Искусство влагометрии твердых и сыпучих материалов

Анатолий Сергеевич Салтыков-Карпов, 1990

В этой книге представлены результаты научно-практических исследований по измерению влажности твердых и сыпучих материалов. Немного о науке, практике и бизнесе во влагометрии. Показаны практические примеры развития бизнеса в этом направлении применительно к особенностям измерения. Россия – великая лесная держава, в которой должны быть разработаны и использованы такие же сопоставимые по масштабу средства измерения и контроля влажности твердых и сыпучих материалов. Эта книга предназначена для специалистов, стремящихся развивать национальный наукоёмкий бизнес.

2. Из истории развития влагометрии древесины и древесных материалов

С незапамятных времен люди используют древесину в своей жизни. Они обратили внимание на то, что дома и мебель, изготовленные из хорошо высушенной и выдержанной древесины служат очень долго.

В настоящее время эта особенность древесины нашла научное обоснование. Наука, занимающаяся измерением влажности — названа влагометрией.

Все методы измерения влажности материалов разделяются на прямые и косвенные. Для измерения влажности прямым способом в деревообработке служит сушильно-весовой или термогравиметрический способ. Этот способ является эталонным для проверки всех остальных. Для реализации этого способа использовалось оборудование: аналитические весы, сушильный шкаф с регулятором температуры и эксикатор для выдерживания и остуживания образцов.

Развитие автоматизации и микроЭВМ усовершенствовало этот процесс и привело к регулировке температур, автоматическому взвешиванию, использованию встроенных микросушилок с вентиляцией, вычислению влажности по расчетной формуле, контролю окончания процесса сушки образца до его абсолютно сухого состояния, и т. п. При всех достоинствах прямой метод имеет существенные недостатки, ограничивающие его применение.

К ним можно отнести: 1)Сушка образцов может занимать от десятков минут до десятков часов; 2)Процесс обработки результатов очень трудоемок, требует ответственности и аккуратности; 3)Требуются большие энергозатраты; 4)Малоэффективен, так как не позволяет контролировать большие, представительные выборки; 5) Метод является разрушающим, производящим безвозвратные выборки, которые поступают в дальнейшем преимущественно в отходы; 6) Данные такого контроля не могут быть использованы для оперативного регулирования режимов и автоматизации процесса сушки.

Более перспективным оказалось применение косвенных методов влагометрии с использованием известных физических явления, которые могли иметь тесную статистическую связь электрофизических параметров (сопротивления, тока, емкости, излучений и т. п.) с влагой в твердом теле.

Рис. 2.1. Схематическое изображение удельного веса публикаций по методам влагометрии древесины.

1-методы высушивания; 2 — емкостный; 3 — кондуктометрический; 4 — сверхвысокочастотный; 5 — оптический; 6-радиометрический

Развитие прикладной влагометрии связано с развитием различных направлений в науке и технике. Появляется поле деятельности для экспериментов и реализации на практике. Мы провели анализ отечественных и зарубежных публикаций на основе тематических подборок по влагометрии, сделанными в Государственной Публичной библиотеке. Для этого использовались данные по развитию влагометрии 1962–1977 гг.

Было выявлено, что основное количество публикаций посвящено конструкциям приборов и работе с ними, примерно 40,8 %. За ними следуют публикации по емкостному методу — 12,8 %, сверхвысокочастотному 10,5 %, радиометрическому методу 9,5 %, методу высушивания 5,4 %, оптическим методам 2,9 %, кондуктометрическому методу 2,5 %. Для более наглядного представления тенденций развития каждого метода было построено схематическое изображение удельного веса публикаций по методам. Оно представлено на рис. 2.1.

Развитие этих методов требовало наличия материально-технической базы для разработки таких систем контроля. На начальном этапе развития влагометрии, используя постоянный ток, были разработаны первые простейшие Влаг с игольчатыми датчиками. Начало кондуктометрической (игольчатой) влагометрии было заложено в конце 19 — начале 20 века. До сих пор этот метод все еще остается живучим, несмотря на яростную критику его недостатков.

Развитие радиотехники и измерений позволило расширить исследования и решать проблему, измеряя связь влаги и емкости, диэлектрической проницаемости, электромагнитного затухания, комплексного сопротивления и т. п… Этот метод является более информативным и ему было уделено множество публикаций. Он более прост для реализации.

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.