СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ДРЕВЕСИНЫ
METHOD AND APPARATUS FOR DETERMINING WOOD DENSITY

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к ультразвуковым способам и устройствам измерения плотности древесины и может найти применение в отраслях промышленности, связанных с добычей, транспортировкой и переработкой лесоматериалов и пиломатериалов.
Известно, что в лесной и деревообрабатывающей промышленности возможность измерять плотность древесины без ее повреждения приобретает все большее значение. Определение плотности древесины становится важным фактором как на стадии вырубки леса, так и при определении цены древесины, которая в зарубежных странах устанавливается преимущественно на основании ее плотности. Дальнейшее использование древесины на лесопильных заводах также связано с определением ее плотности, так как правильное ее определение позволяет отбраковывать лесоматериалы и пиломатериалы (кругляк, брус, доски и т.д.), имеющие дефекты структуры.
Известен способ по патенту РФ №2282849, МПК G01N 29/00, G01N 33/46, опубликованному 27 августа 2006 года на изобретение: "Способ ультразвукового испытания древесины круглых лесоматериалов", который включает размещение датчиков ультразвукового прибора относительно параллельных боковых поверхностей без коры поперек бревна или бруса, при этом измерение ультразвуковых параметров древесины проводят несколько раз, переставляя датчики ультразвукового прибора вдоль бревна или бруса, а для оценки качества древесины используют среднее арифметическое значение из нескольких замеров.
Известное техническое решение основано на том, что ультразвуковое прозвучивание осуществляют лишь в отдельных точках, причем датчики ультразвукового прибора размещают поперек бревна, при этом не учитываются неоднородности структуры круглой древесины по всей ее длине, что приводит к значительным погрешностям в измерении и не обеспечивает необходимой точности измерения плотности круглых лесоматериалов.
Наиболее близким аналогом к заявляемым в качестве изобретения способу и устройству является техническое решение, описанное в патенте №2182703, МПК G01N 9/24, G01N 23/06, опубликованном 20 мая 2002 года и основанном на заявке PCT SE 97/00464 на изобретение: "Устройство и способ измерения плотности".
Известный способ измерения плотности включает распространение электромагнитных лучей через подлежащий измерению объект и измерение интенсивности излучения на стороне выхода лучей из подлежащего измерению объекта. Протяженность объекта измеряют вдоль пути прохождения излучения через подлежащий измерению объект, при этом излучение производится, по меньшей мере, на двух различных длинах волн.
Известное устройство измерения плотности содержит, по меньшей мере, один излучатель для испускания электромагнитного излучения и, по крайней мере, один приемник для измерения интенсивности излучения, расположенный так, чтобы поглощать излучение от источника излучения и подсоединенный к блоку вычисления. Устройство испускает излучение, по меньшей мере, на двух длинах волн и содержит средство измерения для определения протяженности объекта между излучателем и приемником.
Известные технические решения основаны на том, что излучатель и приемник размещают поперек бревна, при этом не учитываются неоднородности структуры древесины по всей ее длине, что приводит к значительным погрешностям в измерении и не обеспечивает необходимой точности измерения плотности лесоматериалов и пиломатериалов.
Задачей заявляемого изобретения является создание способа и устройства, обеспечивающих высокую точность измерения плотности древесины.
Технический результат достигается тем, что в способе определения плотности древесины, основанном на измерении протяженности подлежащего измерению образца древесины, согласно изобретению предварительно вычисляют коэффициенты, определяющие зависимость плотности древесины подлежащего измерению образца древесины от скорости распространения ультразвуковых колебаний для конкретной породы древесины с учетом ее влажности, осуществляют продольно-поперечное ультразвуковое прозвучивание измеряемого образца древесины, измеряют время прохождения ультразвуковых колебаний через подлежащий измерению образец древесины, при этом измерение протяженности подлежащего измерению образца древесины между излучателем и приемником, а также времени прохождения ультразвуковых колебаний через подлежащий измерению образец древесины осуществляют в продольно-поперечном направлении с учетом постоянной базовой продольной длины измеряемого образца древесины и переменной величины торцевой части подлежащего измерению образца древесины, с учетом протяженности измеряемого образца древесины и времени прохождения ультразвуковых колебаний через подлежащий измерению образец древесины определяют скорость распространения ультразвуковых колебаний в подлежащем измерению образце древесины и определяют плотность древесины с учетом полученной скорости распространения ультразвуковых колебаний и предварительно полученных коэффициентов, определяющих зависимость плотности от скорости распространения ультразвуковых колебаний в конкретной породе древесины с учетом ее влажности.
