Sammanställning av tekniker och metoder för mätning av fukthalt i trädbränslen

Transkript

1 Sammanställning av tekniker och metoder för mätning av fukthalt i trädbränslen Henrik Nylund Henrik Nylund 2013 Examensarbete, 15 hp Högskoleingenjörsprogrammet i energiteknik, 180 hp

2 Sammanfattning Detta arbete är en ren litteraturstudie och syftar till att ge en generell bild av olika metoder för att bestämma fukthalten (FH) på trädbränslen. Intresset för detta har delvis att göra med den nya virkesmätningslagen som innebär ökade krav på mätmetoden för FH i trädbränslen. Det innebär att alla mätande företag av trädbränslen måste ha en kontrollverksamhet och använda beprövade metoder. Den nu dominerande metoden för att bestämma FH innebär att mäta viktskillnaden på bränsleprover före och efter torkning i ugn. Problemet är att processen är långsam och resurskrävande i form av personal och utrustning. Målet med detta arbete var att sammanställa alternativa metoder, t.ex. NIR (nära infraröd strålning), resistiva- och kapacitiva mätare, mikrovågsteknik, magnetisk resistans, radiovågor, joniserande strålning som röntgen, beta, gamma och neutronstrålning samt vissa kombinationer av teknikerna. Metoderna visade sig ha olika typer av styrkor och svagheter. Exempelvis har vissa metoder som röntgenstrålning förmågan att klara av att mäta FH på fruset bränsle av varierande fraktionsstorlekar. Andra metoder som resistiva mätare har fördelen av att hålla en låg inköpskostnad, men uppvisar i stället en begränsad förmåga att mäta FH högre än 30 %. Det normala FH intervallet för skogsflis bedöms ligga mellan %. Strålning med radiovågor är den metod som bedöms ha bäst potential att utföra en representativ mätning för en stor bulkvolym med heterogent material, men tekniken ligger fortfarande i forskningsstadiet. Vanligt förekommande metoder för FH-mätning på transportband är NIR och mikrovågor. Fördelen med mikrovågor är att de penetrerar materialet djupare än NIR och blir därmed mindre känslig för ytfukt, men är i stället känsligare för varierande partikelstorlek, speciellt när partiklarna blir större än 65 mm. NIR är en ytmätande teknik med ett inträngningsdjup på ca 5 mm och är därför inte lika beroende av partikelstorleken, men kan däremot vara känslig för ytfukt. Flera av metodernas prestanda har blivit testade med ensidiga bränslesammansättningar eller olikartade experimentuppställningar. Detta gör det väldigt svårt att bilda sig en uppfattning om hur metodernas prestanda står sig i förhållande till varandra. En av slutsatserna för detta arbete blir därför att det behövs gemensamma förhållningsregler vid tester av prestandan för respektive metod. I dag finns detta endast för NIR-mätning som också är den enda alternativa metoden som är godkänd av VMF för prisavräkning. Uppfattningen är att fler tekniker har kapacitet att bli godkända för detta ändamål. Nyckelord: Fukthalt, torrhalt, trädbränslen, trädflis

3 Summary The work in this report is a pure literature survey and is intended to provide a general picture of the various methods for determining the moisture content (MC) of wood fuels. The interest in this subject has partly to do with the new law for wood measurement that increases the demands on the measurement method for MC of wood fuels. This means that all companies performing measurements on wood fuels must have a control department and use certified methods. The current dominant method of determining the MC is a gravimetric method where the difference in weight of the fuel samples before and after drying in an oven is measured. The problem is that the process is time consuming and resource-demanding in terms of staff and equipment. The objectives of this work were therefore to compile and describe alternative methods, e.g. NIR (near infrared), resistive and capacitive gauges, microwave, magnetic resistance, radio frequency radiation, ionizing radiation like X-rays, beta, gamma, neutron radiation, and certain combinations of these techniques. The methods were shown to have different strengths and weaknesses. For example, some methods like X-rays are able to measure the MC of frozen fuel of varying fraction sizes. Other methods like resistive gauge has the advantage of keeping a low purchase cost, but shows instead a limited ability to measure MC higher than 30 %. The normal MC range for wood chips is estimated to be between %. Radiofrequency radiation is the method that is considered to have the best potential to perform a representative measurement for a large bulk volume of heterogeneous material, but the technology is still in the research stage. Commonly used methods of flow measurement on conveyor belts are NIR and microwaves. The advantage of microwaves is that the material penetrates deeper than the NIR and will thus be less sensitive to surface moisture, but is instead more sensitive to varying particle size, especially when the particles become bigger than 65 mm. NIR is a surface measuring technology with a penetration depth of about 5 mm and is therefore not as dependent on the particle size, but may be sensitive to surface moisture. Several of the methods performance has been tested with simplistic fuel composition or different experimental setups. This makes it very difficult to form an opinion about the performance of the methods in relation to each other. One of the conclusions of this work is therefore the need for common rules of the implementation for testing the performance of each method. Today, this is only for the NIR measurement, which is also the only alternative method that is approved by VMF for price settlement. The perception is that more techniques have the capability to be approved for this purpose. Keywords: Moisture content, biofuels, woodchips

4 Innehållsförteckning Inledning... 3 Syfte... 4 Avgränsningar... 4 Metod... 4 Analys av metoder Gravimetriska metoden NIR (Nära infraröd) Bestwood: NIR BAS-700 (Bulkmätning) Bestwood: NIR BAS-600 (Pannstyrning) Process Sensors: MCT Elektrisk mätare (Resistiv) Humimeter BLL Elektrisk mätare (Kapacitans) Schaller: Humimeter BM Wile: Bio Moisture (inkl. test av WILE & BM2) Mutech: HUMY Mikrovågor Senfit: BMA Desktop moisture analyzer (inkl. test) Senfit: BMA On-Line biomass moisture analyzers (2 modeller) BMA On- Line Belt configuration BMA - On-Line Wall mount configuration Berthold: Microwave Moisture Analyzer Micro-Polar LB 567/ Micro-Polar 2 LB Micro-Polar Moist LB NMR, Nuclear Magnetic Resonance Metso: MR Moisture Analyzer Radiovågor Högfrekvent strålning (Inadco) Joniserande strålning (Radioaktiv strålning) Dubbelenergiröntgen (Dual X-ray) Mantex: DesktopScanner Mantex: FlowScanner Neutronstrålning... 31

5 11.1 LB 350 (Neutronteknik) NSD-Fusion GmbH (Neutronstrålning med PGNAA-teknik) Betastrålning Gammastrålning Diskussion Metoder som kräver manuell provtagning Provpunkter Metoder som mäter FH direkt på lasten (NIR och radiovågor) En spekulativ konstruktion (Radiovågor) Flödande mätning Flödande mätning för prisavräkning Portabla fuktmätare med spetssond Joniserande strålning Prestanda på mätare Slutsats Referenser... 39

6 Termer och begrepp Bulkdensitet: Begrepp som används vid densitetsbestämning för krossade och flisade material i en behållare (bulk). Total massa dividerat med den totala volymen inklusive alla luftfickor. Det som huvudsakligen inverkar på bulkdensiteten är skillnader i hur hårt packat materialet är och variationen hos fraktionsstorleken på träflisen. Dielektricitetskonstant: De dielektriska egenskaperna hos ett material anger dess egenskaper när det utsätts för ett elektriskt fält, dessa egenskaper i materialet bestämmer ett ämnes värde på dielektricitetskonstanten. För vatten är denna konstant mycket hög och är därför av stort intresse vid bestämning av FH. En mer exakt definition är att konstanten anger förhållandet mellan kapacitansen (Coulumb/Volt) för vakuum och kapacitansen för det betraktade isolerande materialet (t.ex. trä). För vacuum är konstanten 1 och för vatten ca 80. Fibermättnadspunkt: Cellväggen i träet kan uppta vatten till en viss övre gräns då vedsubstansen blir mättad med vatten. Ovanför denna gräns blir vattnet mindre hårt bundet till träet. Fibermättnadspunkten uppstår vid en FH på ca 23 %. GROT: Grenar och toppar. Fukthalt (FH)(%): Procentuella andelen vatten i ett material = Torrhalt (TH)(%): Procentuella andelen torr massa i ett material = Fuktkvot: Anger kvot mellan massan vatten och massan av torrt material = 1

