Je Ohm, desto trocken

Der Autor: Dieter Stojan, Direktor der Meisterschule Ebern, auf der Grundlage einer Semesterarbeit von Maik Hart und Mathias Stöcklein

Der Aufsatz erläutert die physikalischen und chemischen Grundlagen der Holzfeuchte-Messung und will zum Verständnis des Messprinzips und der Wirkweise der Geräte beitragen.

Holz ist ein nichthomogenes, poröses Material, das unregelmäßig angeordnete Hohlräume enthält; diese Hohlräume sind als Poren in der Holzzellwand (Mikrosystem) und als Zellhohlräume (Makrosystem) vorhanden. Ein frisches Stück Holz fühlt sich „feucht“ an, da es eine bestimmte Menge Wasser enthält. Mit zunehmender Trocknung tritt das Wasser aus den Zellhohlräumen durch Verdunsten an den Querschnittflächen aus.

Die Holzfeuchte (u) gibt an, wie hoch der Wassergehalt (in Gramm) in einer Holzprobe ist, bezogen auf die darrtrockene Holzmasse. (Im Darrzustand befindet sich Holz, wenn es „keine“ Feuchtigkeit mehr enthält.) Dabei wird die Masse dieser absolut trockenen Holzprobe gleich 100 % gesetzt. Daraus ergibt sich für die praktische Holzfeuchte-Ermittlung folgende Formel:

u = [(mu – md )/ md] · 100 (%)

mu = Masse der feuchten Holzprobe

md = Masse der darrtrockenen Holzprobe

mu – md = m H2 O

Holz als hygroskopisches Material besitzt die Fähigkeit, den Feuchtegehalt in einen Gleichgewichts-Zustand mit der umgebenden Luftfeuchte zu bringen; dieses Gleichgewicht hängt von der Temperatur und dem Luftdruck ab. Mit den Feuchtigkeitsänderungen in den Zellwänden unterhalb des Fasersättigungsbereiches (es ist kein Wasser mehr in den Zellhohlräumen, sondern nur noch Wasser in den Zellwänden) verändert sich auch das Volumen des Holzes: Holz quillt bzw. schwindet. Um Quellen und Schwinden weitgehend auszuschließen, ist es besonders für die Schreinereien sehr wichtig, die Feuchte des zu verarbeitenden Holzes genau zu bestimmen und vor der Weiterverarbeitung der ermittelten Ausgleichsfeuchte am Einsatzort anzu-passen.

Die Darrmethode (darren = trocknen) ist das älteste und weitest verbreitete Verfahren zum Bestimmen des Feuchtegehaltes. Die zu prüfende Holzprobe wird unmittelbar nach dem Herausschneiden aus dem Brett oder der Bohle genau gewogen: So ergibt sich das Nassgewicht (mu). Anschließend erfolgt Trocknen im Trockenschrank (Darrofen) bei einer Temperatur von 103° (± 2°C). Durch wiederholte Gewichtskontrolle wird festgestellt, wann die Schwelle erreicht ist, an der keine Feuchtigkeit mehr austritt: Das Holz ist darrtrocken (md). Da die Messergebnisse durch verschiedene Faktoren, wie austretende Inhaltstoffe oder zu langes Warten nach dem Herausschneiden der Probe, beeinflusst werden können, ist die Vorgehensweise in der DIN 52183 festgeschrieben.

Die Darrmethode kann nur stationär angewandt werden und benötigt mehrere Stunden. Des weiteren ist das Holz nach Entnahme von Proben zerstört. Deshalb ist es nötig, andere Messverfahren einzusetzen, die sofort, zuverlässig und wirtschaftlich Ergebnisse liefern. Diese Forderungen erfüllen transportable Messgeräte nach Verfahren, die auf der Veränderung bestimmter physikalischer Größen basieren. Das Darrverfahren wird zum Kalibrieren dieser Holzfeuchte-Messverfahren genutzt.

Holz hat im darrtrockenen Zustand einen sehr hohen, spezifischen elektrischen Widerstand; er liegt im Bereich der besten Isolatoren, wie Glas oder Porzellan. Reines Wasser leitet den elektrischen Strom ebenfalls nicht. Doch durch die vom Baum aufgenommenen und im Wasser gelösten Mineralsalze („Nährstoffe“) wird es leitend: Salze bestehen aus einem Metall und einem Nichtmetall oder einer nichtmetallischen Sauerstoffverbindung mit Ionenbindung (Beispiel: Abb. 1). Mit dem Wassergehalt ändert sich die Ionen-Konzentration – und damit das elektrische Leitungsvermögen. Mit einem Widerstandsmessgerät lässt sich folglich über das Leitungsvermögen des Holzes der Wassergehalt des Holzes bestimmen.

