Страница 2 из 10
Для разработки кондуктометрических Ивлаг достаточно познаний в области измерений на постоянном токе, электротехнике, и древесиноведения.
Для разработки емкостных Бвлаг к этим знаниям необходимо добавить знания в области радиотехники, радиоприемных и радиопередающих устройств, измерительной технике, измерениях параметров диэлектриков, антенным устройствам, источникам стабильного питания радиочастотных устройств, конструирования высокочастотной радиаппаратуры и измерительной техники.
Развитие радиолокации позволило создавать излучатели и приемники сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона. В качестве СВЧ излучателей и приемников вместо иголок стали использоваться рупорные антенны различных форм, которые пронизывали своей энергией образцы древесины любой толщины насквозь. В зарубежной конкурентной борьбе специалисты по игольчатой влагометрии вводят клиентов в заблуждение, распространяя ложные слухи о том, что эти методы являются поверхностными. СВЧ энергия распространяется от рупора к рупору в свободном пространстве, где перемещается измеряемый материал. Этот метод обладает высокой проникающей способностью на любую глубину. Но он чувствителен к структуре древесину. Электромагнитный вектор излучаемой волны еще дополнительно вращается и искажает показания в древесине. На рис. 2.2 показана процедура измерения влажности таким методом.
Измерительный генератор устанавливается с одной стороны, а приемник с другой стороны объекта. В результате сквозного проникновения можно измерять влажность в любом материале любой толщины.
Рис. 2.2. Методы измерения влажности в свободном пространстве.
С точки зрения теории антенн древесина с ее наличием годовых колец и расположения срезов представляет собой диэлектрическую линзу. В ней наряду с имеющейся диэлектрической проницаемостью есть фактор диэлектрической линзы. Интерес к этому методу значительно усилился с развитием полупроводниковой техники СВЧ, появлению таких приборов, как: генераторы на диодах ГАННА, лавинно-пролетные диоды и арсенид-галлиевые транзисторы. В перспективе этот метод еще скажет свое веское слово. Для этого требуется использование микроЭВМ, способных вести обработку по многомерным методам измерения неоднородных в пространстве и времени веществ (древесины). Речь тут в данном случае может идти о развитии совершенно новых направлений таких как матричная и статистическая комбинационная влагометрия. Но это пока далекая перспектива. Для воплощения этих направлений требуется прорыв в области преобразователей влажности.
Развитие оптоэлектроники и инфракрасной техники позволило создать инфракрасные (ИК) Влаг. Но для использования в измерении влажности пиломатериалов они не пошли, несмотря на то, что могли охватывать весь диапазон влажности. Это связано с тем, что они имели очень малую глубину проникновения. Отраженный сигнал зависит от шероховатости поверхности. В настоящее время в ИК-области имеются полупроводниковые излучатели и приемники, в которых может быть применена электронная модуляция светового потока. Это позволяет создавать компактные системы контроля. Практически он может быть использован для контроля поверхностной влажности.
Радиометрический метод влагометрии получил свое бурное развитие после фундаментальных исследования, связанных с развитием атомной энергетики. Радиоизотопные Влаг несмотря на мощную государственную поддержку все же с трудом внедрялись в промышленость. Пользователи опасались радиоактивного заражения. После ряда катастроф, связанных с эксплуатацией атомных электростанций – этот метод был дискредитирован и почти полностью исключен для использования. Радиоизотопные приборы позволяют измерять плотность материала. Они могли быть использованы для введения поправки на плотность древесины.
Последним достижением в развитии влагометрии явилась разработка комбинированных методов. Идея заключалась в использовании множества частот или параметров и проведения расчетов на основе полученной комбинированной функции для значительного увеличения точности. Несмотря на полученные положительные результаты этот метод также пока еще не нашел своего распространения. Он требовал больших затрат на практическую реализацию и может быть востребован в связи с развитием вычислительной техники.
Полученный опыт показал, что наиболее благоприятные перспективы могут ожидаться ПОКА только в диэлькометрической влагометрии, что и подтвердилось мировой конкурентной практикой.
Поэтому в настоящее время остались уцелевшими в ходе упорной и напряженной конкурентной борьбы на мировых рынках три метода, на которых и строятся почти все современные влагомеры.
1. Метод высушивания,
2. Игольчатый (кондуктометрический)
3. Безигольчатый (Wmet) (емкостной, диэлькометрический).
Но последнее слово во влагометрии еще не сказано. Поэтому промышленность и пользователи Влаг должны быть готовы к тому, что на рынке появятся новые разработки. Они будут опровергать существующие, которые как вещает рыночная реклама являются самыми точными.
3. Влажность в материалах
Как показывает практика внедрения влагомеров крайне недостаточно только знаний о продаваемом влагомере. Необходимо развить знание об объекте измерения. Поэтому рассмотрим как пример распределение влаги в древесных материалах.
Различают две формы влаги, содержащейся в древесине: связанную (гигроскопическую) и свободную.
На рис. 3.1. Изображено схематическое строение древесины с наличием в ней свободной и связанной влаги.
Рис. 3.1. Схематическое строение древесины с наличием в ней свободной и связанной влаги.
Связанная влага находится в толще клеточных оболочек, свободная влага содержится в полостях клеток и межклеточных пространствах. Связанная влага удерживается в основном физико-химическими связями; ее удаление сопряжено со значительными затратами энергии. Ее предельное значение примерно равно 30 %. Свободная влага удерживается только физико-механическими связями, удаляется значительно легче.
Различают следующие степени влажности древесины:
мокрая > 100 %; свежесрубленная (50–100 %); воздушносухая (15–20 %); комнатносухая (8–12 %); абсолютно сухая (около 0 %).
В растущем дереве влажность распределена неравномерно по радиусу и по высоте ствола. У хвойных пород влажность заболони в 3–4 раза выше влажности ядра и спелой древесины. По высоте ствола хвойных пород влажность заболони увеличивается в направлении от комля к вершине, а влажность ядра практически остается без изменения. В стволах ядровых лиственных пород (дуб, ясень, вяз) влажность ядра вверх по стволу слегка понижается. У заболони влажность почти не изменяется, а у лиственных безъядровых пород (осина, липа) влажность увеличивается от комля к вершине. В нижней части ствола спелая древесина в летний период имеет большую влажность, а в верхней меньшую, причем разница эта достигает 60 %.
Кроме сезонных изменений влажность древесины в стволах растущих деревьев подвержена и суточным колебаниям. Так в заболони ели утром влажность составляла 186 %, в полдень-132 % и вечером 150 %.
В раннем возрасте древесина ядровых пород состоит только из заболони и лишь в течением времени образуется ядро.
Ядрообразование является неотъемлемой частью жизнедеятельности дерева и зависит от условий произрастания. Например, объем ядра в 30 летней осине составляет 20–30 % от общего объема дерева. Ядро постепенно увеличивается за счет перехода части заболони в ядро. С возрастом часть площади сечения ствола, занимаемая заболонью уменьшается.
Проведенные исследования по атмосферной сушке пиломатериалов и кругляка позволяют проанализировать изменения по влажности. Так в июле из материала убывает примерно по 5 % влаги в сутки, а зимой по 1–2 % в месяц. На каждом складе, внутри каждого штабеля и даже вокруг отдельной влажной доски возникает свой климат.