Способ определения коэффициента диффузии в массивных изделиях из ортотропных капиллярно-пористых материалов
METHOD FOR DETERMINING THE DIFFUSION COEFFICIENT IN MASSIVE PRODUCTS MADE OF ORTHOTROPIC CAPILLARY-POROUS MATERIALS

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при исследовании процессов массопереноса в капиллярно-пористых материалах для определения коэффициента диффузии растворителей в строительных материалах и конструкциях, а также в пищевой, химической и других отраслях промышленности. Ортотропные материалы характеризуются существенным различием свойств в перпендикулярных направлениях, например, вдоль и поперек волокон.
11
Известен способ определения коэффициента диффузии растворителей в массивных изделиях из капиллярно-пористых материалов (патент РФ 2492457, МПК G 01N 27/26, G 01N 13/00, 10.09.2013, Бюл. № 25.). В массивном изделии из капиллярно-пористых материалов, имеющего по крайней мере одну плоскую поверхность (например, цементные или гипсовые плиты), создают равномерное начальное распределение растворителя. Затем производят импульсное точечное соприкосновение плоской поверхности исследуемого изделия с источником растворителя, после чего гидроизолируют эту поверхность, располагают электроды гальванического преобразователя на этой поверхности по концентрической окружности относительно точки подачи дозы растворителя, измеряют изменение во времени ЭДС гальванического преобразователя и рассчитывают искомый коэффициент диффузии по установленной зависимости.
Недостатками этого способа являются низкая точность определения коэффициента диффузии растворителей в изделиях из ортотропных материалов вследствие неадекватности используемого математического описания процесса массопереноса в массивном изделии при точечном импульсном воздействии из-за существенного различия свойств материала в различных направлениях.
11
Наиболее близким является способ определения коэффициента диффузии растворителей в массивных изделиях из ортотропных капиллярно-пористых материалов (патент РФ 2549613, МПК G 01N 27/26, G 01N 13/00, 27.04.2015, Бюл. № 12). В массивном изделии из ортотропных капиллярно-пористых материалов, имеющего по крайней мере одну плоскую поверхность (например, цементные или гипсовые плиты), создают равномерное начальное распределение растворителя. Затем осуществляют импульсное воздействие на плоскую поверхность исследуемого изделия дозой растворителя по прямой линии в заданном направлении ортотропного материала, выполняют электроды гальванического преобразователя в виде прямолинейных отрезков и располагают их с обеих сторон линии импульсного воздействия на прямых, параллельных линии импульсного воздействия и расположенных на одинаковом заданном расстоянии от нее, определяют момент времени, соответствующий максимуму ЭДС преобразователя, и рассчитывают искомый коэффициент по установленной зависимости.
Недостатком этого способа являются невысокая точность определения момента достижения максимума ЭДС, где производная сигнала преобразователя по времени близка к нулю, и наблюдается недостаточная чувствительность измеряемого параметра к изменению времени.
Техническая задача предлагаемого технического решения предполагает повышение точности измерения коэффициента диффузии растворителей в массивных изделиях из ортотропных капиллярно-пористых материалов.
Техническая задача достигается тем, что в способе определения коэффициента диффузии растворителей в массивных изделиях из ортотропных капиллярно-пористых материалов, имеющих по крайней мере одну плоскую поверхность, с существенными различием свойств материала в перпендикулярных направлениях (например, пиломатериал из различных сортов древесины), включающем создание в исследуемом образце равномерного начального содержания распределенного в твердой фазе растворителя (в том числе и нулевого), гидроизоляции верхней плоской поверхности образца, импульсном увлажнении в начальный момент времени в заданном направлении исследуемого ортотропного материала по прямой линии движущимся источником растворителя постоянной производительности, выполнении электродов гальванического преобразователя в виде прямолинейных отрезков и размещении их с обеих сторон линии импульсного увлажнения на прямых, параллельных линии импульсного увлажнения и на одинаковом заданном расстоянии от нее, фиксировании момента времени достижения заданного значения сигнала гальванического датчика и расчете коэффициента диффузии.
