História dos medidores de umidade da madeira

Medidor de umidade de madeira tipo pino

Mesmo antes que a ciência da relação da madeira com a umidade fosse bem compreendida, os marceneiros tinham que levar em consideração como a umidade afetaria seus materiais.

Felizmente, hoje em dia, compreendemos bem as propriedades higroscópicas da madeira. Assim, conseguimos usar esse conhecimento para projetar medidores de umidade da madeira que podem nos fornecer dados quantificáveis ​​sobre a condição de umidade de uma peça de madeira. À medida que nossa compreensão coletiva avançou, os métodos de teste também evoluíram.

Atualmente, existem dois tipos principais de medidores portáteis de umidade da madeira: com pino e sem pino. Cada um deles depende de diferentes propriedades elétricas que são impactadas pela quantidade de umidade retida na madeira medida, o que exploraremos em detalhes mais adiante neste artigo.

Por enquanto, basta dizer que os medidores com pino usam dois eletrodos semelhantes a pregos que são inseridos na madeira e medem a corrente que flui entre eles. Os medidores sem pino usam placas sensoras que ficam planas na superfície da madeira e medem o comportamento de uma onda elétrica que enviam através da madeira.

Sem entrar na ciência de cada tipo de medidor de umidade, as diferenças mais aparentes entre eles são o que eles fazem com a madeira que está sendo medida e o quão fáceis são de usar.

Os medidores de pinos deixam furos na madeira a ser medida. Isso os torna úteis para avaliar o teor de umidade da lenha ou de pedaços de madeira, onde deixar vários furos não afetará negativamente a integridade estrutural ou a estética do produto final.

Em contraste, os medidores sem pinos não deixam nenhuma marcação física. Eles só podem ser usados ​​em madeira plana e toda a superfície do sensor precisa manter contato com a madeira durante a leitura.

Medidor de umidade de madeira sem pino inteligente Orion 950

O ritmo lento de trabalho na medição do teor de umidade da madeira é outra consequência da necessidade de inserir ou martelar pinos ao usar um medidor de pinos. Inserir os pinos na profundidade correta, removê-los e garantir que permaneçam em boas condições para a leitura leva tempo.

Consequentemente, ao avaliar a condição de umidade de uma grande peça ou lote de madeira, você precisa investir uma quantidade significativa de tempo. O cenário mais provável é que você simplesmente faça menos leituras. Um cenário estende os cronogramas e os custos do projeto, enquanto o outro significa que você tomará decisões com menos pontos de dados para orientá-lo.

Você pode trabalhar muito mais eficientemente com medidores sem pinos, pois eles exigem menos esforço físico para serem usados ​​e não são tão vulneráveis ​​a danos físicos quanto os eletrodos de pino.

Mas é aqui que estamos hoje. Os medidores elétricos de umidade têm quase 100 anos de história. Curiosamente, eles ainda dependem de um método ainda mais antigo – a secagem em estufa – para validar sua precisão. Para entender como os medidores portáteis de umidade da madeira funcionam hoje em dia, vale a pena analisar a evolução da tecnologia na qual eles se baseiam.

Métodos de secagem em estufa são o padrão ouro para medir a umidade da madeira

O método mais antigo usado para secar madeira é a secagem ao ar livre ou "secagem ao clima". Isso leva tempo. A madeira costumava ser deixada por anos antes de ser usada. As primeiras tentativas de acelerar o processo de secagem resultaram na construção de vários tipos de "casas de secagem". Eram estruturas simples instaladas sobre porões escavados, onde se encontrava uma fornalha de tijolos ou telhas.

Nos Estados Unidos, o uso de "casas secas" não era a norma, em parte porque representavam um enorme risco de incêndio. Houve algumas experiências com tubulações de vapor na década de 1850, mas não deram muito certo. Eventualmente, os primeiros fornos de secagem de madeira bem-sucedidos, câmaras de secagem com algum isolamento térmico, surgiram no Centro-Oeste na década de 1870.

Por meio de tentativa e erro, os operadores de fornos descobriram que secar a madeira em temperaturas mais baixas com circulação de ar produzia melhores resultados do que aumentar a temperatura. Por fim, a abordagem de tentativa e erro adotada por empresas que buscavam minimizar os tempos de secagem e, ao mesmo tempo, maximizar a produtividade foi apoiada por cientistas e pesquisadores. Por meio de investigação científica, os pesquisadores começaram a descobrir e validar uma ampla gama de propriedades físicas da madeira. Algumas de suas descobertas incluíram a compreensão da estrutura celular e das propriedades químicas da madeira.

Por sua vez, isso levou à compreensão de como as diferenças físicas entre as espécies de madeira, e até mesmo entre as mesmas espécies cultivadas em locais diferentes, impactam o processo de secagem da madeira.