7 Statistiska begrepp RMSE: Root mean square error Standardfelet : Är ett mått på spridningen av avvikelserna, till exempel när en jämförelse görs mot ett givet värde, eller som ett mått på medelvärdet av standardavvikelserna eller standardfelen. SEE: Standard error of the estimate Uppskattat standardfel : Har i praktiken samma betydelse som RMSE. Nämnaren är det som skiljer i formeln. STD: Standard deviation Standardavvikelse : Ett spridningsmått som anger hur ett statistiskt material är fördelat kring medelvärdet. Relativ differens: En fuktmätare kan visa ett högre eller lägre värde i förhållande till referensmetoden. Vid ett lägre värde betecknas detta med ett minustecken. Exempel för relativ differens: Om två mätningar utförs och den första visar en differens på +3 % -enheter från referensmetoden och den andra mätningen visar -2 % - enheters differens från referensmetoden. Detta innebär att den relativa differensen för de två mätningarna blir: 0,5 % 2

8 Inledning Handeln av trädbränslen som t.ex. grotflis, flis från grenar och toppar vid slutavverkning, har ökat kraftigt under de senaste åren. Inmätningen sker vanligtvis vid mottagningsplatsen och betalningen sker vanligen utifrån energiinnehållet. Det effektiva energivärdet på trädbränslen är direkt proportionellt till den fuktmängd som materialet innehåller. Att fastställa materialets fukthalt (FH) är således en förutsättning för att kunna beräkna energimängden samt värdet på bränslet. Kännedom om FH är också av stor vikt för att kunna styra förbränningen, det kan göras genom att exempelvis reglera luftfördelningen i pannan. I och med den nya Virkesmätningslagen (se info kommer bl.a. trädbränslen att inordnas under den nya lagen, vilket ställer ökade krav på mätmetoden för FH i trädbränslen. Med ökade krav på mätmetoder menas något som använts under lång tid med väldokumenterad kontrollverksamhet, eller på vetenskapligt sätt kan bekräftas med en validerad mätmetod. Detta innebär att alla mätande företag av trädbränslen måste ha en kontrollverksamhet och använda beprövade metoder. Den idag vanligaste metoden för att bestämma FH sker genom ugnstorkning av manuellt uttagna bränsleprover. Olika standarder för ugnsmetoden finns, men går huvudsakligen ut på att FH tas fram genom att mäta viktskillnaden på bränslet före och efter torkning. Proven kan tas direkt från lastbil när leverans sker eller på redan lossat material. Denna metod är behäftad med ett antal problem som sammanfattas i följande punkter: Svårighet att ta representativa prover eftersom biobränsle ofta är ett väldigt inhomogent material. FH kan variera stort inom samma leverans. Resurskrävande i form av extra personal som skall samla och torka prover. Lång tid går mellan att proven tas till dess att resultaten erhålls [9]. Det finns därför i branschen en önskan om att få kännedom om FH genom ett effektivare tillvägagångssätt. Flera andra metoder finns på marknaden eller är under utveckling, exempelvis: Röntgenbaserad mätning Mikrovågs och högfrekventa tekniker Ytmätande tekniker Automatiserade provtagningar Realtidsmätande tekniker/metoder Resistansmetoder Etc. Utifrån denna bakgrund är en litteraturstudie, genomgång och sammanställning av vad som gjorts inom utveckling av mätning av fukthalt mycket intressant. 3

9 Syfte Syftet med studien var att beskriva utvecklade mätmetoder för bestämning av FH i biomassa. Studien inriktades mot att söka och sammanställa information om vilka mätmetoder/mättekniker som finns kommersiellt idag, vilka mätmetoder som har tagits fram men inte blivit kommersiellt gångbara eller inte nått ända fram tekniskt och varför. Samt vilka tekniker och metoder som är under utveckling. Dessutom har mätmetoderna (tekniken) beskrivits. Avgränsningar Arbetet begränsas till litteraturstudier och informationsinsamling från tillverkare och utvecklare. Inriktningen skall även vara mot tekniker och metoder som på något sätt provats praktiskt. Rena teoretiska metoder och/eller obeprövade teorier ingår inte. Metod Arbetet inleddes med att införskaffa en översikt om vilka olika metoder och tekniker som finns för att mäta FH i biobränslen. Efter att ha fått en överblick av antalet möjliga tekniker detaljstuderades varje metods funktion, brister och fördelar som sedan sammanfattats. Fakta om olika tekniker och modeller har insamlats via flertalet källor: Företags hemsidor på internet. Databaser för vetenskapliga publikationer, t.ex. Google scholar. Rapportdatabaser, t.ex. Värmeforsk och Skogforsk. Skogsbiblioteket i Umeå. Personlig kommunikation, t.ex. via e-post och telefonsamtal. Utsökning har utförts på både Svenska och Engelska. Följande sökord har legat till grund för utsökning av information: Svenska: mäta/bestämma fukthalt/torrhalt i biobränslen/träflis, fukthaltsmätare för biobränslen/trädbränslen etc. Engelska: measure moisture content in biofuels/woodchips, moisturemeters for biomass, methods for determination of moisture content in biofuels/woodchips etc. 4

10 Analys av metoder Sammanställningen av de olika metoderna presenteras genom att först beskriva den grundläggande tekniken som de olika metoderna arbetar med. Vidare analyseras metodernas funktionalitet med inriktningar mot t.ex. temperaturskillnader, olika fukthalter och densitetsskillnader i det uppmätta materialet. Den andra delen i arbetet har fokuserat på att ge en inblick över exempel på olika slags typer av produkter som finns att tillgå inom respektive metod/teknik. I vissa fall har det funnits tillgängliga resultat från diverse tester som har utförts på antingen prototypmodeller eller kommersiella produkter som presenteras i rapporten. Dessa resultat har presenterats översiktligt och i varierande mängd beroende på tillgången av fakta. Bristen på tester som använder liknande experimentuppställningar gör det väldigt svårt att jämföra metoderna mot varandra. I flera fall finns dessutom inga tester eller så har de varit av så gammalt datum att de uteslutits eftersom risken finns att metoden riskerar att få ett missvisande informationsvärde på grund av att nyare modeller har utvecklats och blivit avsevärt bättre. Olika tester anger också sina svar i olika statistiska uttryck vilket ytterligare kan försvåra en jämförelse. På grund av detta har testerna därför ingen egen separat del i rapporten där ett tydligt jämförande kan göras mellan olika modellers prestanda. De testsiffror som anges i denna studie ligger endast till grund för att få en ungefärlig uppfattning om mätarnas prestanda. Däremot kan metodernas olika arbetsområden, funktion, styrkor och svagheter studeras, vilket också är studiens huvudsakliga syfte. Sammanställningen presenterar inledningsvis den gravimetriska metoden som är den mätmetod som branschen helst vill undkomma. Anledningen till att den presenteras beror på de övriga alternativa metodernas association till denna. 5

