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

Реферат: UA 74616 U UA 74616 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до деревинознавства і може бути застосована 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 неодноразової зміни кліматичних умов. За кожної зміни температури або вологості зразок потребує час для переходу в стан, для якого властиві стаціонарні (рівномірні) розподіли температури та вологості та зумовлених ними інших властивостей на усьому об'ємі зразка. Для вивчення процесів теплопереносу, водо- і паропроникності 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 виді не вирішена. Відомі методи розрахунку температури та вологості всередині твердого тіла для окремих випадків. Найближчим аналогом пропонованого способу є відомий розрахунковий спосіб, що ґрунтується 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 настання 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 вимірювань підготовки 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 розрахункові методи та значно ускладнює розрахунки. 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 привести до незворотних змін властивостей матеріалу. Випробування зразків матеріалу пов'язане з багаторазовою зміною кліматичних параметрів і 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. Поставлена задача вирішується тим, що для визначення тривалості перехідного процесу розподілу вологості та температури пропонується спосіб, у котрому використовують операції вимірювання та обчислення, згідно з корисною моделлю, зразок споряджають електродами, під час зміни стану зразка періодично вимірюють електричний струм між електродами, провідність або опір і визначають величину швидкості зміни контрольованого параметру за одиницю часу, а досягнення стаціонарного розподілу визначають за величиною цієї швидкості. Стан зразка можливо контролювати за любим з взаємозумовлених перелічених параметрів: (1) I W, t   u / R W, t   UG W, t  де: I W, t  - електричний струм через зразок; 1 UA 74616 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 W - вологість зразка; t - температура зразка; U - напруга прикладена до зразка; R W, t  - електричний опір зразка; GW, t  - електрична провідність зразка. Пропонований спосіб ґрунтується на нелінійній залежності електричних параметрів деревини від вологості та температури [4]. Завдяки нелінійній залежності опір зразка визначається не тільки кількістю вологи або теплоти у зразку, але й їх розподілом. 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. Електричний опір деревини має активну та ємнісну складову і в загальному виді може розглядатися як комплексний. Провідність, опір та електричний струм усього зразка залежить від рівня і розподілу вологості та температури в об'ємі зразка. Щоб електроди не впливали на розподіл вологості та температури у зразку, їх можна накладати тільки на час вимірювання, або виконати у виді сітки. Отриманий висновок підтверджується експериментальними даними, представленими на кресленні, де 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 %. Безперервне природне висушування мокрого зразка у ненасиченому вологою середовищі пояснює постійне зменшення струму, а стрімке збільшення струму викликане перерозподілом вологості у зразку. У точці максимуму залежності вплив повільного висихання зразка на струм зрівнявся з впливом перерозподілу вологи у зразку. Подальший спад струму, як і не рівномірності розподілу вологи, визначається процесами сушіння, а не перехідним процесом. У випадку рівноважної вологості зразка (W