Quaderni n. 2 LA STIMA DELL’UMIDITA’ DEL LEGNO CON IGROMETRI ELETTRICI di Stefano Berti e Alan Crivellaro Premessa ...per una corretta lettura La stima dell’umidità del legno, attraverso l’impiego di igrometri elettrici, è possibile perché la resistenza elettrica e le proprietà dielettriche del legno variano secondo una relazione molto stretta con il suo contenuto d’acqua. Questa relazione consente di ottenere risultati affidabili quando l’umidità del legno si trova al di sotto del 30% circa. Gli igrometri elettrici più diffusi possono essere divisi in due categorie: igrometri a resistenza (a chiodi) e igrometri dielettrici (a contatto). Gli igrometri a resistenza impiegano elettrodi infissi nel legno e ne stimano l’umidità in prossimità degli stessi. Se attrezzati con particolari chiodi isolati, questi strumenti possono essere impiegati anche per la valutazione di gradienti di umidità. Gli igrometri dielettrici impiegano elettrodi a contatto (non necessitano la penetrazione nel materiale) e possono stimare l’umidità anche di legno molto secco. Sono molti i fattori che possono influenzare l’affidabilità della misura con igrometri elettrici: ecco perché si rendono necessarie alcune informazioni sui principi di funzionamento e di impiego per il corretto uso di entrambe le tipologie di strumenti. Precisamente, la misura dell’umidità del legno eseguita con igrometri elettrici è influenzata dalla specie legnosa, dalla temperatura, dalla composizione chimica del legno e degli estrattivi (diversa fra alburno e durame), dalla distribuzione dell’umidità del legno, dal tipo di elettrodi e da altro ancora. Conoscere i fattori che hanno una diretta influenza sul valore di umidità letto dallo strumento servirà per minimizzare le possibilità di errore e per rendere più affidabile la misura, nei limiti dettati dal principio di funzionamento. Per questo motivo riportiamo un decalogo degli argomenti trattati che potrà essere impiegato come lista di controllo per una corretta esecuzione della misura dell’umidità del legno con igrometri elettrici. Abbiamo ritenuto infine utile segnalare alcuni testi per approfondimenti sull’argomento ed inserire un glossario dei termini tecnici utilizzati, individuati nel testo in corsivo. Umidità del legno Molte proprietà e caratteristiche del legno dipendono in maniera molto stretta dal suo contenuto d’acqua (umidità). L’umidità di un singolo elemento di legno varia considerevolmente a seconda delle condizioni ambientali nelle quali questo si trova conservato o in opera. Prima di ogni impiego del legno è dunque necessario conoscere in maniera quanto più affidabile l’umidità in esso contenuta, per guidare le scelte costruttive o seguirne l’evoluzione nel tempo. L’umidità del legno è definita come la quantità di acqua contenuta in un campione rapportata al peso dello stesso campione anidro (completamente secco, senza acqua). Viene espressa in percentuale e può assumere valori da 0% a oltre il 100%: in questo caso il peso dell’acqua presente in un campione è maggiore di quello del legno anidro. Il metodo per la determinazione dell’umidità del legno è noto come metodo per pesata e trova applicazione nella pratica di laboratorio. Prevede di misurare il peso del campione prima e dopo la completa essiccazione in stufa a 103°C. Il campione viene considerato anidro quando due pesate successive, a distanza di due ore, danno lo stesso valore. Il metodo per pesata è quello di riferimento per la determinazione dell’umidità di un campione di legno ed è descritto nella normativa tecnica di settore nel documento UNI EN 13183-1 Umidità di un pezzo di legno segato - Determinazione tramite il metodo per pesata. Gli svantaggi di questa procedura risiedono nella lunghezza temporale del processo di essiccazione del legno fino a peso costante (24 ore circa per un campione di 2x2x3 cm), nelle attrezzature necessarie e nell’impossibilità di riutilizzare il campione disidratato in stufa. Questi problemi hanno reso necessario lo sviluppo di metodi per la misura dell’umidità del legno di semplice applicabilità e in grado di fornire un risultato immediato. 