Com o crescimento da pesquisa sobre madeira, cientistas desenvolveram uma fórmula para especificar o teor de umidade de um pedaço de madeira como uma função de seu peso e expresso como uma porcentagem.

Teor de umidade (CM) = (Peso inicial – peso seco em estufa) / peso seco em estufa * 100

Assim, o método de secagem em estufa fornece uma medição direta do teor de umidade de uma peça de madeira. Se você tiver uma estufa de secagem de madeira, poderá pesá-la antes e depois de passar por um ciclo de secagem na estufa. ASTM D4442 (método de teste padrão para medição direta do teor de umidade de madeira e materiais à base de madeira) afirma que a secagem em estufa fornece “a mais alta precisão ou grau de exatidão” e é “o padrão de referência (primário) para determinar o teor de umidade da madeira e de materiais à base de madeira”.

Como resultado, a secagem em estufa de madeira em conformidade com a norma ASTM D4442 é usada como ponto de referência para calibração de medidores de umidade portáteis por ASTM D4444 (método de teste padrão para padronização e calibração de medidores de umidade portáteis em laboratório).

Medidores de umidade portáteis fornecem uma medição indireta da umidade. Como a água conduz eletricidade, os medidores portáteis coletam dados sobre o comportamento de correntes ou ondas elétricas em um pedaço de madeira. Esses dados são então usados, juntamente com outros pontos de dados relevantes, para calcular o teor de umidade da madeira.

Evolução dos medidores elétricos de umidade da madeira

A humanidade há muito tempo compreende que a madeira contém umidade; que ela seca e pode reabsorver umidade em contato com a água. Na verdade, os cientistas também sabiam da relação entre água e eletricidade quase desde o momento em que a eletricidade foi descoberta. Especificamente, eles sabiam que a água conduz eletricidade, mesmo que o processo químico específico que ocorre na água quando ela permite que cargas elétricas passem por ela tenha sido documentado mais recentemente.

Pesquisadores validaram pela primeira vez a ideia de que poderíamos usar as propriedades elétricas da madeira como medida de seu teor de umidade no final da década de 1920. Um dos primeiros medidores elétricos portáteis de umidade da madeira de que encontramos documentação é um medidor do tipo "pisca-pisca", de 1927. Esse medidor possuía uma lâmpada de neon acoplada a um capacitor, que ficava em contato com a madeira. O capacitor absorvia a carga que atravessava a madeira. Quando o capacitor estava totalmente carregado, a lâmpada de neon acendia brevemente. Quanto mais rápido o capacitor recarregava, mais rápido a lâmpada piscava.

A rapidez com que o capacitor recarregava dependia da resistência da madeira. Como a umidade conduz eletricidade, quanto mais umidade na madeira, mais rápido o capacitor atingiria a carga completa. Se houvesse alta resistência na madeira (ou seja, baixa umidade), a lâmpada piscaria lentamente.

Nos dez anos seguintes, um novo tipo de medidor de umidade elétrico foi desenvolvido: o medidor de tubo de vácuo. Este medidor utilizava um voltímetro de tubo de vácuo como parte de um circuito de ponte de Wheatstone, que utiliza um resistor para medir a umidade em relação à madeira a ser medida. O medidor de tubo de vácuo é o precursor direto dos medidores de umidade de resistência utilizados atualmente.

Em meados da década de 1940, medidores do tipo pino estavam disponíveis comercialmente. Eles funcionavam (e ainda funcionam) medindo o fluxo de uma corrente elétrica entre sondas inseridas na madeira. Assim como os primeiros medidores do tipo pisca-pisca, quanto maior a corrente percorrida entre as sondas, menor o nível de umidade.

Sem a condutividade de altos níveis de umidade, a madeira seca apresentava uma resistência que praticamente eliminava o fluxo de corrente. Alguns medidores de umidade de pino antigos utilizavam quatro sondas. Os medidores de umidade de pino modernos requerem apenas duas sondas.

Durante o período em que os medidores de resistência estavam chegando ao mercado, os pesquisadores também exploravam como as propriedades dielétricas poderiam ser usadas para medir a umidade na madeira. Materiais dielétricos podem transmitir correntes elétricas sem serem condutores. Essa pesquisa resultou em dois outros tipos de métodos de teste de umidade da madeira que funcionam com base em dois princípios dielétricos diferentes.

Sem nos aprofundarmos muito na engenharia elétrica, esses dois tipos de medidores dielétricos usavam ondas de rádio para medir os níveis de umidade. O medidor de perda de potência analisa quanta energia eletromagnética é perdida, o que se correlaciona com os níveis de umidade. O medidor de umidade capacitivo adota a abordagem oposta. Ele analisa quanta energia elétrica pode ser armazenada. O que eles têm em comum, na prática, é que nenhum deles requer pinos para perfurar a superfície da madeira.

