattu informaatiomäärä on rajallinen Reference: www.ndcinfrared.com 21.3.2007 Jouko Malinen Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 19
Viitekalvosarja 1 Koko spektrin NIR mittaustekniikka Light source optical fiber Spectral sensor diffraction grating Koko spektrin mittaamalla näytteestä saadaan enemmän informaatiota sample detector array λ 1, λ 2, λ 3 SIGNAL PROCESSING PC Rividetektoriin perustuvat mittausmoduulit maksavat noin 2000 20 000 tekniikasta riippuen Rividetektoriin perustuva koko spektrin mittaustekniikka: periaatekaavio (yllä) ja Hamamatsu PMA-11 laite (alla). Ref. Lindström 2004. Käytetty aallonpituusalue riippuu detektoritekniikasta: 800-1100 nm ( 2000 ) 900-1700 nm (5-10 k ) 1200-2400 nm (10-20 k ) 21.3.2007 Jouko Malinen Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 20
Viitekalvosarja 1 Monimuuttujamalliin perustuva kalibrointi Tilastollisia malleja, joilla voidaan hallita suuri määrä muuttujia Soveltuu hyvin jatkuvan spektrin mittauksiin PCR (Principal Component Regression), PLS (Partial Least Squares) ja ANN (Artificial Neural Networks) Malli "opetetaan" kokeellisesti kalibrointimittausten ja referenssimääritysten avulla, kalibrointipisteitä tarvitaan melko paljon kattamaan kaikki laatuvariaatio (tyypillisesti useita satoja) Kaupallisissa sovelluksissa voidaan kehittää globaali malli, joka siirretään muutamalla lisäkalibrointipisteellä useisiin mittalaitteisiin ja käyttöpaikkoihin Monimuuttujamallit ovat laajasti käytössä mm. viljan ja lihan analyysimittauksissa, joissa laitevalmistaja myy kalibroinnin laitteen mukana (Foss Electric ym) Absorbance 2.6 2.4 2.2 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 830 850 870 890 910 930 950 970 990 1010 1030 1050 Wavelength, nm CMC materiaalista mitattuja NIR spektrejä. Ref. Malinen 2000 21.3.2007 Jouko Malinen Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 21
Viitekalvosarja 1 Linjakokeita selluhakkeelle NIR -monimuuttujamenetelmällä Ref 1. Axrup et al 2000 Korsnäs AB, Gävle Stora Enso, Karlstad Ref 2. Jonsson et al 2004 AssiDomän /Wedometrics, Piteå 21.3.2007 Jouko Malinen Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 22
Viitekalvosarja 1 Selluhakkeen on-line kosteusmittaus Axrup et al 2000 21.3.2007 Jouko Malinen Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 23
Viitekalvosarja 1 NIR-monimuuttujamenetelmällä saadaan selluhakkeesta muutakin informaatiota Axrup et al 2000 21.3.2007 Jouko Malinen Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 24
Viitekalvosarja 1 NIR -kosteusmittauksen sovellusesimerkkejä 21.3.2007 Jouko Malinen Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 25
Viitekalvosarja 1 Linear Arrays: TMP Quality Analyzer Installation in the high pressure blow pipe in a TMP (Thermo Mechanical Pulping) process. In-line probe for monitoring wood fibres flying with speeds 20-40 m/s, +140 to +160 C, pressure 250 to 400 kpa. Applications: Consistency & freeness measurements Consistency <--> kosteusmittaus PRIMARY REFINER SECONDARY REFINER TQA TQA 21.3.2007 Jouko Malinen Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 26
Viitekalvosarja 1 Imaging spectrometers: IQInsight High-speed embedded moisture measurement system for the press section in the paper mill 21.3.2007 Jouko Malinen Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 27
