Искусство влагометрии твердых и сыпучих материалов

Первоначально автор не планировал публиковать свои сочинения на эту тему. Однако новая заокеанская жизнь внесла свои коррективы.

Автор заранее просит прощения у своих бывших коллег по работе и товарищей, с которыми пришлось сталкиваться на этом пути за свои высказывания.

Иногда внуки спрашивают: «Дед кем ты был? Что делал?». Дети и внуки хотели бы узнать, чем занимался их дед и отец всю свою сознательную жизнь.

Поэтому скорее всего автор пишет не для России, а для своих американских внуков, внучек и правнуков, которые возможно хотят что – то узнать о своем историческом прошлом.

Эта интересная часть история началась с того момента, как распался Советский Союз. Вместе с ним улетучились все мечты о светлом будущем и не только одного автора, но и многих других бывших советских людей. Страна свернула с пути построения коммунизма и возвратилась на путь капитализма. Поэтому пришлось практически начинать жить заново. Да не то чтобы заново, а выживать.

Возможно эта рукопись послужит стимулом и источником информации для будущих российских бизнесменов, которые поднимут знамя национальной влагометрии и подтвердят статус России в наукоемком бизнесе.

Россия – великая лесная держава. Средства контроля качества должны быть сопоставимы с такими же, которые существуют у конкурентов.

Эту монографию можно рассматривать как некий научно-исследовательский отчет о проделанной работе.

Этот отчет некое откровение, исповедь, почти бесследно исчезнувшей научно-исследовательской группы, которая несколько десятилетий работала над проблемой измерения влажности древесины и других твердых и сыпучих материалов. Поэтому хотелось бы рассказать о том как работали, что мешало, что помогало и как можно жить в наукоемком бизнесе в России.

В этой монографии не будут указываться конкретные фамилии или имена.

Поэтому рукопись представлена без всякой систематизации. Она изложена как источник спонтанной информации.

Эта монография скорее всего посвящена молодым людям, которые еще вступают в новую демократическую жизнь в России. Ознакомление с этой монографией позволит им иметь представление о том, что может их ожидать на пути развития собственного наукоемкого бизнеса. Это будет не обязательно именно этот вид бизнеса, но аналогия может иметь место. Поскольку основные проблемы имели не технические или финансовые особенности, а скорее всего социо-психологические.

С уважением к читателям

Карпов Анатолий Кью Гарденс, штат Нью-Йорк, США

1. Введение

В данном выпуске авторы рассматривают некоторые актуальные вопросы влагометрии (науки об измерении влажности), которые интересуют специалистов, желающих производить качественную продукцию.

В брошюре Вы найдете ответы на многие вопросы, часто задаваемые разработчиками и пользователями по контролю влажности, по конструкциям влагомеров (Влаг). Авторы, имея многолетний (более 25 лет) научно-практический опыт по разработкам электронных Влаг, представляют свои аналитические и практические исследования и профессиональный взгляд на современное развитие проблемы для российских условий.

Данная информация предназначена для:

– пользователей влагомеров,

– технологов, связанных с сушкой и деревообработкой,

– приборостроителей, занятых разработкой электронных систем контроля влажности,

– специалистов, изучающих интеллектуальную конкуренцию с учетом российской специфики.

Эту работу можно также рассматривать как учебно-методическое пособие для студентов и молодых предпринимателей, работающих или собирающихся работать в наукоемких сегментах российского рынка.

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.

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.

При сплаве влажность увеличивается, но только заболони. Древесина некоторых пород в поперечном направлении вообще почти непроницаема для жидкостей. С образованием ядра сосуды в нем закупориваются особыми выростами-тиллами, поэтому проницаемость ядровой древесины, как правило, значительно меньше, чем заболонной.

При распиловке такой древесины при загрузке в сушильную камеру мы будем иметь доски, с различными объемами и значениями влажности. Это показано на рис. 3.2.

Такая же картина наблюдается и в березе. Это видно при обработке чурака на лущильном станке, представленном на рис. 3.3.

Рис. 3.2. Образование зон влажности при распиловке сырых бревен.

Рис. 3.3. Образование разброса влажности в березовом чураке. 1- сосна, 2- береза без ложного ядра, 3-береза с ложным ядром, 4-лиственница.

Специальные исследования по матричным методам влагометрии показали следующую картину.

Для этого были распилены образцы влажной древесины на кубики размером 20×20×20 мм и представлены в виде кубической матрицы размером 3×3×3. Для эксперимента выбирались образцы из досок: ядровых, заболонных и смешанных ядрово-заболонных.

Ниже показано наиболее характерное распределение влажности по слоям в образцах.

Рис. 3.4. Распределение влажности в образце заболонной доски по слоям

Рис. 3.5. Распределение влажности в образце ядровой доски по слоям

Рис. 3.6. Распределение влажности в образце ядрово-заболонной доски по слоям.

Необходимо отметить, что представленные исследования показывает примерную картину распределения влажности в пиломатериалах хвойных пород. Для представления картины распределения влажности в древесной стружке покажем на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Временная диаграмма колебаний влажност сырых древесных частиц в систематических выборках.

Колебания влажнсти в древесной стружке имеют большой разброс. В одной маленькой выборке могут быть частицы с влажностью 30 % и 100 %.