11
1
2
1
2
e
E
E
E
В отличие от прототипа (патент РФ 2549613, МПК G 01N 27/26, G 01N 13/00, 27.04.2015, Бюл. № 12) измеряют изменение во времени сигнала дополнительного гальванического датчика, прямолинейные электроды которого располагают с обеих сторон линии импульсного увлажнения на прямых, параллельных линии импульсного увлажнения и на другом расстоянии от нее, фиксируют моменты времени τ и τ, при которых достигаются одинаковые значения сигналов соответственно первого датчика  и второго датчика  из диапазона (0,7 – 0,9) на нисходящих ветвях кривых изменения сигналов во времени этих двух датчиков, а расчет коэффициента диффузии производят по формуле:
,
r
r
E
1
2
e
где  и  – расстояние между линией импульсного увлажнения и линиями расположения электродов соответственно первого и второго гальванического преобразователя;  - максимально возможное значение сигнала датчиков, соответствующее переходу растворителя из области связанного с твердой фазой исследуемого материала в область свободного состояния.
Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. К плоской поверхности массивного изделия с равномерным начальным распределением растворителя прижимается зонд с импульсным линейным источником массы и расположенными с обеих сторон линии импульсного воздействия на прямых, параллельных линии импульсного воздействия и на различном расстоянии от нее двух пар электродов гальванических преобразователей в виде прямолинейных отрезков.
Зонд имеет прямолинейный паз, в котором размещают линейный импульсный источник растворителя. После подачи импульса дозой растворителя источник удаляется из зонда, прямолинейный паз герметизируется заглушкой, а сам зонд обеспечивает гидроизоляцию поверхности образца в зоне действия источника и прилегающей к ней области контроля распространения растворителя. После подачи импульса - дозы растворителя (мгновенного «увлажнения» линии поверхности изделия) фиксируют изменение ЭДС гальванических преобразователей во времени.
Для расчета технологических процессов получения и эксплуатации изделий из ортотропных материалов необходимы данные по коэффициентам диффузии, прежде всего в поперечном к расположению волокон направлении, т.к. диффузия именно в этом направлении является лимитирующей стадией процессов массопереноса (например, сушка пиломатериалов).
Для обеспечения контроля коэффициента диффузии растворителя в поперечном к расположению волокон направлении ортотропного материала линию импульсного воздействия ориентируют вдоль волокон материала. При этом обеспечивается однонаправленный массоперенос в нужном направлении, не искаженный массопереносом в направлении, перпендикулярном к исследуемому. За счет этого повышается точность контроля и возможность определения коэффициента диффузии растворителей в поперечном к расположению волокон направлении ортотропного капиллярно-пористого материала.
r
r
r
r
r
r
2
0
2
0
2
Размеры плоского участка изделия вдоль и поперек волокон ортотропного материала, а также длину линии, по которой наносится импульсное воздействие, выбирают из условия превышения величины (20 +), где - расстояние от линии нанесения импульсного воздействия до электродов наиболее удаленного от нее гальванического преобразователя; - размер прямолинейных отрезков электродов гальванического преобразователя, контактирующих с поверхностью изделия на линиях, параллельных линии импульсного воздействия. При толщине изделия больше 10  процесс распространения растворителя в массивном изделии после нанесения такого импульса описывается краевой задачей массопереноса в неограниченной среде при нанесении импульсного воздействия от линейного источника массы. Изменение концентрации растворителя  на расстоянии  от источника описывается уравнением:
,   (1)
W
L
D
где  - мощность «мгновенного» источника массы, подействовавшего в начале координат , вычисляемая как отношение дозы растворителя (подведенной к контролируемому изделию) к длине линии импульсного воздействия ;  - коэффициент диффузии растворителя;  – плотность абсолютно сухого исследуемого материала; τ - время.