1 I Quaderni n. 2 / 07 Igrometri elettrici Gli igrometri elettrici sfruttano per il loro funzionamento le proprietà elettriche del legno: costituiscono quindi dei metodi indiretti e portano ad una stima dell’umidità del legno. Fra le proprietà elettriche del legno hanno assunto una notevole importanza per il loro stretto rapporto con l’umidità del legno la resistenza elettrica (conduttanza), la costante dielettrica e il fattore di perdita dielettrica. Igrometri a resistenza (a chiodi) La conduttanza elettrica è la proprietà di un materiale in base alla quale un flusso di corrente elettrica attraversa il materiale stesso; per comodità viene frequentemente presa in considerazione la resistenza elettrica genericamente intesa come il reciproco della conduttanza. 2 spettro di resistenze elettriche. Sono alimentati a batteria e nella maggior parte dei casi restituiscono direttamente il valore di umidità del legno in percentuale. Per misurare la resistenza elettrica di un pezzo di legno questo deve essere reso parte del circuito: a tale scopo i due chiodi infissi nel legno fungono da elettrodi. Quando i chiodi vengono infissi lo strumento misura la resistenza offerta dal legno compreso fra i due chiodi: per questo anche la distanza fra i chiodi (di solito fissa) ha una grande importanza. Sono disponibili elettrodi (chiodi) con stelo completamente ricoperto da un materiale isolante: solo le punte rimangono scoperte per garantire il passaggio della corrente elettrica. Questa tipologia di elettrodi consente di conoscere l’umidità alla profondità di infissione delle punte, mettendo quindi in luce gradienti trasversali di umidità presenti nel legno. Il campo utile di misura dell’umidità per gli igrometri a resistenza è compreso fra il 7% e il 30% circa. Letture superiori al 30% sono da ritenersi del tutto approssimative. Il limite inferiore deriva dalla difficoltà di misurare resistenze molto alte, mentre quello superiore dal fatto che la conduttanza è solo debolmente in relazione con umidità del legno superiori al punto di saturazione (per la presenza di acqua liquida nei lumi cellulari). Igrometri dielettrici e a fattore di perdita dielettrica (a contatto) La resistenza elettrica del legno varia molto in funzione del suo contenuto d’acqua, in particolare nell’intervallo di umidità compreso fra 0% ed il punto di saturazione delle pareti cellulari (circa 30%). In questo intervallo di umidità del legno (noto come campo igroscopico) esiste una relazione matematica quasi lineare fra il logaritmo della conduttanza e il logaritmo dell’umidità del legno. In pratica, al decrescere dell’umidità del legno dal valore del punto di saturazione delle pareti cellulari la conduttanza decresce di un fattore superiore a 10 milioni: una variazione amplissima. I complessi fenomeni che si instaurano fra un materiale dielettrico come il legno e un campo di energia elettrica possono essere esemplificati come segue: il legno umido sottoposto ad un campo elettrico accumula una carica elettrostatica (costante dielettrica) che al cessare del campo elettrico sarà inferiore rispetto a quella fornita dallo strumento (fattore di perdita dielettrica) perché una parte di questa viene dissipata in calore. 4 3 La precisione di un igrometro elettrico in buone condizioni non è mai limitata dal principio di funzionamento sul quale si basa lo strumento in sé, ma dall’influenza di fattori diversi dall’umidità del legno, soprattutto se questi ultimi sono sconosciuti o non considerati. Tuttavia alcuni fattori che hanno una diretta influenza sulla misura possono essere controllati dall’operatore: specie legnosa, densità, spessore e temperatura del legno, contatto degli elettrodi con il legno, direzione delle fibratura, estrattivi, condizioni meteorologiche e abilità dell’operatore. Di seguito riportiamo le considerazioni relative a ciascun fattore. Specie legnosa Ad uguale umidità del legno, sia