Актуальность

Влажность древесины является важным технологических параметров в деревообрабатывающей промышленности, так как определяет качество и долговечность выпускаемой продукции. Проблема измерения влажности является чрезвычайно актуальной и требует новых идей и новых методов измерения. Особенно остро стоят вопросы точности измерений. Чтобы создать удобный, легкий в эксплуатации, надежный и достаточно точный прибор для измерения влажности, необходимо детальное рассмотреть объект измерения и современные научные теории, объясняющие наличие тех или других свойств влажной древесины.

Цель и задачи работы

Целью магистерской работы является выбор метода и создания точного прибора (или системы), позволяющего измерять влажность плоских древесных плит, ниже придела гигроскопичности (W<=30%), с максимальной точностью, которая будет удовлетворять технологическим требованиям в деревообработке.

В ходе работы необходимо решить следующие задачи:

• Выбор метода измерения влажности плоских древесных плит;
• Построение математической модели измерения влажности плоских древесных плит по выбранному информационному параметру (диэлектрической проницаемости);
• Исследование влияния возмущающих факторов на процедуру измерения влажности плоских древесных плит;
• Разработка датчика;
• Разработка структурной и принципиальной схем влагомера;

Предполагаемая научная новизна

В ходе работы будут исследованы и получены новые результаты:

• Математическая модель измерения влажности по диэлектрической проницаемости;
• Исследования влияния и выбор частоты внешнего электрического поля на измерения емкости датчика, диэлектрической проницаемости древесины и ее влажность [8];
• Исследование влияния температуры на погрешность измерения влажности. Способы уменьшения температурных погрешностей [7];
• Разработка и анализ формы датчика, определение видов материалов для изготовления датчика, определение СХП датчика;

Предполагаемая научная новизна проведенных исследований. Древесина может обладать абсолютной влажностью до 250% . Свободная влага обладает во много раз более высокими показателями диэлектрических параметров по сравнению с древесиной. Взаимодействуя с ней в процессах адсорбции и капиллярной конденсации, связанная влага меняет свои диэлектрические свойства и приводит к изменению диэлектрических свойств древесины. Таким образом, наблюдается прямая корреляция между диэлектрическими параметрами древесины и ее влажностью. Диэлектрические параметры материала (относительная диэлектрическая проницаемость и коэффициент потерь) можно определить при наложении внешнего электрического поля, переменного во времени [1]. В магистерской работе предполагается: теоретически обоснованный выбор оптимальной частоты внешнего ЭМИ , исследование влияния температуры и плотности древесины на информационный параметр. Оценка влияния анизотропии древесины при измерении влажности плоских древесных плит.

Предполагаемая практическая ценность

Повышение точности измерений при экспресс контроле влажности плоских древесных плит.

Обзор существующих исследования и разработок

Диэлектрические параметры древесины

Диэлектрические параметры древесины сильно связаны с ее влажностью и, могут служить источником информации о количестве влаги в материале.
Способность к поляризации – одно из важнейших свойств древесины..
При этом рассматриваемый объем древесины будет иметь некоторый электрический момент, равный геометрической сумме всех поляризованых моментов, находящихся в этом объеме (зависит от напряженности поля):

Суммарная поляризованность древесины, представляющая средний дипольный момент в единице объема, выражается суммой всех видов поляризованности [5]:

где Pэ -электронная поляризация возникает при смещении электронных орбит относительно положительно заряженного ядра. Электронная поляризация устанавливается за очень короткий промежуток времени после наложения электрического поля, т.е. 1Е-14 — 1Е-16 с, поэтому она практически не зависит от частоты поля, температуры и не связана с потерей энергии;
Pи -ионная поляризация возникает вследствие упругого смещения относительно друг друга разноименно заряженных ионов в веществах с ионными связями. С повышением температуры поляризованность возрастает. Ионная поляризация устанавливается за время 1Е-12 … 1Е -13 с;
Pд - дипольно-релаксационная (дипольная) поляризация. Заключается в повороте дипольных молекул в направлении внешнего электрического поля;
Pм -миграционная поляризация. Встречается в неоднородных (гетерогенных) диэлектриках, состоящих из веществ с различными свойствами.
Pэл - электролитическая поляризация. Постоянная времени равна 1Е-4…1Е2 с.

