Безконтактний спосіб визначення часу досягнення стаціонарного розподілу вологості та температури в об’ємі зразка матеріалу

Реферат: UA 74543 U UA 74543 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до деревинознавства і може бути застосованою для підвищення ефективності кліматичних випробувань деревини та інших пористих, волокнистих та гігроскопічних матеріалів, електричний опір яких залежить від вологості та температури. Під час дослідження впливу кліматичних умов на властивості зразка матеріалу виникає необхідність багаторазової їх зміни. За кожної зміни температури або вологості зразок потребує час для переходу в стан стаціонарного (рівномірного) розподілу цих параметрів та зумовлених ними інших властивостей на усьому об'ємі зразка. Для вивчення процесів теплопереносу, водо- і паропроникливості матеріалів також потрібно визначити момент часу встановлення стаціонарного (але у цьому випадку вже нерівномірного) розподілу температури та вологості в об'єкті дослідження. Методи оцінки часу досягнення стаціонарного розподілу вологості та температури в об'ємі зразка матеріалу (далі - тривалості перехідного процесу) експериментальними неруйнівними методами розроблені недостатньо. Для рішення розрахунковими методами ця задача потребує аналізу великої кількості початкових та граничних умов і в загальному вигляді не вирішена. Відомі методи розрахунку температури та вологості в середині твердого тіла для окремих випадків. Найближчим аналогом пропонованого способу є відомий розрахунковий спосіб, що ґрунтуються на рівнянні теплопровідності та диференційному рівнянні Фур'є [1]. Після вимірювань параметрів зовнішнього середовища і зразка та проведення за цим способом розрахунків температур множини точок зразка для різних моментів можливо оцінити час досягнення стаціонарного розподілу температури у зразку за визначених початкових та граничних умов. Точний розв'язок рівняння Фур'є практично неможливий через складність визначення початкових та граничних умов [1]. Для двох випадків одновимірного тіла - необмеженої пластини та необмеженого циліндра, за певних температурних умов та початкового стану зразка можливо скористатися номограмами О.В. Ликова для розрахунку наближеної температури вибраної точки [1]. Визначена у такий спосіб тривалість перехідного процесу має розрахунковий, оціночний характер, не підтверджений контролем фізичного стану зразка. Відомі також розрахункові способи визначення тривалості перехідного процесу при зміні вологості: сушінні пиломатеріалів і колод до рівня заданої середньої вологості [2] або за їх намочуванні [3]. Ці способи так само потребують громіздких обчислень, також виходять з початкових та граничних умов, що не точно визначені, і дають оціночний результат. Розрахункові способи визначення тривалості перехідного процесу за одночасної зміни і вологості, і температури відзначаються ще більшою складністю і потребують значного часу підготовки, вимірювань та проведення потрібних обрахунків. Характер зміни і час встановлення заданих кліматичних умов у камері для випробувань зразка залежить від багатьох параметрів зовнішнього середовища, властивостей механізмів камери та використаних режимів її експлуатації. Врахування цих змін для кожного експерименту вносить індивідуальні особливості в обрахунки значень температури та вологості та значно ускладнює їх. Ще одним недоліком відомих способів є орієнтовний розрахунковий характер визначення тривалості перехідного процесу як наслідок використання наближених оцінок температури, відмінністю характеру зміни зовнішніх умов в часі від обумовлених при пошуку рішення рівнянь, ігнорування індивідуальних властивостей зразка і його матеріалу, форми зразка та інших вагомих факторів. У таких розрахунках або використовують типові параметри матеріалу, або виникає необхідність у додаткових випробуваннях для визначення параметрів матеріалу конкретного зразка, в ході яких вологісно-температурний стан зразка змінюється, що може призвести до незворотних змін властивостей матеріалу. Невірно визначена тривалість перехідного процесу загрожує або недосягненням стаціонарного розподілу і отриманням в експерименті невірних даних, або збільшенням фінансових витрат і часу випробувань. Тому підвищення точності визначення тривалості перехідного процесу актуальне для проведення випробувань. В основу корисної моделі поставлена задача визначення часу досягнення стаціонарного розподілу вологості та температури в об'ємі зразка матеріалу пропонується спосіб, заснований на використанні вимірювань та обчислень, який відрізняється тим, що зразок розташовують у зоні магнітного поля електромагніту, за допомогою якого створюють у зразку змінне магнітне поле, вимірюють величину активних втрат у колі електромагніту, а ступінь досягнення стаціонарного розподілу визначають за припиненням зміни у часі величини активних втрат. Поставлена задача вирішується тим, що ґрунтується на використанні струмів Фуко як індикатора активного електричного опору матеріалу зразка. Змінне магнітне поле викликає індукцію електрорушійної сили (ЕРС), яка породжує у провідному середовищі матеріалу зразка 1 UA 74543 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 вихрові струми. Ці струми, долаючи опір матеріалу, викликають втрати енергії магнітного поля. Величину цих втрат можна виміряти ватметром. Частіше втрати енергії в котушці електромагніту характеризують косинусом кута зсуву фаз напруги та струму [4]: (1) Pa=I*U*cos ; де: Ра - потужність втрат енергії в котушці електромагніту; І та U - струм через котушку та напруга на котушці електромагніту;  - кут зсуву фаз напруги та струму. Цей кут можливо також