СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ДРЕВЕСИНЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
METHOD TO MEASURE MOISTURE OF WOOD WITH USE OF INFRARED RADIATION

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения влажности древесины в процессе сушки и хранения.
В процессе сушки древесины необходим периодический или непрерывный контроль влажности древесины для выбора оптимального режима. При сушке наиболее быстро испаряется влага с поверхности и из наружных слоев древесины. Из внутренних зон к наружным влага поступает медленнее, что приводит к образованию внутренних напряжений, которые ведут к образованию трещин и короблению.
Влажность древесины в процессе сушки контролируют весовым способом по контрольным образцам. Образец влажности высушивают вплоть до стабилизации веса. Через равные промежутки времени проводят взвешивание контрольных образцов. Если последний вес совпадает с предыдущим или отличается от него не более чем на 0,02 г, то его принимают за вес абсолютно сухого образца и сушку заканчивают. После определения веса образца, из которого была устранена влажность, проводят расчет влажности [ГОСТ-16588-91].
Весовой метод простой, надежный и точный, но имеет недостатки - довольно продолжительную процедуру, измерение градиента влажности возможно только распиловкой на секции.
Наибольшее распространение получили кондуктометрические методы, измеряющие электропроводность древесины. Электроды кондуктометрического влагомера устанавливают внутри древесины на фиксированном расстоянии. Создают электрическое поле и определяют электропроводность межэлектродного промежутка в зависимости от влажности. Зависимость электропроводности от влажности определяется заранее для конкретной породы древесины [Лапшин А.А. Электрические влагомеры. - М.: Госэнергоиздат, 1960. - С. 15-20].
Недостатками кондуктометрических способов измерения влажности являются невозможность нормирования показаний влажности влагомеров данного типа выше 30%, а также то, что эти способы невозможно использовать для измерения влажности в процессе сушки древесины под воздействием электромагнитного поля, так как под действием токов Фуко происходит нагрев электродов, что приводит к ошибке измерений.
Известен способ [RU патент ПМ №80955, G01N 21/81, опубл. 27.02.2009], заключающийся в формировании источником инфракрасного излучения двух потоков лучей, которые, проходя через прозрачную кювету с измеряемой жидкостью, попадают на инфракрасный приемник. Часть лучей первого потока поглощаются нефтью, часть лучей второго потока поглощается водой. Инфракрасный приемник в зависимости от интенсивности прохождения инфракрасных лучей формирует электрические сигналы, которые поступают в усилитель. В усилителе сигналы увеличиваются по амплитуде и передаются в блок обработки информации. Указанный способ позволяет определить количество воды в нефти.
Недостатком данного способа является конечная толщина исследуемого материала, ограниченная проникающей способностью ИК-излучения, невозможность определить локальную влажность материала.
Наиболее близким является способ, описанный в работе инфракрасного влагомера для определения влажности конденсаторной бумаги [RU патент №2022257, G01N 21/86, опубл. 30.10.1994.], заключающийся в измерении потока ИК-излучения, прошедшего через исследуемый материал фотоприемником, который установлен на фиксированном расстоянии от источника ИК, сравнение полученных измерений с эталонными и вычисление на базе сравнения влажности материала. Сущность способа: бумажное полотно находится между источником ИК-излучения, системой фокусировки и ИК приемником. Источник ИК-излучения и коллиматор обеспечивают равномерное освещение части диска модулятора-монохроматора, напротив которого размещены входные окна передающих световодов. Интерференционные светофильтры выделяют из спектра ИК-излучения узкие спектральные линии, соответствующие линиям поглощения и пропускания целлюлозы и воды. Передающие световоды распределяют ИК-излучение по ширине бумажного полотна. Приемный световод собирает излучение, прошедшее сквозь полотно конденсаторной бумаги, и направляет на фотоприемник. Микропроцессор обрабатывает полученные сигналы и определяет значение влажности бумажного полотна в различных точках. Определение влажности происходит с помощью известных коэффициентов поглощения излучения водой и целлюлозой и тем самым влажности материала.
Недостатком прототипа является сложность фокусировки лучей, малая толщина исследуемого материала, ограниченная проникающей способностью ИК-излучения, невозможность определения локальной влажности материала.
Задачей изобретения является создание способа определения локальной влажности на любой толщине древесины, в том числе во время сушки с использованием диэлектрического нагрева в электромагнитном поле.
Технический результат: предлагаемый способ позволяет определить абсолютную влажность древесины в диапазоне от 10% до 120% и повысить качество сушки древесины.
Технический результат достигается тем, что устанавливают источник и приемник ИК-излучения поперек волокон древесины на выбранную глубину, измеряют поток ИК-излучения, прошедший через древесину, сравнивают полученные измерения с заранее определенной калибровочной зависимостью, связывающей изменение потока ИК-излучения, прошедшего через древесину с влажностью древесины, определенной весовым способом в фиксированные моменты времени, и вычисляют влажность древесины.