На внутреннем рынке России появилось огромное количество материалов различных пород из-за рубежа. Поэтому исследования с ними можно производить по представленной методике.

4. Плотность в пиломатериалах

Плотность древесины влияет на построение Град хар-к. Мы пример, представляем сведения о формировании разброса плотности в древесине.

Плотность древесины изменяется в зависимости от района произрастания и колеблется в широких пределах. Данные представлены в табл. 4.1.

Табл 4.1. Данные по разбросу плотности в древесине.

Плотности древесных пород могут перекрываются своими пределами. Например, береза может иметь такую же плотность что и дуб и.п. При контроле электрическим Влаг влажности, например, дуба с разной плотностью мы будем иметь различные показания, хотя действительная влажность может быть одинакова в пределах одной поставки. При построении хар-к необходимо вводить коррекцию по районам применения Влаг для уменьшения Погр от плотности.

5. Динамика изменения влажности

О том как идет развитие процесса сушки можно наглядно показать на рис. 5.1. Мы видим, что с верхних слоев влажность убывает значительно быстрее, чем из глубины.

Кривая процесса сушки имеет экспоненциальный характер и в конце сушки существует очень энергоемкий период вытеснения оставшейся влаги. Уменьшение влаги в древесине, например, с 80 % до 75 % требует значительно меньших энергозатрат, чем с 13 % до 8 %. Кроме того при сушке в нижнем диапазоне значительно возрастают опасные деформации в древесине из-за усадочных явлений.

Усушка начинается примерно с 30 % и имеет примерно линейную зависимость. Под полной усушкой понимают уменьшение линейных размеров илил объема древесины при удалении всего количества связанной влаги (т. е. от предела гигроскопичности до нуля). Наиболее полная линейная усушка, равная 6–10 % в тангециальном направлении, в радиальном 3–5 %; а вдоль волокон 0,1–0,3 %. Полная объемная усушка в среднем составляет 12–15 %.

Рис. 5.1. Развитие влажностных разбросов в процессе сушки по толщине пиломатериала

Следовательно влагомеры со светодиодной градацией через 2 % могут использоваться только для механической обработки древесины только по 3 классу.

Для соблюдения условий точности изготовления продукции, чистоты, точности механической обработки и шероховатости поверхности с точностью измерения влажности нужно учитывать, что изменение влажности деталей не превышает при обработке по 1 классу точности ±0,5 %, по 2-му классу ±1,0 % и по 3 классу ±2–2,5 %.

Влажность влияет на механическую прочность древесины. На рис. 5.2. представлены зависимости прочности древесины, связанные с влажностью.

Рис. 5.2. Зависимости прочности древесины, связанные с влажностью.

Также сказывается влияние влажности склеиваемой древесины на прочность клеевого шва.

На рис. 5.3. Показана зависимость прочности клеевого скрепления от влажности древесины.

Рис. 5.3. Зависимость прочности клеевого скрепления от влажности древесины.

Ниболее высокая прочность имеется у древесины с влажностью 8±2 %.

ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ влагометрии рассмотрим на анализе зависимости продолжительности сушки и ее стоимости. Эта зависимость условная, так как в настоящее время цены имеют значительные колебания. Параметры сушки также имеют отклонения, что усложняет расчеты

График дает наглядное представление значимости завершающего этапа процесса сушки, наиболее дорогого и ответственного.

На рис. 5.4. представлена диаграмма в четырех квадратах. В первом квадранте представлена зависимость влажности и продолжительности сушки. Кривая выражается в виде экспоненты. В начале процесса сушки при удалении свободной влаги с высоким влагосодержанием кривая имеет резко выраженную крутизну. По мере вытеснения влаги процесс замедляется. На конечной стадии он переходит в плавную почти прямую имеющую небольшой наклон. В 4 квадранте дается приближенная связь времени и стоимости затрат на сушку.

Рис. 5.4. Зависимость продолжительности сушки и стоимости

Хотя и принято считать, что время – это деньги, однако же нельзя представлять, что эта зависимость будет иметь линейный характер. Скорее всего она будет иметь также нелинейный параболический характер. Это можно объяснить тем, что в начальном периоде сушки затраты будут значительно ниже, так как влага интенсивно выходит при переходе к конечной стадии необходимо повышать температуры и качество сушильного агента. Это естественно потребует еще больше энергетических затрат. Таким образом опираясь на эти две кривые мы можем построить кривую зависимости влажности и стоимости затрат.

Анализируя полученную кривую, мы видим, что основные затраты падают на конечную стадию процесса сушки. Поэтому измерение влажности в конечной стадии является важнейшим моментом для реального определения стоимости затрат и позволяет повысить точность оценки сушки.

6. Деформативность древесины

Из книг Б. Н. Уголева по развитию напряжений в древесине при сушке. При разрешении различных конфликтов при определении показателей качества древесины необходимо учитывать деформативность древесины и причины, связанные с влагообразованием. Процесс сушки древесины протекает при неравномерном распределении влажности по всему объему материала. Наличие неравномерного поля влажности, возникающего с самого начала процесса, приводит к созданию неоднородного деформированного состояния из-за неравномерной усушки и является первопричиной образования внутренних напряжений. Внутренние напряжения рассматриваются как совокупность – влажностных и остаточных напряжений.