11 1 Gravimetriska metoden Den absolut vanligaste metoden för värmeverk att bestämma FH på inkommande leveranser av biobränsle är att använda sig av den gravimetriska metoden. Tekniken går ut på att torka utvalda bränsleprover för att sedan mäta viktskillnaden före och efter torkning och på det viset räkna ut FH. Varje prov skall vara på minst 300 gram, där provet först vägs och sedan torkas med en temperatur av 105 ± 2 C tills vikten har stabiliserats. Stabilt anses det vara när vikten inte ändras mer än 0,2 % under en timmes tid. Detta tar vanligtvis ett dygn att uppnå. När torkningen är klar vägs återigen proverna och de torra vikterna erhålls. Den ursprungliga fuktiga vikten minus den torra vikten visar hur stor viktminskningen var på grund av det avdunstade vattnet. Kvoten mellan denna viktminskning av vatten och den ursprungliga fuktiga vikten är lika med fukthalten [15x]. Proverna tas manuellt, oftast slumpmässigt [43] på olika punkter för att erhålla ett så representativt prov som möjligt för hela lasten. FH och materialsammansättningen kan nämligen variera även inom samma leverans. Trots detta är tekniken behäftad med ett antal problem som skapar en osäkerhet i mätvärdena. I praktiken tillåter VMF att prov tas från lasten direkt på mätbrygga och då nås vanligtvis bara den översta delen i skäpporna, vilket medför att ingen hänsyn tas till att det kan förekomma skillnader i FH/sammansättning mellan yta och botten. Containervolymen på en lastbil är stor, ca 40m 3 [29]. Därför är det svårt att med ett fåtal prov få ett representativt värde för FH på en hel last som vanligtvis är väldigt heterogen. Transporter sker även med tåg och båt, vilket medför ännu större volymer. För att minska det problemet kan fler prover tas på samma lass, men resurserna på ett labb räcker sällan till för detta då metoden är väldigt resurs- och tidskrävande. Den långa torktiden medför att köparen inte kan kontrollera leveransen innan den lastas av. Metoden är trots allt noggrann för enskillda prov på biobränslen och används därför också som referensmetod för att kontrollera mätnoggrannheten hos andra FH-mätande tekniker. Men även denna teknik har en standardavvikelse på ca 2 % på grund av vissa felkällor som kan inverka på resultatet [5]. Några felkällor som kan vara av betydelse är: Lättflyktiga kolföreningar kan ångas bort i processen. Dessa har ett högt energivärde och medför därför en underskattning av FH. Trågens placering i ugnen kan påverka resultatet. All manuell provtagning som utförs av flera personer kan utgöra en felkälla. Detta på grund av att utförandet kan skilja sig något. För att undkomma missuppfattningar senare i rapporten så bör det observeras att denna teknik förutom att kallas gravimetrisk metod också kallas för referens- respektive ugnsmetod. Alla tre betäckningar innebär i detta arbete samma sak, men ordet ugnsmetod är vad som mest frekvent kommer att användas. 6

12 2 NIR (Nära infraröd) Teori NIR är en elektromagnetisk strålning som använder våglängder strax över synligt ljus, ca nm. Vid bestrålning av biobränslen i avsikt att få kännedom om dess FH används minst två våglängder. Den ena våglängden kommer att reflekteras av både vattnet och biobränslet, den andra våglängden kommer dels att reflekteras mot biobränslet men också att absorberas av vattnet. Dessa två strålar kommer därmed att reflekteras tillbaka med två olika energier. Det är kvoten mellan dessa som avgör FH i materialet [9]. Biobränslen är ofta väldigt heterogena vilket ställer stora krav på kalibreringsförmågan som varierar beroende på vilken princip NIR-sonden använder sig av. Den enklare principen använder sig av fasta våglängdsmätare som arbetar med fasta referensvåglängder, den tekniken blir därför känsligare och risken för mätfel ökar. Den andra principen använder sig av multivåglängdsteknik och jobbar över ett större spektrum och väljer automatiskt ut den bäst lämpade våglängden vilket minskar kraven på kaliberingen [9]. Tillämpning Vid bulkmätning på stillastående lastbil är mätproben innehållande NIR-sonden monterad på en kranarm som antingen manuellt eller automatiskt tar stickprov på lasten (fig 1). Den spetsformade mätproben penetrerar hela lasset från yta till botten och mäter FH på ett antal punkter längs hela vägen. Ett stick tar ca 15 sekunder och utförs på ett antal ställen systematiskt fördelat över lasten [5]. Metoden lämpar sig också väl för mätning av biomassa på transportband (fig 2 och 3). Sonden sitter då monterad över ett transportband och mäter kontinuerligt FH på bränslet innan det går in i pannan. Med kontinuerlig kännedom om bränslets FH kan pannan hela tiden optimeras för maximal förbränning [1]. Temperatur och densitet är faktorer som påverkar resultatet. Men det är möjligt att kalibrera utrustningen för olika material och temperaturer. Det går också att mäta på frusna material trots att metoden är ytmätande [2], det gäller dock inte billig utrustning [5]. En begränsning med NIR är att inträngningsdjupet endast ligger på ca 5mm [8x], vilket gör att metoden kan vara känslig för ytfukt. Metoden är därför mest lämpad för sönderdelade produkter. Övrigt För regler och metoder gällande NIR-mätning se VMK:s anvisningar för kontroll av virkesmätning [21]. Fördelar och nackdelar med NIR: + Kan mäta på frusna produkter + Inte speciellt känslig för bulkdensiteten (fraktionsstorlek på flisen) - Ytmätande 7

13 2.1 Bestwood: NIR BAS-700 (Bulkmätning) BAS-700-systemet från Bestwood mäter FH med ett kranbaserat sondsystem (fig 1). Mätning kan göras på t.ex. lastbilsbehållare med flis, sågspån samt annat skogsbränsle [6]. Mätproben kan pressas ner även i fruset material [2]. Systemet har automatisk sondkontroll under övervakning av fordonets chaufför. På detta vis kan mottagningsstationen köras dygnet runt utan egen personal. NIR-systemet är den enda alternativa teknik som av den svenska Virkesmätningsföreningen (VMF) har godkänts för prisavräkning [6]. Fig 1. NIR BAS-700, bulkmätning i container [6] Testet för att en NIR-utrustning skall vara godkänd för prisavräkning består av två delar. Materialberoende och temperaturberoende. Materialberoende bestäms genom att samla 100 prover från olika leveranser. Med fördelning på grotflis, stamvedsflis och bark, samt fördelat på flisat och krossat material. Proverna tas i 2-liters plastpåsar varpå NIR-sonden placeras i påsen med provet och en mätning av FH utförs. Materialet torkas sedan med ugnsmetoden och FH bestäms på nytt. Den genomsnittliga avvikelsen mellan NIR-mätning och ugnsmetod får inte vara signifikant större än 1 % -enhet inom ett konfidensintervall av 95 %, varken för proverna tillsammans eller för enskilda material [21]. Temperaturberoende bestäms genom att insamla minst 20 prover från olika leveranser. Samma procedur som ovan upprepas, men sker vid fruset, nollgradigt och tinat tillstånd. Kravet på denna del säger att den genomsnittliga avvikelsen mellan NIR-mätning och ugnsmetod inte får överstiga 2 % -enheter för någon av temperaturerna [21]. Övriga fördelar med BAS-700: + Är godkänd och används kommersiellt för prisavräkning. + Automatisk manövrering som möjliggör personalfri materialmottagning. 8

14 2.2 Bestwood: NIR BAS-600 (Pannstyrning) BAS-600-systemet mäter bränslekvaliten på väg till pannan. Att mäta parametrar som t.ex. FH underlättar förstyrning av pannan. Detta innebär bättre förbränning vilket i sin tur även minskar skadliga utsläpp som NOx [6]. Modellen använder en prob som ligger ovanpå materialet (fig 2). Tillverkarna säger att proben surfar ovanpå materialet för att hela tiden hålla ett konstant avstånd mellan mäthuvudet och materialet på bandet [5]. Ett exempel kan liknas vid en surfare som följer vågorna upp och ner, men i stället för vågor med varierande höjd pratar vi här om höjdskillnader i bränsleflödet. Fig 2. NIR BAS-600 Mätning över transportband [6] 2.3 Process Sensors: MCT 360 Denna teknik har liknande arbetsområde som NIR BAS-600 ovan. Den synliga skillnaden ligger i att det inte finns någon surfprob på denna modell som håller ett konstant avstånd mellan mäthuvud och materialet på bandet (fig 3). Deditech som är återförsäljare i Sverige anser sig inte behöva någon surfprob utan förespråkar i stället att ett antal plogliknande skrapor monteras på bandet som skall se till att rätt avstånd råder mellan material och mätare. Fig 3. Process Sensors: MCT 360 [32] 9