Viitekalvosarja 1 Yhteenveto NIR menetelmästä Jatkuvan spektrin mittauksella ja monimuuttujakalibroinnilla saadaan perinteistä kosteusmittausta paremmin hallittua hakkeen kosteusmittauksen häiritsevät tekijät (puun rakenne, tiheys, väri, lämpötila jne) Hyvän monimuuttujakalibroinnin kehittäminen vaati paljon työtä, satoja hyvin valittuja näytteitä ja hyvät referenssikosteuden määritykset. Kallis kalibrointi voidaan tehdä "monistettavaksi" useaan kohteeseen. Jatkuva spektri voidaan mitata esim. rividetektoritekniikalla, sopii hyvin on-line mittauksiin teollisuuden olosuhteissa Laitetekniikan hinta 10-50 k riippuen mm. tekniikasta ja valmistusmääristä Pintamittausluonne 21.3.2007 Jouko Malinen Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 28
Viitekalvosarja 1 Kirjallisuusviitteitä Axtrup, L., Markides, K., Nilsson, T., Using miniature diode array NIR spectrometers for analysing wood chips and bark samples in motion, J. Chemometrics, 14 (2000) 561-572. Jonsson, P., Sjöström, M., Wallbäcks, L. and Antti, H., Strategies for implementation and validation of on-line models for multivariate monitoring and control of wood chip properties, J. Chemometrics Vol. 18, (2004), pp. 203-207. Linström, H., Malinen, J. and Marbach, R., Performance evaluation of standard and extended InGaAs detector array spectrometers, Proceedings of NIR-2003, 2004. Malinen, J. et al, Feasibility study for on-line monitoring of moisture in carboxylmethyl cellulose (CMC) process by NIR transmittance spectroscopy, Research Activities in Optoelectronics and Electronics Manufacturing 1999, VTT Electronics (2000), pp. 24-25. Sturm, S., The Hemiplus; A New Dimension in On-line Moisture Measurement, presented in CPPA (1885). Schimleck, L.R., Mora, C., Daniels, R.F., Estimation of physical wood properties of green Pinus Taeda radial samples by near infrared spectroscopy, Can. J. For. Res., 33 (2003) 2297-2305. Thygesen, L.G., Lundqvist, S.-O., NIR measurement of moisture content in wood under unstable temperature conditions, Part 1. Thermal effects in near infrared spectra of wood, J. Near Infrared Spectrosc., 8 (2000), 183-189. Weyer, L.G. and Lo, S.-C. Spectra-Structure Correlations in the Near-infrared, in Handbook of Vibrational Spectroscopy, Volume 3, John Wiley & Sons (2002), pp. 1817-1837. 21.3.2007 Jouko Malinen Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 29
Viitekalvosarja 2 Viitekalvosarja 2 Puun kosteuden mittauksesta ja sähkökentän ominaisuuksien mittaukseen perustuvista menetelmistä Markku Tiitta Kuopion yliopisto, Fysiikan laitos PL 1627, 70211 Kuopio e-mail markku.tiitta@uku.fi 21.3.2007 Markku Tiitta Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 30
Viitekalvosarja 2 Sisältö Käsitteitä Mittaustarpeita Puun rakenne, kosteuden sitoutuminen Ainetta rikkovat / rikkomattomat menetelmät Yksi- / kaksivaiheiset menetelmät 21.3.2007 Markku Tiitta Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 31
Viitekalvosarja 2 Puun kosteuden mittaustarpeita Puun kuivaus Puutuotteiden lähtö/vastaanottotarkastukset Puun liimaus Lujuuslajittelu Lopputuotteet Puurakennukset ja rakenteet Metsäteollisuuden tuotantoprosessit yleensä Bioenergia Tutkimus 21.3.2007 Markku Tiitta Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 32