Für die Holzfeuchtemessung wird ein Messgerät (Abb. 2) verwendet, in dem meistens eine Spannungsquelle einen Messstrom erzeugt, der über die erste Elektrode in das Holz und über die zweite Elektrode wieder zurück zur Stromquelle fließt (Elektroden = elektrisch leitende, meist metallischen Teile, die den Übergang elektrischer Ladungsträger zwischen zwei Medien vermitteln oder dem Aufbau eines elektrischen Feldes dienen). Der Spannungsabfall über den Elektroden kann gemessen werden. Nach dem Ohmschen Gesetz kann man daraus den spezifischen elektrischen Widerstand des Holzes errechnen:

R = U/I [V]

U = Spannung

I = elektrischer Strom

R = Widerstand

Der gemessene Widerstand ist umgekehrt proportional zur aufgenommenen Wassermenge: Bei geringer Holzfeuchte ist der elektrische Widerstand hoch, mit zunehmender Feuchte sinkt er.

Durch die chemische Zusammensetzung und die Struktur des Holzes ergeben sich bei der elektrischen Widerstandsmessung verschiedene Probleme. Vom darr-trockenen Zustand bis etwa 7 % Feuchte nimmt der Widerstand nicht linear, sondern logarithmisch ab, d. h. die Kurve wird langsam flacher. Von 7 % Feuchte bis zum Bereich der Fasersättigung, der bei etwa 30 % Holzfeuchte liegt, ist der Zusammenhang annähernd linear, die Leitfähigkeit steigt über den gesamten Bereich etwa einmillionen-fach. Oberhalb der Fasersättigung ändert sich die Leitfähigkeit mit zunehmender Feuchte nur noch weniger als fünffach. Daher sind nur im Bereich zwischen 4 und 22 % Holzfeuchte aussagefähige Werte möglich. Im Bereich von 8 bis 12 % beträgt die statistische Abweichung ± 0,5 %, im Bereich 18 bis 22 % sogar ± 1,5 %. Die Leitfähigkeit hängt auch von der Temperatur ab: Bei einer Holzfeuchte über 10 % ändert sich die Leitfähigkeit um eine Zehnerpotenz, wenn die Holztemperatur von 20 auf 50°C steigt. Das führt im Bereich 8 bis 22 % Holzfeuchte, bei einer Temperaturabweichung von 10°C, zu einem Messfehler von 1 % Holzfeuchte. (Bei höherer Holzfeuchte oder größerer Temperaturabweichung vergrößert sich der Fehler.)

Weiteren Einfluss auf die Leitfähigkeit hat die Holzart mit ihrem unterschiedlichen, durch den Standort bedingten Gehalt an nichtwässrigen Inhaltstoffen. So ist die Genauigkeit zum Beispiel für Pappel oder Afzelia relativ schlecht. Die holzart- und temperaturbedingten Einflüsse können mit Hilfe beigefügter Korrekturtafeln oder durch auswechselbare, auf eine bestimmte Holzart und Prüftemperatur geeichte Skalen ausgeglichen werden.

In Richtung des Faserverlaufes ist die Leitfähigkeit etwa doppelt so hoch wie in Querrichtung. Um aussagekräftige Daten zu erhalten, müssen die Elektroden quer zum Faserverlauf angeordnet werden. Die Holzfeuchte wird immer nur an der Einschlagstelle gemessen; mit isolierten Stiften in einer bestimmten Tiefe.

Bei der Widerstandsmessung mit Gleichstrom kann es zu elektrochemischen Prozessen an den Elektroden kommen. Auch die Übergangswiderstände zwischen Holz und Elektroden können das Messergebnis verfälschen. Voraussetzung für ein genaues Messe-rgebnis ist, dass die Elektroden bis zur vorgeschriebenen Tiefe in das Holz eingetrieben werden. Bei Anpress-Elektroden muss der Anpressdruck so hoch sein, dass vollflächiger Kontakt zwischen Holz und Elektroden sichergestellt ist (Genauigkeit: ± 1,5 %).

Im Allgemeinen jedoch gilt die Widerstand-Messung als die genaueste und am besten wiederholbare Methode; sie ist aber nicht zerstörungsfrei.

Ohne Beeinträchtigung des Holzgefüges werden beim dielektrischen Messverfahren Kondensatorplatten an die zu bestimmende Holzprobe angelegt (Abb. 3).