15 3 Elektrisk mätare (Resistiv) Teori Resistiva fukthaltsmätare utnyttjar att resistansen i bränslet varierar beroende på FH. Torrt trä har mycket hög resistans, men med ökande mängd fukt så avtar denna på grund av vattnets bättre förmåga att leda ström. Denna minskning av resistans fortskrider tills fibermättnadspunkten (se kap termer och begrepp ) uppmäts som ligger på cirka 23 %, därefter avtar resistansen nästan helt [11]. Vid högre FH än så är det i stället andra ämnen som t.ex. saltinnehållet som påverkar motståndet [22]. Mätare kan tillverkas med antingen likström (resistans) eller växelström (impedans). Tillämpning Utseendet på en mätare som använder resistans brukar ofta ha en lång spjutliknande prob med ett par mätpunkter mellan vilka resistansen kan mätas (fig 4). Många modeller inom träindustrin använder en modell med två korta stift som utgör mätpunkterna. När det gäller mätning på inhomogena flisade produkter är dock den spjutformade att föredra eftersom den kan skjutas in längre i materialet. Temperaturen har en inverkande faktor vid resistansmätning eftersom resistansen hos trä minskar med ökande temperatur. Metoden måste därför kalibreras för olika temperaturer vilket kan lösas genom att ha en termometer integrerad med mätaren. Det är möjligt att kalibrera mätaren ända ner till fryspunkten. När bränslet uppträder i fruset tillstånd ökar resistansen och blir flera gånger högre. Mätvärden på frusna material är därför väldigt osäkra och bör undvikas. [8x, 11x]. På grund av den låga resistansen som fås när bränslets FH överskrider fibermättnadspunkten så lämpar sig därför inte resistansbaserade mätare för material med en FH över % [22]. Fördelar och nackdelar med Resistans: + Pris - Mäter inte tillfredställande vid högre FH än %, vilket i de flesta fall är otillräckligt - Känslig för skillnader i bulkdensitet - Mäter inte fruset material. 10

16 3.1 Humimeter BLL Resistansmätaren från tyska Schaller kommer med en 1 meter lång prob som kan stickas in i materialet för att sekundsnabbt avgöra FH (fig 4). Förutom FH mäts också temperaturen och med hjälp av den automatiska temperaturkompensationen kan provets temperatur tillåtas vandra mellan 0-40 C. Är det för kallt ute kan provet tas in för att tinas upp och sedan mätas. Inställningar kan göras för 3 olika storlekar på flis: 1: Flis - minst 80 % mellan 3,15 och 16mm 2: Grov flis minst 80 % mellan 3,15 och 45mm 3: Industriflis minst 80 % mellan 3,15 och 45mm men utan finfraktioner (< 3,15mm). Mätnoggrannheten uppges till ±2.5 % -enheter inom ett FH-intervall på %. Kan kopplas via USB till en dator för att lagra och bearbeta resultaten [34]. Denna modell har testats av Lars Fridh på Skogforsk i en rapport med namnet Utvärdering av portabla fukthaltsmätare [11]. Materialet som mätaren testades på var i huvudsak flis av stamved och GROT. Som referens användes ugnsmetoden. Resultatet visade en bra noggrannhet på material med en FH mellan 10 och 30 %. När FH överskred 30 % avvek mätvärdena stort i förhållande till referensmetoden. T.ex. så var den största relativa differensen -11,4 % i FH-intervallet % på grotflis. Detta överensstämde inte med det angivna fuktintervallet på % som tillverkaren angett. Men den mätningen kan ha gjorts på mer homogena material. Slutsatsen drogs i alla fall att mätaren inte lämpade sig på skogsbränsle som oftast har en FH på över 30 % och består av blandat bränsle [11]. Fig 4 Humimeter BLL [34] 11

17 4 Elektrisk mätare (Kapacitans) Teori En kapacitiv fuktmätare använder sig av samma princip som en kondensator. En kondensator består av två ledare som är isolerade från varandra med ett material med mycket hög resistans [20x, 24x]. Det isolerade materialet mellan ledarna på en fuktmätare består helt enkelt av bränslet som vi vill mäta på. När en växelspänning läggs på ledarna kommer det att uppstå en laddningsskillnad mellan materialets båda sidor. Förhållandet mellan spänningen och laddningsskillnaden kallas för kapacitans. När material med olika egenskaper placeras mellan ledarna kommer kapacitansen att bli olika. Anledningen till att man vill veta kapacitansen beror på att med hjälp av den går det att räkna ut den dielektriska konstanten [11]. Den dielektriska konstanten hos ett ämne (t.ex. trä) är förhållandet mellan kapacitansen för vacuum och kapacitansen för träet. Det som utnyttjas vid fuktmätning är förhållandet mellan FH och den dielektriska konstanten [25x]. Konstanten varierar med träets FH, temperatur, densitet och den elektriska växelspänningens frekvens [11]. Det finns också mätare som använder den dielektriska förlustfaktorn. Förlustfaktorn anger hur mycket av den absorberande energin som träet tar upp när en växelspänning läggs över. Det blir alltså förhållandet mellan FH och den dielektriska förlustfaktorn som då utnyttjas. Vanligt är dock att mätare kombinerar både dielektriska furlustfaktorn och den dielektriska konstanten [25x]. Tillämpning De modeller som hittats för flisat biobränsle har dels varit sådana där man sticker in en prob i en materialhög (fig 6) eller modeller där material samlas i en behållare för att sedan FH-bestämmas (fig 5). Båda dessa principer möjliggör bulkmätning. Kapacitiva mätare finns även för kontinuerlig mätning på exempelvis transportband, skruv och flödesceller (fig 7). Densitet är en viktig parameter för kapacitansmätare. Densiteten skiljer sig mellan olika träslag (vedtäthet). Men den skiljer också mellan olika fraktionsstorlekar på flisen och hur hårt packad den är, då pratar vi om skrymdensiteten eller bulkdensiteten som används som mått vid porösa material som t.ex. träflis. Det är därför viktigt att mätaren kan kompensera för detta [11x, 27x]. Temperaturen har inverkan på den dielektriska konstanten som stiger vid högre temperaturer utom vid höga fukthalter när den i stället sjunker. Därför är det viktigt att mätaren har en inbyggd temperaturmätare som kan kompensera för detta. Konstanten för is liknar också konstanten för trä vilket gör det svårt att skilja dessa åt. Mätning på frusna material bör inte utföras [11]. Fördelar och nackdelar med kapacitans: + Mäter FH över fibermättnadspunkten (Vilket inte resistiva mätare gör) + Pris - Mäter ej frusna material - Känslig för skillnader i bulkdensitet På nästkommande sidor visas exempel på några produkter av ovan beskrivna modeller. Lars Fridh från Skogforsk har utfört tester på två av modellerna [11]. 12

18 4.1 Schaller: Humimeter BM2 Den rostfria behållaren fylls med 13 liter biomassa och på någon sekund visas FH i displayen (fig 5). Mätaren har en inbyggd våg som mäter vikten och kan därför räkna ut bulkdensiteten som är en viktig parameter vid kapacitansmätning. Mätaren har också inbyggd temperaturmätare och gör en automatisk kompensation för den inverkan som temperaturen har på den dielektriska konstanten. Material som kan mätas är bl.a. träflis, bark, GROT, sågspån pellets, gräs, majs, mm [35] Angivna data från tillverkaren Fuktintervall 5-60 % beroende på material. Vikt på utrustning är 5,4 kg inkl. batterier Uppgiven noggrannhet från tillverkare ± 1.5 % Kan specialkalibreras från fabrik för speciella material. Online funktion för dataöverföring. Gränssnitt till USB med loggningsmodul och mjukvara för analysering av mätdata [35]. Fig 5. Humimeter BM2 [35] Övriga fördelar med BM2: + Automatisk kompensering för bulkdensitet. + Automatisk temperaturkompensering Modellen blev testad av Lars Fridh på Skogforsk. Eftersom även mätaren Wile Bio Moisture testades och jämfördes i samma test så kan resultatet för de båda läsas i tabeller 1 och 2. 13