Em vez disso, eles usam placas sensoras que emitem uma radiofrequência através da madeira. O Laboratório de Produtos Florestais (FPL) do Departamento de Agricultura dos EUA havia desenvolvido um aparelho capacitivo para medir os níveis de umidade da madeira, mas ele não estava disponível comercialmente. Naquela época, muitos fabricantes já vendiam medidores de umidade do tipo pino.

A Era Moderna dos Medidores Elétricos de Umidade da Madeira

No início da década de 1960, havia um medidor de umidade comum no mercado, com perda de potência. Durante esse período, Delmer Wagner, fundador da Wagner Meters, trabalhava como eletricista em uma serraria no Oregon. A serraria utilizava um detector de umidade em linha, grande e de difícil manuseio, com tubo de vácuo.

Para construir um medidor de umidade menor e mais fácil de calibrar, Delmer projetou o primeiro medidor de umidade em linha. Esse sistema de medição de umidade em linha utilizava transistores para medir a umidade. Delmer acabou deixando a serraria e, em 1965, fundou a Wagner Electronics (hoje Wagner Meters), que fabricava medidores de umidade em linha para a indústria madeireira.

Quase todos os medidores portáteis de umidade da madeira disponíveis no mercado até o final da década de 1980 eram medidores de umidade com pino. No entanto, esses novos medidores de umidade sem pino ainda eram muito grandes, difíceis de calibrar e muito sensíveis às condições ambientais. Consequentemente, o mercado de medidores de umidade com pino prosperou, enquanto havia poucos medidores sem pino.

Na década de 1990, a Wagner Meters propôs-se a desenvolver um medidor de umidade da madeira sem pinos que solucionasse as deficiências dos medidores sem pinos então disponíveis no mercado. A primeira linha de medidores de umidade portáteis sem pinos da Wagner Meters contava com um circuito aprimorado, utilizando ondas eletromagnéticas, que resultava em leituras de umidade mais precisas.

Além disso, o circuito era menos sensível à temperatura ambiente e à temperatura da madeira. A Wagner Meters também conseguiu reduzir significativamente o tamanho do medidor portátil em relação ao que estava disponível no mercado. Medidores sem pinos de outros fabricantes geralmente pesavam pelo menos 10 kg. Os medidores de umidade originais foram projetados para serrarias, mas a Wagner Meters adicionou um projetado especificamente para marceneiros em meados da década de 1990.

A linha original de medidores de umidade sem pinos da Wagner era analógica. A linha analógica foi substituída por uma linha de medidores de umidade digitais sem pinos no início dos anos 2000. Esses medidores utilizavam microprocessadores, de modo que o tamanho do medidor portátil da Wagner continuou a diminuir. Nessa época, inúmeros estudos comprovaram que Os medidores sem pino Wagner forneceram leituras mais precisas do que os medidores de umidade com pino.

Esses estudos são significativos porque desmistificaram a suposição generalizada de que medidores com pino eram mais precisos do que medidores sem pino. As tecnologias fundamentais utilizadas tanto nos medidores com pino quanto nos sem pino permanecem inalteradas. Hoje, a maioria dos avanços em medidores de umidade da madeira concentra-se nos recursos de valor agregado incorporados aos medidores e nos serviços relacionados.

A linha Orion de medidores digitais de umidade de madeira sem pinos.

Como resultado, Wagner mais nova linha de medidores de umidade da madeira, o Orion®, inclui novos recursos sofisticados que facilitam a vida dos marceneiros.

Por exemplo, os medidores Orion são os únicos no mercado que podem ser calibrados no local usando o calibrador sob demanda que acompanha cada medidor Orion. Todos os outros medidores portáteis precisam ser enviados ao fabricante para calibração de fábrica, o que custa tempo e dinheiro.

Alguns dos recursos de valor agregado mais úteis melhoram a coleta e o gerenciamento de dados do medidor. Desde conhecer o ponto de equilíbrio do teor de umidade (CEM) do local em uso é tão vital para proteger a madeira de futuros danos relacionados à umidade, que a funcionalidade do Orion 950 inclui o cálculo da EMC para os usuários.

O medidor sem pinos coleta uma leitura de temperatura ambiente e umidade relativa, que é usada para calcular a EMC. Essa EMC pode então ser usada como o "teor de umidade alvo" para o projeto em que você está trabalhando ou para prever padrões de secagem. Os cálculos de EMC baseados em medidores de umidade aliviam os usuários do incômodo e da incerteza de calcular a EMC eles mesmos.

Medidores sem pinos são mais precisos e confiáveis ​​do que medidores de umidade com pinos

Embora os medidores de umidade com e sem pino trabalhem com base nas propriedades elétricas da madeira, cada um deles analisa propriedades diferentes. Simplificando, os medidores com pino reagem às propriedades químicas da madeira, enquanto os medidores sem pino respondem à gravidade específica da madeira.