Общую поляризованность древесины можно рассматривать в виде суммы 2-х составляющих: мгновенной и релаксационной [5]:

В этой формуле мгновенная составляющая (Pэ и Ри) незамедлительно следует за изменением напряженности электрического поля. Сумма дипольной, миграционной и электролитической поляризации образуют релаксационную составляющую, которая отстает по времени от появления напряженности электрического поля. На рис 1. приведена схема нарастания общей поляризованности древесины при мгновенном появлении электрического поля.

Для древесины, как диэлектрика, в котором проявляются различные виды поляризации, предложена эквивалентная электрическая схема, приведенная на рис.2.

На рис.2: Сэ, Си, Сд, См, Сэл - емкости, соответствующие механизмам электронной, ионной, дипольно-релаксационной, миграционной и электролитической видам поляризации, соответственно; Rд, Rм, Rэл сопротивления, моделирующие потери энергии при дипольной, миграционной и электролитической поляризации; Rпр - сопротивление току сквозной электропроводимости.

На разных частотах внешнего электрического поля, разные виды поляризации проявляют себя по-разному и вносят неодинаковый вклад в общую поляризованость древесины.

Методы определения влажности плоских древесных плит.

Методы определения влажности делятся на прямые и косвенные. В прямых методах производится непосредственное разделение материала на сухое вещество и влажное. В косвенных методах измеряется величина функционально связанная с влажностью материала. Косвенные методы требуют предварительной градуировки с целью установления зависимости между влажностью материала и измеряемой (вторичной) величиной [6].

К прямым относятся: метод высушивания и дистилляционный метод.
Сущность метода высушивания заключается в воздушно тепловой сушке образца древесины до достижения равновесия с окружающей средой, что условно считается равноценным полному удалению влаги. На практике применяется высушивание до постоянного веса. Этому методу присущи следующие методические погрешности [3]:

• при высушивании, наряду с потерей гигроскопической влаги, происходит потеря летучих веществ;
• прекращение сушки соответствует не полному удалению влаги из древесины, а равновесию давления водяных паров в образце и водяных паров в воздухе;
• древесина относится к коллоидным материалам, а удаление связанной влаги в коллоидных материалах невозможно без разрушения коллоидной частицы и не достигается при высушивании;
• в результате сушки в древесине образуется водонепроницаемая корка, которая препятствует удалению влаги.

При использовании дистилляционных методов исследуемый образец прогревается в сосуде с определённым количеством жидкости, не смешивающиеся с водой (бензол, толуол, ксилол, минеральное масло и т.д.) до температуры кипения этой жидкости. Вода испаряется и ее пары, проходя через холодильник, конденсируются в измерительном сосуде, где измеряется объём или масса воды.

Дистилляционному методу свойственны следующие недостатки:

• капли воды, остающиеся на стенах холодильника и трубок, приводят к погрешности определения влажности;
• применяемые растворители огнеопасны.