19 4.2 Wile: Bio Moisture (inkl. test av WILE & BM2) Mätningen sker mellan spetsen och sondens tallrik i ett ringformigt område med ca 20 cm i diameter (fig 6). Mätaren har 4 skalor för olika typer av flis: en skala för flis från hela träd (stamvedsflis), samt tre stycken för flis från avverkningsavfall (GROT), fin, medelgrov och grov grotflis. Funktionen är enkel, stoppa ner staven tills tallriken stöter emot ytan på flisen, slå på apparaten och välj kalibreringskurva, vänta några sekunder och FH presenteras i displayen [11]. Automatisk densitetskompensering är inte möjlig på denna typ av modeller. Mätaren har automatisk kompensering för temperaturskillnader. Angivet mätområde för FH enligt tillverkaren ligger på % för stamvedsflis och % för GROT. Övriga fördelar och nackdelar med Wile: + Användarvänlig + Har automatisk temperaturkompensering - Saknar möjlighet till densitetskompensering Fig 6. WILE Bio Moisture [44] Test av WILE och BM2 Som föregående sida nämnde så utfördes ett test av Lars Fridh där de båda kapacitansmätarna BM2 och WILE testades. Materialet som mätarna testades på var i huvudsak flis av stamved och GROT. Olika fraktionsstorlekar och FH-intervall provades. Bl.a. FH <35 % och FH >35 %. Som referens användes ugnsmetoden. Ett urval av resultaten presenteras i tabeller 1 och 2 med relativa differenser för FH mellan mätare och referensmetoden. Samt vid vilket fuktintervall den högsta och lägsta standardavvikelsen kunde utläsas. Se rapporten Utvärdering av portabla fukthaltsmätare i sin helhet för samtliga data och resultat [11]. Förklaring av standardavvikelse och relativ differens: Se Termer och begrepp 14

20 Tabell 1. Relativa skillnaden mellan referensmetoden och BM2 för olika FH-intervall och bränsletyper [11]. GROT BM2 Relativ differens mellan BM2 och referensmetod med FH <35 % = 2,1 % Relativ differens mellan BM2 och referensmetod med FH >35 % = -0,5 % Relativ differens mellan BM2 och referensmetod för samtliga FH-intervall = 0,7 % Den högsta relativa standardavvikelsen för BM2 återfanns i FH-intervallet % och var 16,3 %. Den lägsta relativa standardavvikelsen var 5,1 % för FH-intervallet % Stamvedsflis BM2 Relativ differens mellan BM2 och referensmetod med FH <35 % = -13,8 % Relativ differens mellan BM2 och referensmetod med FH >35 % = -0,5 % Relativ differens mellan BM2 och referensmetod för samtliga FH-intervall = -6,8 % Den högsta relativa standardavvikelsen för BM2 återfanns i FH-intervallet % och var 18,4 %. Den lägsta relativa standardavvikelsen var 9,6 % för FH-intervallet >50 %. Tabell 2. Relativa skillnaden mellan referensmetoden och BM2 för olika FH-intervall och bränsletyper [11]. GROT WILE Relativ differens mellan WILE och referensmetod med FH <35 % = 40,4 % Relativ differens mellan WILE och referensmetod med FH >35 % = -11,1 % Relativ differens mellan WILE och referensmetod för samtliga FH-intervall = 19,3 % Den högsta relativa standardavvikelsen för WILE återfanns i FH-intervallet % och var 12,8 %. Den lägsta relativa standardavvikelsen var 5,4 % för FH-intervallet >50 % Stamvedsflis WILE Relativ differens mellan WILE och referensmetod med FH <35 % = -17,3 % Relativ differens mellan WILE och referensmetod med FH >35 % = -13,5 % Relativ differens mellan WILE och referensmetod för samtliga FH-intervall = -14,5 % Den högsta relativa standardavvikelsen för WILE återfanns i FH-intervallet % och var 17,7 %. Den lägsta relativa standardavvikelsen var 6,9 % för FH-intervallet >50 %. Slutsats av testet [11] De båda mätarna BM2 och WILE mäter bra på både grot- och stamvedsflis, men de måste kalibreras mot aktuellt material. BM2 uppvisade en något bättre noggrannhet och visade sig också vara okänslig för flisens fraktionsstorlek. En bidragande orsak anses vara att mätaren har en automatisk densitetskompensering. WILE anses dock vara mer användarvänlig och kan direkt räkna ut ett medelvärde för flera provtagningar. Dessutom visar en studie gjord i Kanada att det går att kalibrera WILE enligt en annan metod än vad tillverkaren gjort. Detta medförde en så kallad bra noggrannhetsnivå. Ingen av modellerna mäter dock korrekt på alla typer av material och FH-nivåer. Frusna prov kan inte heller mätas med tillförlitliga resultat. Tveksamma för prisavräkning [11]. 15

21 4.3 Mutech: HUMY 3000 Kapacitansmätaren HUMY 3000 mäter flödande material på exempelvis transportband, skruv och flödesceller. Det viktiga vid denna typ av mätning är att sensorn som sänder ut det elektriska fältet har god kontakt med materialet som skall mätas. På fig 7 till höger som visar tillämpningen över bl.a. ett transportband ses en spetsformad konstruktion som sensorn sitter monterad på (fig 7, röd pil). Denna konstruktion sitter inte stumt monterad över bandet utan flyter ovanpå materialet och bibehåller kontakten även vid ojämnheter i bränsleflödet. Transportbandet är i sin tur jordat för att kapacitansen skall uppstå. När material faller i en silo enligt fig 7 kan sensorn exempelvis monteras där strypningen sitter för att erhålla så god kontakt som möjligt [45]. Angivna data från tillverkaren Automatisk temperaturkompensering. Uppgivet fuktintervall 0-90 %. Sensorn kan arbeta i temperaturer från C och upp till 140 C med kylning. Integrerad datalogger. Klarar av att mäta träflis, grotflis och en mängd olika spannmålsmaterial. Inträngningsdjup ca 10 cm [26].. Fig 7. Till vänster, Humy Till höger, tillämpningsområden.[26] Övriga fördelar och nackdelar med Humy 3000: + Flexibla installationslösningar - Tekniken är enligt återförsäljare på Wesmar obeprövad för kommersiell användning vid pannstyrning för värmeverk, men uppger att tekniken fungerar bra, även på grotflis. 16