Технический результат достигается тем, что в устройстве определения плотности древесины, содержащем измеряемый образец древесины, излучатель, приемник, преобразователь и вычислительный блок, а также средство измерения для определения протяженности измеряемого образца древесины между излучателем и приемником, согласно изобретению, излучатель и приемник выполнены в виде ультразвуковых датчиков, оснащенных заостренными наконечниками, закрепленными в торцевой части датчиков, а средство измерения для определения протяженности измеряемого образца древесины выполнено в виде угольника, образованного жестко скрепленными между собой планками, расположенными перпендикулярно относительно друг друга, с установленными на них излучателем и приемником, при этом излучатель жестко закреплен на продольной планке угольника с учетом постоянной базовой продольной длины измеряемого образца древесины, а приемник установлен на поперечной планке угольника с возможностью перемещении по ней с учетом переменной величины торцевой части подлежащего измерению образца древесины.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
- на фигуре 1 представлена блок-схема устройства, реализующего заявленный способ,
- на фигуре 2 представлена схема, иллюстрирующая расположение излучателя и приемника при продольно-поперечном прозвучивании.
В соответствии со схемой, представленной на фигуре 1, устройство для определения плотности древесины содержит измеряемый образец древесины 1, излучатель 2, а также последовательно соединенные приемник 3, блок преобразования 4 и вычислительный блок 5, а также средство измерения для определения протяженности измеряемого образца древесины между излучателем 2 и приемником 3. Излучатель 2 и приемник 3 выполнены в виде ультразвуковых датчиков, оснащенных заостренными наконечниками 6, закрепленными в торцевой части датчиков, а средство измерения для определения протяженности измеряемого образца древесины между излучателем 2 и приемником 3 выполнено в виде угольника, образованного жестко скрепленными между собой планками 7, 8, расположенными перпендикулярно относительно друг друга, с установленными на них излучателем 2 и приемником 3, при этом излучатель 2 жестко закреплен на продольной планке 7 угольника с учетом постоянной базовой продольной длины измеряемого образца древесины, а приемник 3 установлен на поперечной планке 8 угольника с возможностью перемещении по ней с учетом переменной величины торцевой части подлежащего измерению образца древесины.
Способ осуществляют следующим образом.
а
а
угл
угл
Предварительно вычисляют коэффициенты, определяющие зависимость плотности измеряемого образца породы древесины от скорости распространения ультразвуковых колебаний на основе прямых измерений плотности и скорости распространения ультразвуковых колебаний в этом образце. Затем устанавливают на измеряемый образец древесины 1 средство измерения для определения протяженности измеряемого объекта с закрепленными на нем излучателем 2 и приемником 3 ультразвуковых колебаний на измеряемый образец древесины (фиг.2), в качестве которого в приведенном примере используют круглый лесоматериал, таким образом, чтобы заостренные наконечники 6 углубились в древесину на 1-3 мм. Постоянную базу, равную в приведенном примере 50 сантиметрам, располагают вдоль волокон измеряемого образца древесины 1. Переменную базу выставляют в зависимости от диаметра торца измеряемого образца древесины 1, излучатель 2 и приемник 3 ориентируют перпендикулярно поверхностям измеряемого образца древесины 1. При выполнении измерений осуществляют сквозное прозвучивание в продольно-поперечном направлении. Расчет скорости производят в вычислительном блоке 5 по результатам измерения времени и протяженности измеряемого образца древесины между излучателем 2 и приемником 3. Результат измерения скорости переводят в значение плотности в соответствии с ранее полученными коэффициентами, определяющими зависимость плотности древесины подлежащего измерению образца древесины от скорости распространения ультразвуковых колебаний для конкретной породы древесины с учетом ее влажности. Так, в таблице приведены примеры расчета плотности для трех пород древесины (ели, сосны и ольхи), полученные с учетом влажности древесины, по формуле: ρ=С+в, где , в - коэффициенты, определяющие зависимость плотности измеряемого образца породы древесины от скорости распространения ультразвуковых колебаний на основе прямых измерений плотности и скорости распространения ультразвуковых колебаний в этом образце, С - скорость ультразвуковых колебаний.
Таблица
Тип древесины
влажность W, %
30-100
Ель
ρ=<i>а</i>С<sub>угл</sub>+в
ρ=0,0579С<sub>угл</sub>+664,51
Сосна
ρ=<i>а</i>С<sub>угл</sub>+в
ρ=0,0450С<sub>угл</sub>+803,84
Ольха
ρ=<i>а</i>С<sub>угл</sub>+в
ρ=0,0603С<sub>угл</sub>+566,58
угл
3
В соответствии с заявляемым способом определяли плотность древесины ели неокоренной при влажности, равной 40 процентам, с постоянной базой измерений, равной 50 сантиметрам, переменной базой, равной 30 сантиметрам, при этом время распространения ультразвуковых колебаний составило 92,2 мкс, скорость ультразвуковых колебаний С составила 3350 м/с. При этом плотность древесины составила 748 кг/м.
Преимущество заявляемых технических решений заключается в том, что они обеспечивают более высокую точность определения плотности с учетом влажности и породы древесины за счет продольно-поперечного прозвучивания.
Заявляемые в качестве изобретения технические решения могут быть реализованы при помощи серийно производимых технических средств.