Способ основан на разнице коэффициентов поглощения ИК-излучения влаги и твердого диэлектрика.
На фиг. 1 приведен пример схемы устройства для осуществления заявляемого способа, где: 1 - источник ИК-излучения, 2 - приемник ИК-излучения, 3 - исследуемый образец, 4 - источник питания, 5 - блок обработки данных, включающий в себя микроконтроллер 6 с аналогово-цифровым преобразователем и устройством вывода информации, 7 - резистор, 8 - источник опорного напряжения.
На фиг. 2 - калибровочная зависимость, связывающая изменение интенсивности ИК-излучения, прошедшего через древесину и поглощенного приемником (в примере конкретного осуществления способа это падение напряжения на резисторе), с влажностью древесины, определенной весовым методом.
Предварительно строят калибровочную зависимость. В образце, принимаемом за эталон, измеряют влажность с помощью предлагаемого метода и с помощью, например, весового метода. В образце на фиксированном расстоянии устанавливают источник 1 и приемник 2 ИК-излучения в предварительно просверленные отверстия, при этом расстояние между ними нормируется проникающей способностью ИК-излучения. На источник 1 подают питание, происходит эмиссия потока излучения. В зависимости от влажности образца изменяется интенсивность потока излучения, идущего от источника к приемнику. При изменении интенсивности излучения сигнал приемника меняется. После этого сигнал приемника трансформируется в выходной сигнал. В течение сушки образца через промежутки времени фиксируют его массу и показание выходного сигнала инфракрасной системы измерения. По показаниям массы определяют влажность с помощью весового метода. Получают калибровочную зависимость, связывающую изменение интенсивности прошедшего через древесину и поглощенного приемником ИК-излучения с влажностью древесины, определенной весовым методом, и позволяющую определить влажность образца по значению сигнала на выходе системы. Затем источник 1 и приемник 2 ИК-волн устанавливают в отверстия, просверленные на любую глубину, но на фиксированном расстоянии друг от друга и поперек волокон исследуемого материала. Источник ИК-излучения 1 запитывается от источника питания 4. Происходит эмиссия потока излучения с источника 1. В зависимости от влажности материала происходит изменение интенсивности потока излучения, идущего от источника излучения 1 к приемнику 2. При изменении интенсивности излучения сигнал приемника 2 меняется. После этого сигнал приемника 2 трансформируется в выходной сигнал. Затем по предварительно полученной зависимости выходного сигнала от влажности определяется текущая влажность древесины.
Пример конкретного выполнения
Источник 1 и приемник 2 выбирали исходя из максимального соответствия спектральной чувствительности фотоприемника и источника. Используемая длина волны 850 нм. Источник 1 (ИК диод L34SF7C) и приемник 2 (Фототранзистор L32P3C) ИК волн устанавливали в предварительно просверленные отверстия на расстоянии 7±0,5 мм поперек волокон древесины березы 3. На источник 1 подавали питание 1,3 В. Происходила эмиссия потока излучения с источника 1. В зависимости от влажности образца происходило изменение интенсивности потока излучения, идущего от источника 1 к приемнику 2. При изменении интенсивности излучения сопротивление фототранзистора 2 менялось. В последовательную цепь фототранзистор 2 - резистор 7 подавали опорное напряжение 2,5 В от источника опорного напряжения 8. При изменении сопротивления фототранзистора 2 менялось и напряжение, фиксируемое на резисторе 7. Это напряжение поступало на аналогово-цифровой преобразователь микроконтроллера 6, который обрабатывает данные по ранее определенной калибровочной экспоненциальной функции:
где W - влажность образца,
U - напряжение на выходном резисторе.
Далее информация о влажности материала выводилась на экран монитора.
Предварительно была построена калибровочная зависимость падения напряжения на резисторе 7 от влажности. В образце березы, принимаемом за эталон, измеряли влажность с помощью предлагаемого метода и с помощью весового метода. В течение сушки образца через фиксируемые промежутки времени измеряли массу образца и значение напряжения на резисторе 7. По показаниям массы определяли влажность с помощью весового метода и сравнивали с напряжением на выходе системы. Калибровочная зависимость (фиг. 2) позволила определить влажность образца по значению напряжения на выходном резисторе.
Измерения для образца 1 древесины березы естественной влажности размером 30×30×30 мм и образца 2 объемно пропитанной древесины березы сведены в таблицы 1, 2. Как видно из таблиц, регистрируемый диапазон измерений влажности составлял от 10% до 120%.
Измерение локальной влажности древесины является важной задачей, т.к. информация о градиенте влажности позволяет минимизировать механические повреждения при сушке древесины. Заявляемый способ позволяет определять влажность на глубине не ограниченной проникающей способностью ИК-излучения, а возможность измерения при электромагнитном поле позволяет использовать способ при диэлектрическом (сверхвысокочастотном, высокочастотном и низкочастотном) нагреве древесины.
Способ измерения влажности древесины с использованием инфракрасного излучения