Ein Kondensator besteht aus zwei in bestimmtem Abstand berührungslos gegenüberliegend angeordneten Platten aus stromleitendem Material. Legt man an beide Platten jeweils den Pol einer Spannungsquelle, so laden sich die Platten je nach dem angeschlossenen Pol positiv oder negativ auf. Zwischen den Platten bildet sich ein elektrisches Feld. Hat sich dieses Feld in voller Stärke aufgebaut, bleibt die Stärke des Feldes konstant, und es fließt kein Strom mehr. Entfernt man jetzt die Spannungszuführung zu den Platten des Kondensators, wird das elektrische Feld beibehalten. Die so gespeicherte Energie nennt man elektrische Kapazität (C). Sie hängt von der Plattenfläche (A), dem Plattenabstand (S) und dem Medium zwischen den Platten ab, das man Dielektrikum nennt. Es hat ein ganz bestimmtes Vermögen, die Kapazität des Kondensators zu ändern. Diese Fähigkeit wird mit der Dielektrizitätskonstante (E) beschrieben; sie gibt als Verhältniszahl an, um wievielmal ein Stoff im Vergleich zu Luft (E = 1,0) die Kapazität des Kondensators erhöht.

C = E · (A/S)[F]

C = Kapazität

E = Dielektrizitätskonstante

A = Plattenfläche

[F] = 1 Farad

S = Plattenabstand

Die Kapazität des Kondensators ändert sich mit unterschiedlichem Feuchtegehalt des Holzes. Durch die großen Unterschiede der Dielektrizitätskonstanten von Wasser (E = 70,54) und trockenem Holz (E = 1,5 bis 3,0) können bereits geringe Wasseranteile mit einer Kapazitätsmessung festgestellt werden. Weil trockenes Holz und Luft annähernd gleiche Dielektrizitätskonstanten haben, lässt sich in einer Messreihe – mit Vergleichswerten aus der Darrprobe – jeder angezeigten Kapazität ein Holzfeuchte-Wert zuordnen. Die Ergebnisse werden auf die Skala des Messgerätes übertragen.

Bei Elektroden, die sich parallel gegenüberstehen, verlaufen die Feldlinien annähernd parallel. Wenn sie dagegen in einer Ebene angeordnet sind, ist die tatsächliche Eindringtiefe des Feldes unbestimmt; das heißt, sie kann nur geschätzt werden. Dadurch ist die Messung nicht tiefenwirksam und somit zum Messen dickerer Bohlen (z. B. 80 mm) nur bedingt geeignet, weil sie den Feuchtigkeitsgehalt in der Holzmitte nicht berücksichtigt. Allgemein gilt also, dass Proben mit homogener Feuchteverteilung kapazitiv gut messbar sind, allerdings nur bis zu einer bestimmten Tiefe.

Bei einer Frequenz von 1 MHz ändert sich im Bereich von 0 bis 65 % Holzfeuchte die Dielektrizitätszahl von 2 auf etwa 18. Damit lässt sich, kapazitiv, die Holzfeuchte auch oberhalb der Fasersättigung bestimmen. Bei zu geringer Messfrequenz führt freies Wasser zu einem Kurzschluss.

Der Einfluss von der Rohdichte des Holzes und Temperatur wird durch einen Schalter am Messgerät korrigiert (Grundlage sind wieder entsprechende Messreihen). Es wird aber jeweils nur die mittlere Rohdichte und nicht der Einzelwert berücksichtigt. Das Messergebnis ist kein absoluter Wert an einem Punkt, sondern ein Mittelwert bis zu einer bestimmten Tiefe. Äste, Risse oder andere Unregelmäßigkeiten haben gro-ßen Einfluss. Einfluss auf das Messergebnis hat außerdem die Richtung des Faserverlaufes zur Richtung des elektrischen Feldes und nicht ausreichender Anpress-druck zwischen Holz und Elektrode.

Holz mit Oberflächen-Wasser oder großem Feuchtegefälle sollte nicht mit einem kapazitiven Holzfeuchte-Messgerät gemessen werden. Aber: Mit der kapazitiven Messmethode kann auch durch Lackschichten gemessen werden; auch imprägniertes Holz ist im allgemeinen noch verlässlich zu messen. o

Literaturhinweise:

Marktübersicht aus „Der Zimmermann“ Heft 5, 1999 (Bruderverlag Albert Bruder, Karlsruhe, Tel. 07 21/ 9 13 88-30, Fax ~/9 13 88-97)

Die Schnittholztrocknung, Brunner – Hildebrand (Hrsg.), 5. Auflage, Hannover, Brunner

Kleiner Holztrocknungskurs, Eisenmann (Hrsg.), Eisenmann KG, 1972, Böblingen

Feuchtemessung an Holz, Holzwerkstoffen und Baustoffen von Axel Kober, Burkhard Olinke, Fraunhofer-Arbeitsgruppe für Holzforschung am Wilhelm-Klauditz Institut (WKI), Braunschweig: 1989