la conduttanza che le proprietà dielettriche del legno dipendono dalla specie legnosa. Di conseguenza, quando lo strumento lo consente, è importante apportare correzioni secondo la specie in esame. Se la correzione per specie non è possibile (o se una certa specie legnosa non è compresa nell’elenco fornito dal produttore) gli igrometri a resistenza possono essere impiegati ugualmente per una lettura approssimativa, perché la differenza è di solito inferiore al 2% di umidità. Anche gli strumenti dielettrici possono essere impiegati per una misura indicativa dell’umidità del legno di specie sconosciute, impostando un legno con densità simile a quello che si sta testando. Densità del legno Se le letture di umidità per gli strumenti a resistenza sono praticamente indipendenti dalla densità del legno, per gli igrometri dielettrici (a contatto) la densità è un fattore di sostanziale importanza. Addirittura, qualora la densità del campione di legno di cui si vuole conoscere l’umidità con igrometro dielettrico risulti facilmente determinabile con una certa accuratezza, è buona norma calcolarla per avere una più affidabile stima dell’umidità espressamente riferita a quel campione. Spessore del legno Ad esempio: valori tipici di resistenza elettrica per il legno di Douglasia a 20°C sono pari a 22400 Mohm al 7% di umidità e 0.46 Mohm al 25% di umidità. Per umidità del legno superiori al punto di saturazione la conduttanza non è più ben correlata con l’umidità del legno. Oltre all’acqua, sulle proprietà elettriche del legno hanno una certa influenza anche i seguenti fattori: temperatura del legno: la conduttanza elettrica del legno aumenta all’aumentare della temperatura del legno; angolo della fibratura: la conduttanza elettrica del legno in direzione parallela alla fibratura è circa doppia della conduttanza in direzione perpendicolare alla fibratura. Gli igrometri a resistenza (a chiodi) sono sostanzialmente costituiti da un ohmetro in grado di misurare un ampio II Precisione degli igrometri elettrici La costante dielettrica è tanto più alta quanto maggiore è l’umidità del legno. Il fattore di perdita dielettrica dipende dall’umidità del legno, ma secondo una relazione non lineare che è influenzata anche dalla temperatura e dalla frequenza del campo elettrico creato dall’igrometro. Sulle proprietà dielettriche del legno hanno una certa influenza anche i seguenti fattori: densità del legno: in generale le proprietà dielettriche del legno aumentano all’aumentare della sua densità secondo relazioni tendenzialmente lineari. temperatura: la costante dielettrica del legno aumenta con la temperatura. Il fattore di perdita dielettrica dipende anche da umidità e frequenza del campo, non solo dalla temperatura. specie legnosa: generalmente legni con densità simile presentano proprietà dielettriche simili, salvo alcune rare eccezioni. Il problema dello spessore del legno sul quale vogliamo misurare l’umidità è collegato a quello della distribuzione dell’umidità nel legno o ai gradienti trasversali di umidità. Se l’umidità nel campione è uniformemente distribuita, un elevato spessore del legno non ha influenza negativa sulla misura. Se, al contrario, essa non è uniformemente distribuita nel campione, allora la profondità di infissione dei chiodi (per gli strumenti a resistenza) dipende dallo spessore del legno. In particolare, è necessario che i chiodi siano lunghi abbastanza da raggiungere la profondità di 1/5 - 1/4 dello spessore del campione. Per gli strumenti a contatto il campo elettrico dovrebbe penetrare fino a metà spessore (il che è in pratica non realizzabile!). Se gli strumenti dielettrici vengono impiegati per misurare l’umidità di campioni di legno con spessore inferiore rispetto a quelli impiegati per la loro taratura, gli stessi valori letti saranno inferiori. Anche eventuali materiali che stanno dietro il campione possono influenzare la misura con strumenti dielettrici. Temperatura Al crescere della temperatura del legno aumenta la sua conduttanza