D
Коэффициент диффузии растворителя  при организации данного процесса массопереноса в изделии связан соотношением:
(2),
τ
U(r,
)
r
max
где  - время, соответствующее максимуму на кривой τ изменения концентрации на расстоянии от источника.
r
U
r
r
max
max
1
2
1
2
*
Расчетная зависимость для определения искомого коэффициента диффузии получена на основании следующих исследований. После импульсного воздействия дозой растворителя на заданном расстоянии  от линейного источника наблюдается изменение концентрации в виде характерных кривых, имеющих восходящую ветвь от начала импульсного воздействия до момента τ и нисходящую ветвь, наблюдаемую после наступления момента τ. При этом одинаковые значения концентрации , достигаемые в моменты времени τ и τ на нисходящих ветвях кривых изменения концентрации во времени на расстояниях соответственно  и  могут быть определены из выражения (1) с учетом (2):
(3)
(4)
Деление (3) на (4) приводит к следующему выражению:
.     (5)
r
r
1
2
Из (5), с учетом выражения (2) для каждого из  и , получено расчетное выражение для определения искомого коэффициента диффузии:
(6)
1
2
1
2
Для определения искомого коэффициента диффузии в предлагаемом способе измерению в моменты времени τ и τ подлежат не значения концентрации  и , а связанные с ними одинаковые значения ЭДС применяемого гальванического преобразователя в отсутствие предварительно найденной в результате градуировки статической характеристики. Для повышения точности необходимо, чтобы в данные моменты времени τ и τ измеряемое значение ЭДС находилось на среднем (рациональном) участке статической характеристики, характеризующегося стабильным сигналом преобразователя и высокой чувствительностью к изменению концентрации. Исследования показывают, что рациональный участок статической характеристики соответствует изменению ЭДС преобразователя в диапазоне:
E
e
(0,7 – 0,9),     (7)
E
E
E
e
e
e
где  – сигнал преобразователя, соответствующий переходу растворителя из области связанного с твердой фазой исследуемого материала в область свободного состояния (максимальный сигнал на плато насыщения статической характеристики). При значениях ЭДС преобразователя свыше 0,9 существенно возрастает разброс экспериментальных значений из-за существенной нелинейности статической характеристики и потери чувствительности преобразователя к изменению концентрации растворителя вблизи зоны насыщения из-за существенного ослабления связи молекул растворителя с твердой фазой контролируемого капиллярно-пористого материала. При значениях ЭДС преобразователя ниже 0,7 существенно возрастает разброс экспериментальных значений за счет нестабильности сигнала преобразователя, вызванного возрастанием электрического сопротивления контролируемого капиллярно-пористого материала в области низких значений концентрации растворителя.
r
r
E
1
2
1
2
e
1
2
-4
-9
-9
2
Пример. Были проведены исследования коэффициента диффузии влаги поперек волокон теплоизолирующих блоков, отформованных с использованием неорганического связующего, толщиной 50 мм, плотностью в сухом состоянии 460 кг/м. куб. Расстояние от источника дозы растворителя до расположения электродов гальванических преобразователей:  = 4 мм и  = 5 мм. Размеры прямолинейных отрезков электродов гальванического преобразователя, контактирующих с исследуемым материалом, - 5 мм, длина линии импульсного воздействия 90 мм. Вносимая доза влаги составляла приблизительно 4,8×10 кг. Расчетное значение ЭДС, соответствующее моментам времени τ и τ, выбиралось приблизительно равным 0,9  (фигура 1). В результате получены следующие значения: τ=6197 с и τ=5631 с. Рассчитанное по (6) значение коэффициента диффузии равно 4,85×10 ≈ 4,9×10 м/с.
Проведенные экспериментальные исследования показали, что случайная погрешность результата определения коэффициента диффузии влаги поперек волокон теплоизолирующих блоков при доверительной вероятности  составляет 8.7≈9%. Длительность эксперимента не превышает 120 минут.