Viitekalvosarja 2 Kosteuden vaikutus puun ominaisuuksiin MC => Lujuus MC => Tilavuus MC => Lämmönjohtavuus ja ominaislämpökapasiteetti MC => Sähkönjohtavuus ja kapasitanssi MC => Biologisen vaurioitumisen riski (riskiraja MC%=20%) MC% < PSK 21.3.2007 Markku Tiitta Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 33
Viitekalvosarja 2 Käsitteitä Kosteussuhde, kosteuspitoisuus Kosteus MC% = 100% x [m(vesi) / m(puuaine)] M% = 100% x [m(vesi) / m(vesi+puuaine)] Kosteusgradientti (syvyyssuunta) Kosteusjakauma (pituus- ja poikittaissuunta) Puun syiden kyllästymispiste (PSK) 21.3.2007 Markku Tiitta Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 34
Viitekalvosarja 2 SITOUTUNUT VESI NESTEFAASI VESI- HÖYRY Käsitteitä 2 a) b) SITOUTUNUT VESI VESI- HÖYRY Kaavio veden olomuodoista puussa a) MC% yli PSK:n; b) MC% alle PSK:n. 21.3.2007 Markku Tiitta Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 35
Viitekalvosarja 2 Käsitteita 3 Elävä puu (m) vuosilustot (10-2 m) solut (10-3 m) soluseinämä (10-6 m) fibrilli 10-8 m sellobioosi 10-9 m hiiliatomi 10-10 m Puun hierarkkinen rakenne (Tiitta M. 2006. Non-destructive methods for characterisation of wood material. Väitöskirja, Kuopion yliopiston julkaisuja C. Luonnontieteet ja ympäristötieteet 202. Kopijyvä, Kuopio.) 21.3.2007 Markku Tiitta Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 36
Viitekalvosarja 2 Sähkömagneettiset menetelmät sähköiset menetelmät radio- ja mikroaallot IR, NIR optiset menetelmät röntgensäteily, CT gammasäteily Akustiset menetelmät akustiset menetelmät akustinen emissio ultraääni Muita menetelmiä magneettikuvaus neutronit Ainetta rikkovat menetelmät näytteistys / poraus punnitus / kuivaus kemialliset analyysit mikroskooppianalyysit 21.3.2007 Markku Tiitta Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 37
Viitekalvosarja 2 Punnitus/kuivaus Standardikuivaus (103 ± 2) C Ilmankosteuden vaikutus Haihtuvat yhdisteet poistuvat, pihka Hysteresis Mikroaallot, IR-kuivaus, kuumakuivaus Hidas ja rikkova menetelmä Hyvin pienet näytteet ongelma Kosteuden haihtuminen käsittelyn aikana 21.3.2007 Markku Tiitta Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 38
Viitekalvosarja 2 Puun sähköisen vastuksen mittaus Yleinen käsimittari, standardit Kuiva puu erittäin hyvä eriste, vastus 10e17 Ω- cm Lähes eksponentiaalinen johtavuuden kasvu kosteuden lisääntyessä: PSK vastus 10e4 Ω-cm Osittain rikkova piikkimittaus Tyypillisesti eristetyt piikit ja vain johtava pää Käytännössä modifioitu MΩ -mittari Lämpötilan ja uuteaineiden vaikutus kalibrointiin 21.3.2007 Markku Tiitta Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 39
Viitekalvosarja 2 Puun dielektrisyyden mittaus Yleinen käsimittari, myös linjamittareita Pintamittaus, läpimittaus Dielektrisyysvakio ja tehohäviöt kasvavat kosteuden lisääntyessä Täysin ainetta rikkomaton mittaus Käsimittareissa elektrodit painetaan puun pintaa vasten Linjamittauksessa myös ilmakytketty mittaus Lämpötilan vaikutus pieni Tarkkuus 4 in-line mittarin testissä: ±2,4-3,7% (Trätek 2000) Tarkkuus 6 käsimittarin testissä: laboratoriokoe ±2,0-4,0%, teollisuuskoe ±3,0-5,0% (VTT 2000) Alaraja 6-8%, tarkkuus heikkenee merkittävästi kun kosteuspitoisuus on suurempi kuin PSK Tiheyden ja pintakosteuden vaikutus 21.3.2007 Markku Tiitta Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 40
Viitekalvosarja 2 Testatut puun kosteusmittarit (Forsen ja Tarvainen 2000: Accuracy and functionality of hand held wood moisture content meters. VTT Publications 420). 21.3.2007 Markku Tiitta Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 41