elettrica. Si rendono necessarie delle correzioni che nella maggior parte degli strumenti a resistenza sono realizzabili immettendo il reale valore di temperatura del legno al momento della misura. Contatto degli elettrodi Per misure accurate i chiodi degli igrometri a resistenza devono essere infissi perpendicolarmente alla superficie del campione. Gli strumenti a contatto vanno fermamente poggiati sulla superficie pulita del legno; il campione su cui si esegue la misura deve essere più largo della base dello strumento: il legno deve essere visibile al di fuori dello strumento per una larghezza pari al suo spessore. Per entrambi gli strumenti vale la regola di effettuale la misura su legno netto da nodi o privo di qualsiasi altro difetto o degrado. Direzione della fibratura La direzione della fibratura non ha effetti sulle letture degli strumenti a contatto. Per gli strumenti a chiodi non esiste una regola fissa: è importante consultare il manuale d’uso del proprio strumento per conoscerne il corretto impiego. Per umidità del legno al di sotto del 15% l’effetto della direzione della fibratura è trascurabile; al di sopra del 20% una lettura con i chiodi perpendicolari alla fibratura può essere anche del 2% inferiore rispetto a quella in direzione longitudinale. Trattamenti chimici, adesivi e vernici Legno trattato con preservanti o ignifuganti contenenti sali (o rimasto a contatto prolungato con l’acqua di mare) offre una minor resistenza elettrica: di conseguenza gli strumenti tendono a sovrastimarne l’umidità. L’errore è trascurabile sotto l’8% di umidità, ma cresce molto rapidamente sopra il 10%, rendendo impossibile ogni correzione. Alcune colle impiegate per la produzione di multistrati sono conduttrici e possono di conseguenza alterare l’umidità del legno letta dagli igrometri. È possibile verificare l’effetto della linea di colla di un multistrato infiggendo i chiodi nel primo strato di legno e registrando la misura dell’umidità. Se al successivo affondamento dei chiodi oltre la linea di colla il valore di umidità cresce bruscamente l’igrometro non potrà essere convenientemente impiegato. Se questo effetto non si nota, le misure potranno essere realizzate. Film di prodotti verniciati raramente hanno influenza sulla lettura dell’umidità con igrometri elettrici. Nel caso in cui si sospetti che la vernice possa avere un certo effetto sulla misura (o per scongiurare questo pericolo) potranno essere impiegati i chiodi isolati. Misure effettuate con chiodi appena appoggiati sulla superficie di un campione verniciato possono dare indicazioni sulla conducibilità elettrica del film. Condizioni meteorologiche La formazione di film d’acqua su parti degli strumenti può seriamente compromettere le misure di umidità. Questo si verifica passando da ambienti caldi ad ambienti freddi o in giornate di nebbia o piovose. Abilità dell’operatore Benché gli igrometri siano facili da impiegare spesso il risultato della misura dipende dalla cura che l’operatore pone nella sua esecuzione. Attenzione deve quindi essere posta alle impostazioni dell’igrometro, dei fattori di correzione, all’applicazione degli elettrodi. Non meno importante è la scelta del singolo campione e dell’area in cui effettuare la misura. III Quaderni n. 2 / 07 Dieci regole da seguire per il corretto impiego degli igrometri elettrici 1 Conservare lo strumento secondo le indicazioni fornite dal costruttore, in ogni caso in locali asciutti e a temperatura costante. Se non viene impiegato per lunghi periodi, è consigliabile staccare la batteria. 2 Verificare il campo utile di misura dell’umidità del legno. Con igrometri elettrici (per tutti gli strumenti elettrici, indipendentemente da marca e costo) varia dal 7% al 30% circa; il limite superiore può variare dal 25% al 40% a seconda della specie legnosa, perché dipende dal punto di saturazione delle pareti cellulari. 3 Impostare la specie legnosa o gruppo di specie su cui si effettua la misura. 