22 5 Mikrovågor Teori Mikrovågor är en elektromagnetisk strålning som ligger i spannet mellan radiovågor och infraröda vågor, dvs mm [22]. Det som händer i materialet när mikrovågor passerar är att vattenmolekylerna som är dipolära sätts i rotation eller oscillation beroende på det elektromagnetiska fältets läge. Vattenmolekylerna behöver energi för att detta skall vara möjligt och det medför att mikrovågornas fortplantningshastighet avtar och intensiteten försvagas när vågen passerar materialet. Mätprinciperna för FH kan bl.a. baseras på fasförskjutningen och dämpningen som vattenmolekylerna åstadkommer på mikrovågorna [33]. Tillämpning Vid bulkmätning på lastbil kan prover tas manuellt på samma vis som ugnsmetoden eller automatiskt via en kranarm med inmonterad skruv som kan samla material från ytan och botten. Det uppsamlade materialet kan sedan placeras i en behållare (fig 8) där mikrovågor mäter FH. Metoden kan också användas vid mätning på transportband (fig 9,10 och 11) för att t.ex. optimera pannstyrningen. Andra tillämpningar där det är möjligt är vid flödesceller eller schakt där material passerar/faller ned. Densitet är en viktig parameter vid denna typ av mätning. Desto jämnare densitet desto bättre resultat. Detta gäller både vid bulk- och flödesmätning över transportband [29x, 30x]. Mätning på partikelstorlekar över 65 mm bör inte utföras på grund av mikrovågornas förändrade beteende [8]. Olika lösningar för densitetskompensering kan läsas under produktinformationen för mikrovågsbaserade produkter. Temperaturen har en inverkan eftersom vattenmolekyler blir mindre rörliga vid lägre temperaturer. Frusna bränslen är därför inte möjliga att FH-bestämmas med hjälp av mikrovågor. Fördelar och nackdelar med mikrovågor: + Ej känslig för ytfukt då penetreringsdjupet ligger på ca cm. - Mäter ej på frusna material - Känslig för skillnader i bulkdensitet 17

23 5.1 Senfit: BMA Desktop moisture analyzer (inkl. test) Senfit är en finsk tillverkare som med Desktop moisture Analyzer erbjuder en snabb mätning av FH på all slags skogsbaserad biomassa (fig 8 till vänster). Nominell storlek för provet anges till 400 gram. Maximal partikelstorlek uppgår till 40*40 mm. Modellen mäter ett stort FH-intervall (0-70 %). Fruset material går inte att mäta på. Resultaten sparas i en datafil med identifieringsnamn och en tidsstämpel. Utrustningen kan också anslutas till exempelvis värmeverkets eget datasystem. Enligt Senfit har studier på VTT (Technical Research Centre of Finland) visat att en förutsättning för att åstadkomma tillförlitliga mätvärden, så är det nödvändigt att först förbehandla biomassan innan en mätning skall utföras. Därför rekommenderar de att modellen skall kombineras med exempelvis Sample Mill (fig 8 till höger) som är en raffineringsmaskin avsedd att förbereda biomassan till laboratoriestorlek. Förutom att mala biomassan till önskad storlek, värmer den också materialet till lagom temperatur som beräknas ligga mellan C. Efter raffinering är provet redo att FH-bestämmas i Desktop moisture analyzer [37]. Fig 8. Till vänster: Desktop moisture analyzer, Till höger: Sample Mill [36] Nästa sida i tabell 3 och 4 visas ett mindre testresultat som kommer från Senfit själva [38]. Testet är gjort på träflis av okänd fraktionsstorlek från eukalyptusträd och tall. FHintervallet sträcker sig mellan 41,6-82,7 % för tall och mellan 50,1-88,7 % för eukalyptusträd. Resultatet från Desktop moisture analyzer är jämförda med ugnsmetoden som referens. 18

24 Tabell 3. Desktop moisture analyzer (BMA) jämförd med ugnsmetoden som referens. Eukalyptusträd Tall (Radiata) Referens [%] BMA [%] Differens Referens [%] BMA [%] Differens 50,1 51,2 1,1 41,6 38,1-3,5 50,6 51,3 0,7 45,5 44-1, ,5-0,5 46,6 47,3 0,7 51,2 50-1,2 47,7 44,7-3 51,5 50,8-0,7 48,5 44,9-3,6 51,9 51,6-0, ,2-0,8 52,4 52,1-0,3 49,3 44,4-4,9 54,1 54,3 0,2 49,4 48,7-0,7 55,1 53,6-1,5 49,7 47,7-2 55,1 55,8 0,7 49,8 44,6-5,2 55,6 57,9 2,3 49,8 45,4-4,4 58,1 56,7-1, ,1-2,9 58,1 59,4 1,3 50,1 49,8-0,3 58,5 58,3-0,2 50,2 50,1-0,1 60,4 61,8 1,4 50,4 49,2-1, ,4-0, ,1-1,9 63,3 61,4-1, ,4 0,4 64,4 62,2-2,2 54,2 56,5 2,3 65,8 65,5-0,3 55,2 56,7 1,5 72,7 72,7 0 59,4 58-1,4 77,9 77,2-0,7 60,3 59,1-1,2 80,4 79,6-0,8 62,9 63,8 0,9 81,3 81,3 0 64,4 62,4-2 83,7 83,4-0,3 67,4 66,3-1, ,4 0,4 68,3 65,2-3,1 88,7 88,4-0,3 73,3 71,7-1,6 Medelvärden 77,6 76,1-1,5 63,0 62,8-0,2 80,2 80,3 0,1 82,7 82,7 0 Medelvärden 56,5 55,1-1,4 Något större avvikande differenser kan skådas för tallflis under 50 % FH för referensmetoden. 5.2 Senfit: BMA On-Line biomass moisture analyzers (2 modeller) Som namnet antyder monteras on-line modellerna i anknytning till flödande material, exempelvis ett transportband (fig 9 och 10). Utrustningen penetrerar hela materialet, vilket innebär minskad risk för att ytskiktet påverkar det totala resultatet felaktigt. Två olika modeller för olika tillämpningar finns tillgängliga. Gemensamt för de båda är att tekniken är baserad på att en skruv transporterar bort materialet från transportbandet och genom en kammare som mäter FH, för att sedan återigen släppa ut det FH-bestämda materialet på bandet. Se nästa sida för mer fakta under respektive modell. Inbyggd densitet- och temperaturkompensation. Kontroll av kalibrering sker genom test av utmatat prov från mätkammare. Med en kalibrering fås det fulla mätområdet (20-65% FH) [36] 19

25 BMA On- Line Belt configuration Den första modellen i on-line serien (fig 9) monteras på transportbandet, och med hjälp av skruven matas biomassan genom mätkammaren och ramlar sedan tillbaka på bandet. Den inbyggda densitet- och temperaturkompenseringen arbetar genom att materialet som matas in i skruven både mals och värms till rätt storlek respektive temperatur innan det passerar mätsensorn [36]. Fig 9. BMA On- Line Belt configuration [36] BMA - On-Line Wall mount configuration Den andra modellen i on-line serien (fig 10) kan exempelvis monteras på utsidan av transportbandet (vid t.ex. tömningsfickan), i fallschakt eller i andra tillämpningar där biomassan rör sig. Materialet matas ut från transportbandet genom övre skruven och matas sedan tillbaka med den undre skruven där materialet också passerar mätsensorn. Även här används samma densitet- och temperaturkompensering som On-Line Belt, dvs. att materialet både mals och värms innan det passerar mätsensorn [36]. Fig 10. Till vänster, BMA - On-Line Wall mount, vy utifrån. Till höger, vy inifrån [36] 20

26 5.3 Berthold: Microwave Moisture Analyzer Micro-Polar LB 567/568 Micro-Polar från Berthold Technologies (fig 11) mäter FH genom att penetrera hela materialet utan någon fysisk kontakt. Mätningen kan bl.a. ske över transportband eller schakt där materialet faller. Eftersom mätningen inte kräver kontakt med materialet innebär det lite underhåll av utrustningen. Mätutrustningen kommer i en enklare och i en mer avancerad modell (se nedan) som tar hänsyn till bulkdensiteten på det uppmätta materialet [3]. Fig11. Micro-Polar 567/568 [3] Micro-Polar 2 LB 567 Modellen är avsedd för mätning på material som har liknande partikelstorlek och bulkdensitet. Modellen levereras utan radiometrisk densitetsmätare. Men systemet kan med kombination av en höjdsensor kompensera för varierande bulkhöjder på transportbandet. Men för mer krävande mätning som biobränsle rekommenderas nedanstående modell LB 568 [3]. Micro-Polar Moist LB 568 Modellen tar hänsyn till när det råder varierande bulkdensitet på transportbandet. Förutom mätsystemet med mikrovågor innefattar modellen också en radiometrisk enhet som mäter massan per area. Genom att kombinera både mätsystemet och den radiometriska enheten blir noggrannheten i resultatet tydligt bättre [3]. Enligt Deditech som är återförsäljare i Sverige för LB 568 så behövs ingen utrustning för temperaturkompensering. Men vanligt är att de installerar en sensor som kan varna om temperaturen på materialet börjar närma sig fryspunkten [8]. Radiometrisk densitetsbestämning använder principen att en strålskyddad källa sänder gammastrålning genom materialet. Efter det mäts hur mycket intensiteten avtar med hjälp av en scintillationsdetektor. Försvagningen är direkt proportionell mot densiteten hos det uppmätta materialet [3]. Fig 12. Radiometrisk densitetsmätare [3]. 21