Viitekalvosarja 2 Esimerkkejä kosteusmittaussysteemeistä a) b) a) monikanavainen piikkimittaus moduuli; b) in line -mittaus (Brookhuis.com) Trätekin testaamat in line -mittarit: Brookhuis, Exotek, Quasar, Wagner 21.3.2007 Markku Tiitta Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 42
Viitekalvosarja 2 Gammasäteilyyn perustuva mittalaite tiheys- ja kosteusjakaumien määritykseen Tiitta M. (1992) Gammalaite puun sisäisten kosteus- ja tiheysjakaumien mittaukseen. VTT Julkaisuja 770, Espoo, Finland. 21.3.2007 Markku Tiitta Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 43
Viitekalvosarja 2 Impedanssispektroskopia - biologisten ja teollisten materiaalien tutkimussovellukset - materiaalin sisäisten prosessien analyysit - voidaan tutkia sekä johtavia, että eristemateriaaleja - sähköisen vasteen määritys spektrimittaukseen perustuen - tutkittavaa systeemiä voidaan kuvata sähköisillä malleilla 21.3.2007 Markku Tiitta Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 44
Viitekalvosarja 2 Zarc Cole -malli Zarc Cole -malli, Z1 ja Z2 ovat vakiovaiheelementtejä ja R2 on vastus Vakiovaihe-elementti 21.3.2007 Markku Tiitta Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 45
Viitekalvosarja 2 Impedanssispektrejä Impedanssispektrejä koostuen kosteuspitoisuuksiltaan 8 % ja 22 % näytteistä. 8 % näyte ja desorptiogradientit. Taajuusalue 1 khz 1 MHz, HP4284 mittaus. (Tiitta M. 2006. Non-destructive methods for characterisation of wood material. Väitöskirja, Kuopion yliopiston julkaisuja C. Luonnontieteet ja ympäristötieteet 202. Kopijyvä, Kuopio.) 21.3.2007 Markku Tiitta Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 46
Viitekalvosarja 2 Impedanssispektrejä Impedanssispektrejä koostuen kosteuspitoisuuksiltaan 8 % ja 22 % näytteistä. 22 % näyte ja absorptiogradientit. Taajuusalue 1 khz 1 MHz, HP4284 mittaus. (Tiitta M. 2006. Non-destructive methods for characterisation of wood material. Väitöskirja, Kuopion yliopiston julkaisuja C. Luonnontieteet ja ympäristötieteet 202. Kopijyvä, Kuopio.) 21.3.2007 Markku Tiitta Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 47
Viitekalvosarja 2 Impedanssispektroskopiaan perustuva puun kosteusgradientin mittalaite (Tiitta M. 2006. Non-destructive methods for characterisation of wood material. Väitöskirja, Kuopion yliopiston julkaisuja C. Luonnontieteet ja ympäristötieteet 202. Kopijyvä, Kuopio.) 21.3.2007 Markku Tiitta Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 48
Viitekalvosarja 2 Impedanssimittarin ja kaupallisen pintakosteusmittarin vertailu Keskimääräinen ero (Δ) punnitus/kuivaus menetelmällä määritetyn kosteuspitoisuuden välillä (Tiitta M., Savolainen T., Lappalainen T. 2000. Development of electrical impedance spectrometer for wood transverse moisture gradient analysis. Proc. 12th Int. Symp. on NDT of Wood, Univ. of Western Hungary, Sopron, Hungary, p. 307-316. ) N Kosteusgradientti Kosteuspitoisuuden vaihtelu (%) Kapasitanssi mittari Δ (%) Impedanssi mittari Δ (%) Desorptio 12 10-30 7,6 0,8 Absorptio 10 10-24 6,5 1,8 Tasaannutettu 25 8-14 1,6 0,7 21.3.2007 Markku Tiitta Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 49
Viitekalvosarja 3 Viitekalvosarja 3 Puun ominaisuuksien mittaus neutronimenetelmällä Ari Virtanen Jyväskyl skylän n yliopiston fysiikan laitos Teolliset sovellukset 21.3.2007 Ari Virtanen Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 50