4 5 Impostare la temperatura del legno: tenere presente che la temperatura del legno non è sempre quella ambientale. 6 Fare attenzione agli igrometri a chiodi, che possono essere attrezzati con stelo non isolato oppure isolato. Occorre prevedere l’impiego di chiodi isolati quando: si vogliono rilevare eventuali gradienti di umidità; si vuole conoscere l’umidità del legno ad una certa profondità; il legno è verniciato. 7 Rispettare i tempi ... Se l’igrometro viene spostato da un ambiente ad un altro in condizioni termoigrometriche diverse, prima di effettuare la misura bisogna attendere il tempo necessario affinché lo strumento raggiunga le nuove condizioni di temperatura al fine di evitare fenomeni di condensa. 8 Evitare di misurare l’umidità del legno in prossimità di nodi, attacchi da insetti, forti deviazioni della fibratura, tasche di resina, inclusioni, alterazioni cromatiche o di altri difetti. E, ancora, in prossimità delle testate dell’elemento. 9 Verificare che il campione sia più largo dello strumento per una quantità pari almeno allo spessore del legno in caso di impiego di igrometri a contatto. 10 Leggere il manuale di istruzioni del proprio strumento e applicare quanto riportato per la scelta della direzione della fibratura rispetto alla direzione in cui si piantano i chiodi. Verificare la conducibilità di film di prodotti verniciati (pavimenti prefiniti) o di linee di colla (multistrati di supporto o strato di collante fra strato nobile supporto) prima di procedere alla misura con igrometri a chiodi. Glossario dei termini tecnici utilizzati Campo igroscopico: valori di umidità di equilibrio che il legno raggiunge in ambiente con umidità relativa dell’aria compresa fra 0% e 100%; riferito all’umidità del legno questa risulta compresa fra 0% e il punto di saturazione delle pareti cellulari (circa 30%). Determinazione: applicazione di un metodo diretto (es.: metodo per pesata), al fine di ricavare un singolo valore di umidità media per ogni pezzo di legno. Gradiente di umidità: indica la differenza di umidità del legno fra zone diverse di uno stesso elemento ligneo. Punto di saturazione: valore di umidità del legno che corrisponde alla situazione ideale in cui non è presente acqua libera nei lumi cellulari, ma le pareti delle cellule sono sature d’acqua. Ad umidità inferiori rispetto al punto di saturazione il legno si ritira o si rigonfia per effetto di perdita o acquisizione di acqua. Il legno conservato per un tempo sufficiente a umidità relativa dell’aria del 100% (aria satura) raggiunge il punto di saturazione. Stima: applicazione di un metodo indiretto al fine di conoscere l’umidità del materiale legnoso costituente un manufatto; il valore di umidità ottenuto da un procedimento di stima è una valutazione approssimativa del valore numerico dell’umidità. Umidità del legno: valore percentuale che esprime la quantità di acqua presente in un pezzo di legno in rapporto al peso anidro dello stesso elemento. Foto 1 - Igrometro elettrico a resistenza (a chiodi) Foto 2 - Particolare del martello utilizzato per l’infissione dei chiodi nel legno Foto 3 - Chiodi utilizzati negli igrometri a resistenza: a sinistra con stelo ricoperto da materiale isolante in modo da poter rilevare gradienti di umidità nel legno, a destra senza rivestimento Foto 4 - Igrometro dielettrico (a contatto) Approfondimenti Giordano, G. 1981. Tecnologia del legno. Vol. 1 La materia prima. Torino: UTET James, W.L. 1988. Electric moisture meters for wood. Gen. Tech. Rep. FPL-GTR-6. Madison, WI: U.S. Department of Agriculture, Forest Service, Forest Products Laboratory. UNI EN 13183-1:2003. Umidità di un pezzo di legno segato - Determinazione tramite il metodo per pesata UNI EN 13183-2:2003. Umidità di un pezzo di legno segato - Stima tramite il metodo elettrico UNI EN 13183-3:2003. Umidità di un pezzo di legno segato - Stima tramite il metodo capacitivo Forsén, H. Tarvainen, V. 2000. Accurancy and funtionality of hand held wood moisture content meter. Espoo2000. Technical Research Centre of Finland, VTT Publications 420. IV