Прямые методы, несмотря на их недостатки, используются для градуировки влагомеров.
При использовании косвенных методов оценка влажности материала производится по измерению его свойств, однозначно связанных с влажностью. Особенность косвенных методов состоит в возможности измерения локальной влажности образца, что невозможно обеспечить методом высушивания. Известны следующие косвенные методы измерения влажности древесины: оптические, электрофизические, механические, радиометрические и комбинированные . В деревообработке применяют в основном два первых.
В оптических методах используют зависимости коэффициента отражения от влажности древесины на частотах ИК-диапазона (длина волны излучения l = (0,3…30)мкм). Основное достоинство этого метода – его дистанционность. К недостаткам можно отнести: малую глубину проникновения ИК-излучения в древесину (1…5мм) и необходимость тщательного ухода за оптикой в условиях запыленных деревообрабатывающих цехов [3].
Электрофизические методы определения влажности основаны на измерении электрофизических параметров древесины и подразделяются на кондуктометрический и диэлькометрический. При использовании кондуктометрического метода измеряют активную составляющую электрического сопротивления или проводимости образца, а диэлькометрического метода - диэлектрическую проницаемость или тангенс угла диэлектрических потерь [8]. Точность этих методов определяется степенью корреляционной связи электрофизических параметров с влажностью образца (в зависимости от частоты внешнего ЭМИ) и степенью воздействия на них влияющих величин: плотности, анизотропии, температуры древесины и др. При надлежащей компенсации этих помех точность электрофизических методов соответствует требованиям производства.
Кондуктометрический метод применяют в основном для измерения влажности пиломатериалов. При его применении в исследуемый образец вдавливают (вбивают) конусообразные электроды датчика [2]. Для контроля влажности плоских древесных плит более пригоден диэлькометрический метод, не приводящий к повреждению образца. В зависимости от контролируемого параметра и значения влажности, этот метод, в свою очередь, подразделяется на емкостный метод и метод диэлектрических потерь. В обеих случаях применяют конденсаторные датчики [4].
При определенной влажности в диапазоне 0 - 30% и температуре 297 К, зависимость диэлектрической проницаемости от плотности выражается эмпирическими уравнениями вида

Для определения диэдектрической проницаемости на различных частотах следует использовать график, показанный ниже (рис.3):

Перечень нерешенных проблем и задач

Наиболее важными проблемами, на данный момент, являются:

• обоснованный выбор частоты внешнего электрического поля;
• исследование влияния температуры на погрешность измерения влажности;
• разработка оптимальной формы датчика, нахождение его СХП;
• возникновение погрешности в следствии варьирования плотности образца;

Планируемые и полученные собственные результаты

1. Произведен аналитический обзор существующих методов измерения влажности древесины;
2. Произведен анализ результатов измерения влажности диэлектрическим методом на частоте 1кГц для хвойных пород и для дуба по данным [8];
3. Разработка конденсаторного преобразователя влажности;
4. Разработана и описание структурной схемы влагомера.

Заключение

В ходе работы, в соответствии с определенными целями будут разработаны и получены:

• Математическая модели измерения влажности плоских древесных плит по выбранному информационному параметру (диэлектрической проницаемости);
• Исследование влияния возмущающих факторов на процедуру измерения влажности плоских древесных плит;
• Разработка датчика, структурной и принципиальной схем влагомера;

Список источников

1. Берлинер М.А. Электрические измерения, автоматический контроль и регулирование влажности. -2-е изд., доп. и переработ. - М.-Л.: Энергия, 1965. - 488с.
2. Лесотехническая академия "Технопарк ЛТА". Измерение влажности древесины приборами фирмы GANN (Германия), - СПБ.: 2002.
3. Музалевский В.И. Измерение влажности древесины. - М.:1976. - 119с.
4. Музалевский В.И. Комбинированные емкостные преобразователи влажности листовых материалов//Измерительная техника 1972.-№1. - С.73-74
5. Нетушил А.В., Жуковицкий Б.Я., Кудин В.Н., Парини Е.П. Высокочастотный нагрев диэлектриков и полупроводников. - М.: Госэнергоиздат, 1959. - 154с.
6. Пилопродукция и деревянные детали. Государственный стандарт ГОСТ 16588 – 91 (ИСО 4470 – 81).
7. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. - М.: Энергоиздат, 1982 – 320с.
8. Торговников Г.И. Диэлектрические свойства древесины. – М.: Изд-во Леспром, 1986 - 127с.