Tanto a composição química quanto a densidade de uma peça de madeira variam de acordo com a espécie. É por isso que ambos os medidores exigem ajustes para a espécie a ser medida, a fim de obter uma leitura precisa da umidade.

De acordo com a FPL, alguns dos problemas que afetam a precisão da leitura do medidor são as condições climáticas, o contato do eletrodo, a temperatura da madeira e a habilidade do operador. Muitos desses problemas afetam os medidores de umidade com pino com mais facilidade do que os medidores sem pino. Estudos demonstraram que os medidores sem pino costumam ser mais precisos e confiáveis ​​do que os medidores de resistência.

Por exemplo, medidores de pinos são altamente sensíveis à temperatura da madeira, o que pode interferir na precisão da leitura. Se a temperatura do ar estiver muito distante dessa marca em qualquer direção, o operador precisa ajustar as leituras do medidor com base na temperatura exata do ar no local onde foram obtidas.

Ajustar a temperatura da madeira é apenas uma das maneiras pelas quais a habilidade subjetiva do operador do medidor pode impactar a precisão de um medidor de pinos. Medidores de pinos também exigem habilidade precisa do operador para garantir que ambos os eletrodos sejam inseridos corretamente na madeira e na profundidade correta. Sem alinhamento ou profundidade adequados, os eletrodos podem não medir a umidade com precisão para o nível de umidade naquele ponto.

A habilidade mais crítica do operador ao colocar um medidor de umidade sem pinos é simplesmente garantir que as placas do sensor fiquem planas na superfície da madeira.

Por esse motivo, medidores sem pino normalmente não são adequados para lenha. Além disso, a experiência rápida e fácil de usar do medidor com pino significa que os marceneiros costumam fazer mais leituras com ele do que com medidores sem pino. Ter mais dados sobre o nível de umidade fornece uma imagem mais precisa da condição de umidade de um lote de madeira.

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A história dos medidores de umidade da madeira: da tentativa e erro a uma ferramenta essencial para trabalhar madeira

À medida que a indústria madeireira crescia rapidamente com a Revolução Industrial durante o século XIX, é lógico que as serrarias buscavam maneiras de acelerar o processo de secagem sem destruir a madeira. Sua metodologia de tentativa e erro, juntamente com seu conhecimento prático sobre secagem ao ar livre, os ajudou a inovar.

Eles perceberam como a circulação de ar ajudava a maximizar a produtividade, permitindo o uso de temperaturas mais baixas para secar madeira. Observaram como diferentes espécies de madeira reagiam em circunstâncias semelhantes. Suas explorações práticas foram a base da ciência formalizada da madeira.

Os medidores Orion da Wagner Meters são os únicos medidores de umidade de madeira sem pinos disponíveis que podem ser verdadeiramente calibrados em campo, em vez de serem enviados de volta à fábrica para recalibração.

Graças aos rigores da investigação científica e acadêmica, nossa compreensão das propriedades físicas e mecânicas da madeira expandiu-se significativamente ao longo do século XX. Por meio dessa pesquisa, a indústria conseguiu especificar como a umidade se move através da madeira e como o excesso de umidade afeta negativamente a madeira.

Fechando o ciclo, a indústria madeireira usou as contribuições da ciência da madeira para desenvolver as ferramentas necessárias para medir o teor de umidade da madeira, tanto direta quanto indiretamente, com um alto grau de precisão.

À medida que a ciência da madeira revelou mais sobre a interação entre umidade e eletricidade dentro da madeira, os fabricantes de medidores usaram esses avanços para projetar e construir medidores de umidade comercialmente viáveis ​​— em particular, o medidor de umidade portátil.

Com medidores portáteis de umidade da madeira, confiáveis ​​e precisos, todo marceneiro, desde o operador de uma serraria até o amador de fim de semana, tem a capacidade de tomar decisões informadas sobre quando a madeira está pronta para dar o próximo passo em sua jornada rumo ao uso pretendido. Como uma ferramenta tão poderosa, os medidores de umidade da madeira são agora um item essencial para quase todos os marceneiros, o que levanta a questão de por que eles não são usados ​​por todos.

De fato, agora que qualquer pessoa pode acessar informações precisas sobre as condições de umidade da madeira por meio de um medidor de umidade portátil, ela tem a responsabilidade de fazer isso.

Tony Morgan

Tony Morgan é técnico sênior da Wagner Meters, onde atua em uma equipe de testes e desenvolvimento de produtos, além de atendimento ao cliente e treinamento para produtos de medição de umidade. Além de 19 anos de experiência em campo em diversas empresas de eletrônicos, Tony possui bacharelado em Administração e mestrado em Tecnologia Eletrônica.

Última atualização em 10 de janeiro de 2025