визначити з трикутника опорів (2); tn =Ra/L де:  - кут зсуву фаз напруги та струму в котушці електромагніту; Rа - еквівалентний опір втрат енергії в котушці електромагніту; L - індуктивність котушки;  - кутова частота струму. Вимірювання зсуву фаз за допомогою фазометра середнього значення може бути виконане з вищою точністю [5], ніж вимірювання втрат енергії ватметром, тому саме цей спосіб більш придатний для визначення тривалості перехідного процесу. Активний електричний опір деревини нелінійно залежить від вологості та температури [6]. Завдяки нелінійній залежності опору зразка величина втрат визначається не тільки кількістю вологи або теплоти у зразку, але й розподілом їх. На кресленні зображено експериментально отримані залежності струмів через зразок деревини сосни розмірами 20 × 20 × 100 мм середньою вологістю 41 % за температури 40 °C під час перерозподілу вологи у зразку внаслідок збільшення вологості середовища з 75 % до 90 %. Для деревини, як анізотропного матеріалу, розрізняють поздовжню, радіальну та тангентальну провідність. На верхньому графіку креслення відображаються зміни радіального струму за час досягнення стаціонарного розподілу вологості у зразку, на середньому тангентального, на нижньому - повздовжнього. У деревині з вологістю понад 30 % електричний опір деревини змінюється значно менше ніж в діапазоні від 0 до 30 % [7]. Але навіть у цьому випадку, як видно на кресленні, отримані залежності засвідчують п'ятикратну зміну провідності зразка під час незначного перерозподілу вологи без суттєвої зміни середньої вологості зразка. Струми Фуко пропорційні до швидкості зміни магнітного поля, яка визначає індуковану ЕРС, і провідності матеріалу також змінюються у такому ж діапазоні. Щоб оцінити межі зміни кута втрат достатньо проаналізувати формулу (2). Магнітна проникливість води становить 0,999991 [8] і практично не залежить від температури в діапазоні використання деревини. Тому кількість вологи і теплоти в зразку деревини та їх розподіл практично не впливають на індуктивний опір котушки L. Відносно великий опір деревини забезпечує невеликі значення еквівалентного опору втрат енергії в котушці електромагніту, і відповідно, невеликі значення кута зсуву фаз напруги та струму котушки. Для малих значень кута зсуву фаз має місце відношення (3); tn  де:  - кут зсуву фаз напруги та струму в котушці електромагніту (рад). Для випадку змін активного опору зразка, внаслідок перерозподілу вологи або температури, кут зсуву фаз  буде змінюватись пропорційно до опору (2, 3). Таким чином змінам розподілу вологи або температури в об'ємі зразка відповідають зміни величини активних втрат у колі електромагніту, і кута зсуву фаз напруги та струму в котушці електромагніту. З закінченням вологісно-температурного перерозподілу припиняються зміни величини втрат. Щоб виділення тепла від наведених струмів не змінювало температуру зразка вимірювання слід обмежити потужність магнітного поля. Пропонований експериментальний спосіб дозволяє визначити час досягнення стаціонарного розподілу одночасно і вологості, і температури в об'ємі зразка матеріалу за фізичними параметрами стану зразка. Контроль фізичного параметру дозволяє автоматично здійснювати корекцію на індивідуальні особливості та розміри зразка, реальний перехідний процес зміни кліматичних умов у середовищі, початкові та граничні умови, що склалися в ході дослідження. Додатково пропонований метод дозволяє визначити тривалість перехідного процесу без механічного контакту зі зразком. Це дає можливість контролювати розподіл вологи та температури у зразку без змін умов тепло- та вологообміну зразка, а також виконувати зважування зразка для визначення поточної середньої вологості матеріалу. Додатково, завдяки залежності провідності від фазового стану води пропонований спосіб можна використати для контролю за процесом замерзання вологи, що міститься в матеріалі, навіть за незначних коливань температури. 2 UA 74543 U 5 10 15 20 25 Додатково, вибором розмірів, форми та положення електромагніту можна змінювати чутливість пропонованого способу до нерівномірності розподілу вологості та температури в об'ємі зразка. Джерела інформації: 1. Білей П.В. Теоретичні основи теплової обробки і сушіння деревини (Монографія). – Коломия: Вік, 2005; 2. Леонтьев Н.Л. Влияние влажности на физико-механические свойства древесины. Москва: ГОСЛЕСБУМИЗДАТ, 1962; 3. Режимы и проведение камерной сушки пиломатериалов / П.С. Серговский. - М.: Лесная промышленность, 1976; 4. Гершензон Е.М. Курс общей физики: Электродинамика. - М.: Просвещение, 1990; 5. Поліщук Є.С., Дорожовець М.М., Яцук В.О. та ін. Метрологія та вимірювальна техніка: Підручник За ред. проф. Є.С. Поліщука. - Львів: Бескид Біт, 2003; 6. Шергунова Н.А. Повышение надежности воздушных линий электропередачи распределительных сетей. - М.: Энергоатомиздат, 2006; 7. Деревинознавство / Вінтонів І.С, Сопушинський І.М., Тайшінґер А., РВВ УкрДЛТУ. - Львів, 2005; 8. Кузмичев В.Е. Законы и формулы физики. - Киев: Наук. Думка, 1989. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Безконтактний спосіб визначення часу досягнення стаціонарного розподілу вологості та температури в об'ємі зразка матеріалу, який відрізняється тим, що зразок розташовують у зоні магнітного поля електромагніта, за допомогою якого створюють у зразку змінне магнітне поле та вимірюють величину активних втрат у колі електромагніту, а встановлення стаціонарного розподілу вологості та температури визначають за припиненням зміни у часі величини активних втрат у колі електромагніту. Комп’ютерна верстка М. Ломалова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3