27 6 NMR, Nuclear Magnetic Resonance Teori NMR som står för Nuclear Magnetic Resonance kallas också av vissa för MR eftersom ordet Nuclear klingar lite illa i mångas öron [23]. Funktionen bygger på ett fysiskt fenomen som kallas kärnspinnresonans, vilket innebär att vissa atomkärnor har en egenrotation som i kvantmekaniken kallas för spinn. Eftersom en atomkärna både har en laddning och samtidigt spinner medför detta att den kommer att uppträda som en magnet. Detta fenomen tillämpas oftast på väteatomen som ingår i vattenmolekylen. Väteatomerna beter sig alltså som små magneter, som dessutom har en viss naturlig riktning [15]. I en magnetkameras magnetiska fält överger de sin vanliga riktning och ställer sig i samma riktning som kamerans magnetfält. Att ändra vinkeln på väteatomerna kostar energi. Om provet också samtidigt utsätts för en elektromagnetisk strålning i form av exempelvis radiovågor kommer det att absorbera energi vid särskilda frekvenser. Dessa ändringar registreras med hjälp av NMR spektroskopi och information fås om ämnets FH [28, 18]. Tillämpning Metoden används än så länge enbart för bulkmätning där prov samlas in för att sedan mätas i en behållare (fig 13). Men den skulle också i framtiden kunna användas för flödesmätning. Men om flödesmätningen skall ske över ett transportband tillverkat i metall fungerar det inte, annat ickemetalliskt material måste då användas. Mätning över material som transporteras i fallschakt eller flödesceller antas också vara möjligt. Men det skulle kräva ett stort och effektivt magnetfält vilket åtminstone för tillfället skulle resultera i stora investeringskostnader för kunden [18]. VTT gjorde 2011 en studie [18] där de utförde tester på en prototypmodell tillverkad av Vaisala. Material som testades var bl.a. flis från stamved inklusive grenar, bark och även rörflen (ett storvuxet gräs). Som referensvärde till testet användes ugnsmetoden. Resultatet visade sig vara jämförbara med ugnsmetoden med små avvikelsevärden, ca 1,3 % -enheters differens inom ett fuktintervall av %. Mätaren var pålitlig och lättkalibrerad, inga materialspecifika kalibreringskurvor var nödvändiga, endast en kopp vatten med lite tillsatt metallsalt används som kalibrering. Några nackdelar är känsligheten för temperaturskillnader. Därför bör kalibrering ske vid samma temperatur som vid praktisk tillämpning. Mätning på frusna prov är inte möjligt. Metoden kan vara känslig för omgivande elektriska fält och metallkonstruktioner. Prototypen som användes i VTT studien blev påverkad av omgivande vibrationer, t.ex. om en lastbil körde förbi på utsidan. Detta p.g.a. att vågsystemet som mäter proven är baserade på trådtöjningsgivare [18]. Fördelar och nackdelar med NMR: + Mäter inom ett stort FH-intervall (10-90%) + Okänslig för partikelstorlek. + Lätt att kalibrera. - Kan ej mäta på frusna material. - Känsliga personer med pacemaker får ej köra maskinen. 22

28 6.1 Metso: MR Moisture Analyzer MR Moisture analyzer från Metso är en mobil enhet (fig 13) som likaväl kan användas i fält som på ett laboratorium. Beakta att enheten då måste stå plant och att temperaturen måste ligga inom 5-50 C. Maskinen är okänslig för partikelstorlek och kan användas på de flesta biologiska material inklusive torv. Provet måste dock få plats i provbehållaren som rymmer 0,8 liter. Fyll provbehållaren med bränsle och stäng locket, stoppa ner den i maskinen och vänta ca 2 minuter och resultatet syns på skärmen. Förutom FH samplar maskinen bl.a. följande: Prov-ID, materialklass (t.ex. träflis), leverantör och mättid. Vid kalibrering fylls provbehållaren med vatten och testkörs, sedan testkörs en helt tom behållare. Stämmer kalibreringen visar den mätresultat på 100 % respektive 0 % vatten. Fig13. MR Moisture analyzer. [25] Metso själva anger en noggrannhet (STD) på ±1 % -enheter för fukthalten inom ett fuktintervall på %. På nästa sida visas ett diagram (fig 14) över en jämförelse med ugnsmetoden. Bränslet består då av ett antal (n) prover med olika material enligt följande: 12st Sågspån, 3 tallbark, 15 träflis, 7 hyvelspån, 5 återvinningsvirke, 18 pellets. Inga ferromagnetiska material får finnas inom 60 cm från maskinen, t.ex. järn och nickel. Personer med pacemaker bör inte öppna enheten [23, 25]. 23

29 Fig 14. Diagram över mätresultat för Metso MR Moisture analyzer och ugnsmetoden [24] 7 Radiovågor Teori Radiovågor är elektromagnetiska vågor med den längsta våglängden i spektrumet. Dessa våglängder kan ligga mellan 30cm till flera kilometer långa [22]. På grund av deras långa våglängd och låga frekvens så växelverkar de inte så lätt med partiklarna och luftfickorna i provet och kan därmed penetrera mycket djupare genom material än vad t.ex. NIR och mikrovågor kan göra. Metoden utnyttjar att vatten och ved har olika dielektricitetskonstanter, därför påverkas radiovågorna olika mycket när de passerar genom biobränsle med olika FH [7]. Egenskaper hos strålningen som förändras är bl.a. dämpning och fasförskjutning. Också tidsfördröjningen på strålen som uppstår när den passerar provet kan mätas [28, 29]. Tillämpning På grund av den djupa penetreringsförmågan har metoden en bra potential för bulkmätning på lastbil (fig 15). Fördelen är att ingen mätprob behöver föras ned i biobränslet som vid NIR, eller att manuell provtagning måste utföras som vid exempelvis mikrovågor. Antennen kan nämligen fungera som både sändare och mottagare. Detta gör det möjligt att placera sändaren direkt ovanför bilens last och sedan sända radiovågorna rakt igenom bränslet och låta botten på containern reflektera strålarna tillbaka till sändaren som också fungerar som mottagare [29]. Ett av problemen är att bränslecontainrarna har olika utformningar, vilket då medför att reflektionen på radiovågen påverkas. Metoden skulle därför med dagens utveckling kräva containrar med liknande utformning [4]. Tekniken kan också tillämpas vid mätning över transportband om detta är gjort i ett ickemetalliskt material, då är sändare och mottagare monterade på varsin sida av bandet. 24

