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

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при исследовании процессов массопереноса для определения коэффициента диффузии в строительных изделиях из капиллярно-пористых материалов, а также в пищевой, химической и других отраслях промышленности.
51
Известен способ определения коэффициента массопроводности и потенциалопроводности массопереноса (А.С. 174005, кл. G 01 k N 421, 9, 1965), заключающийся в импульсном увлажнении слоя материала и измерении на заданном расстоянии от этого слоя изменения влагосодержания материала во времени. Коэффициент массопроводности вычисляется по установленной зависимости. Недостатком этого способа являются осуществление разрушающего контроля опытного образца при размещении датчиков во внутренних слоях исследуемого тела, невозможность определения коэффициента диффузии других растворителей, кроме воды, большая трудоемкость метода при подготовке образцов, необходимость индивидуальной градуировки датчиков по каждому материалу.
Наиболее близким является способ определения коэффициента диффузии растворителей в массивных изделиях из капиллярно-пористых материалов (патент РФ на изобретение № 2492457, G 01 N 27/26, 15/08, 10.09.2013, Бюл. № 25), заключающийся в создании в исследуемом изделии равномерного начального содержания распределенного в твердой фазе растворителя, приведении плоской поверхности изделия в контакт с импульсным точечным источником растворителя, гидроизоляции этой поверхности, расположении электродов гальванического преобразователя на этой поверхности по концентрической окружности относительно точки импульсного воздействия, определении времени достижения максимума ЭДС гальванического преобразователя и расчете по нему коэффициента диффузии 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 капиллярно-пористых материалов.
Техническая задача достигается тем, что в способе определения коэффициента диффузии в массивных изделиях из капиллярно-пористых материалов, имеющих по крайней мере одну плоскую поверхность (например, цементные или гипсовые плиты), включающем создание в исследуемом изделии равномерного начального содержания распределенного в твердой фазе растворителя, приведении плоской поверхности изделия в контакт с импульсным точечным источником растворителя, гидроизоляции этой поверхности, расположении электродов гальванического преобразователя на этой поверхности по концентрической окружности относительно точки импульсного воздействия, фиксировании момента времени достижения заданного значения сигнала гальванического датчика и расчета коэффициента диффузии.
1
2
1
2
e
E
E
E
В отличие от прототипа (патент РФ на изобретение № 2492457, G 01 N 27/26, 15/08, 10.09.2013 Бюл. № 25) измеряют изменение во времени сигнала дополнительного гальванического датчика, электроды которого располагают на этой поверхности по концентрической окружности относительно точки импульсного воздействия 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 электродами соответственно первого и второго гальванического преобразователя и точкой воздействия дозой растворителя на поверхность контролируемого изделия;  - максимально возможное значение сигнала датчиков, соответствующее переходу растворителя из области связанного с твердой фазой исследуемого материала в область свободного состояния.
1
2
Сущность предлагаемого способа заключается в следующем: к плоской поверхности изделия с равномерным начальным распределением растворителя (в том числе и нулевым) прижимается зонд с импульсным точечным источником дозы растворителя и расположенными на двух концентрических окружностях разного диаметра относительно точки импульсного воздействия на изделие электродами двух гальванических преобразователей. После импульсной подачи дозы растворителя в точку на поверхности изделия зонд обеспечивает гидроизоляцию поверхности изделия в зоне действия источника растворителя и прилегающей к ней области контроля распространения диффузанта. После подачи импульса растворителя (мгновенного увлажнения точки на поверхности изделия) фиксируют два момента времени τ и τ, при которых достигаются равные значения сигнала гальванического преобразователя на нисходящих ветвях кривых изменения сигналов во времени двух датчиков, рассчитывают коэффициент диффузии растворителя в исследуемом материале по установленной зависимости, что обеспечивает повышение точности контроля.
r
r
2
2
Процесс распространения растворителя в массивном изделии из капиллярно-пористых материалов (при условии, что минимальные размеры изделия относительно точки импульсного воздействия превышают 10 , где  - расстояние от точки импульсного воздействия до электродов наиболее удаленного от нее гальванического преобразователя) после нанесения такого импульса описывается краевой задачей массопереноса в неограниченной среде при нанесении импульсного воздействия от точечного источника массы.
Вэтом случае изменение концентрации растворителя в капиллярно-пористом материале в зоне действия источника описывается функцией:
,   (1)
r
;
D
Q
где  - концентрация растворителя на поверхности сферы радиусом  относительно точки импульсного подвода дозы растворителя к образцу в момент времени τ - коэффициент диффузии растворителя;   – плотность абсолютно сухого исследуемого материала;  – количество жидкой фазы, подведенной из дозатора к плоской поверхности изделия исследуемого капиллярно-пористого материала.
D
Коэффициент диффузии растворителя  при организации данного процесса массопереноса в изделии связан соотношением:
,     (2)
max
0
0
U
r
r
где τ – время, соответствующее максимуму на кривой (,τ) изменения концентрации на расстоянии от источника.
r
U
r
r
0
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 точечного 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.
3
-5
-9
2
x
x
E
1
2
1
2
e
1
2
Пример. Были проведены исследования коэффициента диффузии этанола в плитах, отформованных из пеногипсобетона, толщиной 50 мм, плотностью в сухом состоянии 600 кг/м. Расстояние от точки нанесения дозы растворителя до расположения электродов гальванических преобразователей: =4 мм и =5 мм. Вносимая доза влаги составляла приблизительно 2×10 кг. Расчетное значение ЭДС, соответствующее моментам времени τ и τ, выбиралось приблизительно равным 0,8  (фигура 1). В результате получены следующие значения: τ=3995 с и τ=3437 с. Рассчитанное по (6) значение коэффициента диффузии равно ≈ 3.62×10 м/с.
Проведенные экспериментальные исследования показали, что случайная погрешность результата определения коэффициента диффузии влаги при доверительной вероятности  составляет ≈ 8 %. Длительность эксперимента не превышает 80 минут.