Viitekalvosarja 3 D+D/T-reaktiot D-D = 2 H + 2 H n + 3 He; E n = 2.5 MeV n p + n p n + n p p D-T = 2 H + 3 H n p n p + n n n + 4 He; E n = 14.1 MeV n p + p n A( 2 H) = 0,015%, τ( 3 H) = 12,3 v. 21.3.2007 Ari Virtanen Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 51
Viitekalvosarja 3 Neutroniaktivaatio termisillä neutroneilla Kohdeytimet sieppaavat neutronin käyden läpi reaktion A X(n,γ) A+1 X. Mikäli syntyy radioaktiivinen ydin, voidaan kohdeydin tunnistaa viivästyneen gamman avulla. 21.3.2007 Ari Virtanen Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 52
Viitekalvosarja 3 Gammaspektroskopia Heräte(prompt)- ja viive(delayed)gammojen muodostamat spektrit mitattuna NaI(Tl)- ilmaisimella (Glascock, Michael D. An Overview of Neutron Activation Analysis, http://web.missouri.edu/~glascock/naa_over.htm (2006)). Gammat voidaan havaita myös Geilmaisimilla tarkan spektrin saamiseksi. Tuntemattomat epäpuhtaudet voidaan tunnistaa luonteenomaisten gammapiikkien avulla. Jos näytteen alkuaineet tunnetaan, voidaan analyysi suorittaa myös NaI(Tl)-ilmaisimella. 21.3.2007 Ari Virtanen Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 53
Viitekalvosarja 3 Pala terminologiaa Terminologia hyvin kirjavaa: NAA= Neutron Activation Analysis TNA= Thermal Neutron Activation PGTNA= Prompt Gamma Thermal Neutron Activation DGTNA= Delayed Gamma Thermal Neutron Activation FNA TFA PFNA PFNTS API PFTNA FNSA PGTNA Neutronigeneraattorit Radioaktiiviset neutronilähteet NAA TNA DGTNA Neutronigeneraattorit Radioaktiiviset neutronilähteet Reaktorit 21.3.2007 Ari Virtanen Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 54
Viitekalvosarja 3 H, C, N ja O -suhteet materiaaleissa Räjähteet, pieni C/O Huumeet, suuri C/O Vesi, C/O = 0 Puu, C/O 1,5 Andy Buffler, "contraband detection with fast neutrons", Radiation Physics and Chemistry 71 (2004) 853-861 21.3.2007 Ari Virtanen Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 55
Viitekalvosarja 3 Group @ LBNL - head and Finnish members Neutronigeneraattori KA-NGO LEUNG Professor-in-Residence Jani Reijonen Taneli Kalvas Hannes Vainionpää 21.3.2007 Ari Virtanen Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 56
Viitekalvosarja 3 DD-neutronigeneraattori LBNL:n Plasma ja Ionilähdetekniikan ryhmässä toteutettu sähköisesti suljettu DD-neutronigeneraattori, joka 100 kv jännitteellä ja 2 ma suihkulla tuottaa 10 8 n/s. 21.3.2007 Ari Virtanen Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 57
Viitekalvosarja 3 Generaattorin ionilähde LBNL:n neutronigeneraattoreissa käytettävä ulkoisella antennilla varustettu, 13.56 MHz RF-taajuudella toimiva D + -ionilähde. Antenni on kierretty Al 2 O 3 putken ympärille, joka toimii ionilähteen seininä. Ionilähde on vesijäähdytetty. Se tuottaa virtaa 100 ma/cm 2 3 kw:n RF-teholla [1] J. Reijonen, et. al, D-D neutron generator development at LBNL, Appl. Rad. Isotopes 63 757-763 (2005). 21.3.2007 Ari Virtanen Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 58
Viitekalvosarja 3 LBNL:n testilaitteisto 21.3.2007 Ari Virtanen Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 59
Viitekalvosarja 3 Visio kokopuumittauksesta gammailmaisimet n-generaattori C/O-suhde ja epäpuhtaudet + H + -absorptio 21.3.2007 Ari Virtanen Puun kosteuden mittauksesta -selvitys :lle 60