30 Temperaturen har en inverkan på tekniker som använder de dielektriska egenskaperna för bestämning av FH. Försök visar att detta inte är ett speciellt stort problem när materialen håller en FH högre än fibermättnadspunkten (>23%). Större betydelse har detta vid FH <23% [7]. Men det är enligt tester möjligt att i båda fallen bestämma FH om tillräckliga kalibreringar utförs [29]. Huruvida det är möjligt att mäta på frusna material skiljer sig en del i den tillgängliga litteraturen som finns. Inga vetenskapliga studier verkar ha utförts där en ordentlig slutsats har dragits angående förmågan att mäta på frusna material. Densitet är också en variabel som bl.a. påverkar de dielektriska egenskaperna. Tester utförda av Värmeforsk visar att mätresultatet påverkas negativt av densitetsvariationer i både bränslet som sådant och av bulkdensiteten [7]. Enligt forskare på Bestwood är det också ett problem med höjdskillnader i materialet. Det är nämligen noga att avståndet mellan ytan på materialet och sändaren håller ett konstant avstånd. Vid längre avstånd kommer mer av radiovågen att studsa på ytan [4]. Detta kan då bli ett problem vid mätning på exempelvis lastbil om inte ytan håller en jämn nivå, tanken är att sändaren skall röras över lastbilen eller att lastbilen rör sig under sändaren. Fördelar och nackdelar med radiovågor: + Djup penetreringsförmåga. + Har potential att ge en stor representativitet för stora volymer av material. - Fortfarande i forskningsstadiet. - Känslig för variationer i bränslets bulkdensitet och höjd. - Osäkert om metoden kommer fungera på frusna material. - Svårt att regelbundet kontrollera mätvärdenas riktighet på grund av att metoden mäter stora volymer (mer om det under diskussion ) Fig 15. Exempel på utseende av radiofrekvent FH-mätning 25

31 8 Högfrekvent strålning (Inadco) Teori Fuktmätarna från Inadco är inte kategoriserade under någon specifik metod på grund av att tillverkaren inte vill avslöja vilken typ av högfrekvent strålning som maskinen arbetar med. Därmed blir den teoretiska beskrivningen i detta fall okänd. Tillämpning Metoden kan tillämpas både vid bulkmätning och för flödande mätning vid exempelvis ett transportband (fig 16). Vid flödande mätning (fig 16 till vänster) syns det en gul halvmåneformad spade som är monterad på en roterande axel från en elmotor, spaden samlar prov från transportbandet och vrider sig sedan till den svarta mätcylindern där materialet hamnar tack vare en skrapa som avlägsnar materialet från spaden. När cylindern blivit fylld mäts FH och sedan faller materialet tillbaka ut genom cylinderns botten som öppnar sig. Cirka en provtagning i minuten hinner maskinen utföra [17]. Teknik Tekniken som de båda modellerna arbetar med är gemensam och består av två komponenter. Den första komponenten utgörs av en densitetsmätare som mäter vikten på materialet för en given volym (bulkdensitet). Den andra komponenten består av en högfrekvent fuktmätare som mäter fukthalten i gram per liter. Kvoten mellan FH i gram per liter och bulkdensiteten i gram per liter blir därmed total FH för materialet [17]. Fig 16. Till vänster: Fuktmätning för flödande material. Till höger: Fuktmätning för stillastående material [17] Både fuktmätaren och densitetsmätaren är integrerade i samma del, dvs. den svarta cylindern i fig 16 till vänster respektive den grå cylindern i fig 16 till höger. Detta är möjligt genom att cylindrarna består av dubbla väggar för att kunna inkludera den högfrekventa sonden som mäter fukten. En visuell bild av strålningens utbredning kan ses nedan i fig 17. Där syns också att strålningen inte penetrerar hela materialet. Exakt hur långt inträngningsdjupet blir beror på materialet som uppmäts. Mätcylindern rymmer 20 liter bränsle vilket gör att det är en relativt stor volym som mäts varje gång [17]. 26

32 Fig 17. Mätcylinder med vy uppifrån som visar strålningens inträngning [42] Test från SLU Modellen testades vid SLU i Umeå. Ett brett sortiment med varierande FH blev testade. Träflis från avverkningsrester och stamved, krossad stamved, torv och bränslemixar som för närvarande används i energibranschen. FH varierade mellan %. Resultaten jämfördes med ugnsmetoden som referens. Noggrannheten för det högfrekventa systemet beräknades med RMSE (se termer och begrepp). Den generella uppfattningen från testets utövare var att modellen visade sig vara mer noggrann på trädbränslen med relativt homogen partikelstorlek, t.ex. blandningar av flisade avverkningsrester (RMSE: 3,10 %). Däremot blev resultatet mindre noggrant för material med heterogena partikelstorlekar (RMSE upp till 8,92 %) Vid en blandning av alla sorters träbränslen, varierade den beräknade RMSE mellan 4,95-5,86 % Slutsatsen från utvärderingen var att tekniken kan komma att representera ett alternativ med potential att genomföras i industrin. Dock är den studerade tekniken inte utvecklad för fasta biobränslen, utan mer för material med homogen partikelstorlek, som t.ex. jordförbättringsmedel. Därför skulle högre precision av tekniken kunna förväntas om den blev justerad för mer heterogena material som fasta biobränslen [42]. 27

33 9 Joniserande strålning (Radioaktiv strålning) Radioaktiv strålning, eller joniserande strålning som det egentligen heter uppkommer genom att atomkärnor spontant faller sönder till andra typer av kärnor samtidigt som de avger joniserande strålning. Namnet joniserande kommer från det faktum att när strålningen träffar materia är den så pass stark att den kan slita loss elektroner från atomerna. När atomen tappar en elektron har den blivit joniserad [39]. De typer av joniserande strålning som förklaras nedan består av röntgenstrålning, neutronstrålning, betastrålning, och gammastrålning. 10 Dubbelenergiröntgen (Dual X-ray) Teori Röntgenstrålning är en elektromagnetisk strålning som arbetar med en relativt kort våglängd (0,06-125nm) [22]. Strålningen skapas genom att elektroner med hög energi kollideras med ett material [40]. Konceptet bygger på upptäckter som gjordes på 1700-talet där man såg att olika material absorberar olika mycket strålning, dessutom påverkas absorptionen av strålningens frekvens [47]. Tekniken utvecklades sedan till det medicinska området för att bland annat bestämma skelettets kalkinnehåll. Vid FH-bestämning på trädbränslen mäts kvoten mellan kol och syreatomer i materialet. För att göra detta används två strålar (dubbelenergiröntgen) som arbetar med olika våglängder. En viss del av varje stråle absorberas av kol och syre. De delar av varje stråle som transmitterar genom materialet mäts sedan för att beräkna FH [9]. Tillämpning Metoden kan användas vid både bulkmätning och flödesmätning på transportband. Vid bulkmätning måste manuella stickprov tas för att sedan skannas inuti en behållare (fig 19). Flödesskanning (fig 20) lämpar sig mycket bra eftersom hela materialet genomlyses och inte bara delar av det. Förutom att mäta FH kan även information fås om bl.a. främmande föremål, olika material och massflöde [27]. Temperatur har ingen inverkan på resultatet. Anledningen beror på att absorptionen från strålningen sker djupt inuti atomerna, därför är det oviktigt vad som händer utanför. Som en följd av detta spelar det alltså ingen roll vilket aggregationstillstånd materialet befinner sig i. Vilket betyder fast, flytande eller gasform [30]. Densitet eller fraktionsstorleken på materialet kommer också som en följd av ovan nämnda analys att bli betydelselös [30]. År 2009 gjordes ett test på tillverkaren Mantex första prototyp [14, 27]. Testet utfördes på SLU och bestod av att testa FH på träflis från gran som brukar användas till massaproduktion. 9 mätserier utfördes med FH som varierade från %. Referensvärden erhölls med ugnsmetoden. Resultaten ansågs som goda (fig 18) med ett SEE (Standard Error of Estimate) på 1,83 %. Medelvärdet av standardavvikelsen per prov blev 0,53 %. Den genomsnittliga differensen mellan mätenheten och referensmetoden blev 1,14 % - enheter [14]. 28

34 Se kapitel termer och begrepp för förklaring av matematiska statistikbegrepp. Ett senare test utfört av Victor Fernandez Cano visade ett liknande resultat. Det testet utfördes på träflis från tall i stället för gran som i detta fall [13]. Fig 18. Diagram över resultat för Mantex första prototypmodell [14] Fördelar och nackdelar med dubbelenergiröntgen: + Oberoende av temperatur på mätprovet. + Oberoende av bulkdensitet. 29