Искусство влагометрии твердых и сыпучих материалов

6. Деформативность древесины

Из книг Б. Н. Уголева по развитию напряжений в древесине при сушке. При разрешении различных конфликтов при определении показателей качества древесины необходимо учитывать деформативность древесины и причины, связанные с влагообразованием. Процесс сушки древесины протекает при неравномерном распределении влажности по всему объему материала. Наличие неравномерного поля влажности, возникающего с самого начала процесса, приводит к созданию неоднородного деформированного состояния из-за неравномерной усушки и является первопричиной образования внутренних напряжений. Внутренние напряжения рассматриваются как совокупность – влажностных и остаточных напряжений.

Влажностные напряжения вызваны неоднородной усушкой материала, обусловленной в свою очередь неравномерным распределением в нем гигроскопической влаги. Эти напряжения, обусловленные упругими деформациями, относятся к категории временных; они исчезают при выравнивании влажности по объему (сечению) сортимента.

Остаточные напряжения обусловлены появлением в древесине неоднородных остаточных деформаций. Остаточные напряжения имеют место во время сушки и после ее полного завершения при выровненной по сечению доски влажности.

Поэтому не всегда деформация в древесине будет происходить по вине недосушки и имеющегося перепада по влажности, что часто ставится в вину тем, кто поставляет и использует древесину. В процессе деформирования заложен более сложный механизм, чем это кажется на первый взгляд и бытующее мнение о значимости влажностных напряжений значительно преувеличено.

На рис. 6.1.показана диаграмма изменения влажности и напряжений в процессе сушки древесины. Мы видим, что влажностные напряжения в процессе выхода влаги из древесины сводятся к нулю, а в то же время остаточные напряжения остаются и уменьшаются до конечной величины.

Рис. 6.1. Диаграмма изменения влажности и напряжений в процессе сушки пиломатериалов.

Таким образом во втором периоде сушки остаточные напряжения превышают влажностные и результирующие полные напряжения, имея знак большей составляющей, стремятся к величине остаточных напряжений.

7. Влажность и реклама

В средствах массовой информации часто поставщики пилопродукции, стремясь выразить свою индивидуальность, некорректно рекламируют свою продукцию. Тем самым они неосознанно подрывают престиж российского качества, так как эта информация анализируется на мировых интеллектуальных рынках. Не стремясь дискредитировать своих коллег, мы представляем свой взгляд на такую рекламу.

7.1. Все доски абсолютно сухие. Такие доски можно получить, если сушить согласно методик по определению влажности при температуре 102 град до постоянного веса, удалив всю связанную влагу. В этом случае при механической обработке такие доски впоследствии наберут влагу до эксплуатационной. Это сильно повлияет на шероховатость и чистоту поверхности. Такая технология создает значительные неоправданные затраты на сушку и передержку древесины, так как процесс вытеснения оставшейся влаги очень длительный.

7.2. Качество отличное

Необходимо знать, что существует 5 категорий качества сушки, которые определяются соответствующими влагомерами.

Если на данном предприятии нет таких приборов, то ни о каком отличном качестве не может быть и речи.

7.3. Пиломатериалы прямо из сушки. В них влага распределена неравномерно и имеют место значительные напряжения.

7.4. Гарантированный процент влажности. Такое условие практически невыполнимо. Так как даже при подготовке образцов для градуировки невозможно заранее создать образцы с требуемой влажностью. Влажность взаимосвязана с плотностью. Кроме того, при таких операциях, проводимых в лабораторных условиях, древесину сперва высушивают до 0 % влажности и затем увлажняют, добавляя требуемую влагу.

8. Ошибки при измерении влажности

В практике подобного бизнеса имеют место конфликтные ситуации, связанные с измерением влажности из-за того, что пользователи измеряют разными влагомерами. Рассмотрим и проанализируем характерные ситуации, корректировка которых поможет найти компромисс.

Исследования технологии контроля с Ивлаг показывает, что одни измеряют влажность только с торцов и по поверхности штабеля. Другие делают несколько замеров и полагают, что этого достаточно для определения средней влажности в партии. Последние ближе к истине, но и они не правы. Третьи полагают, что ИВлаг не обладают Погр и являются образцовыми для всех остальных. Естественно, что и они не правы.

Главная ошибка состоит в том, что пользователи недостаточно полно представляют характер распределения влажности в древесине и тем более взаимодействие чувствительных элементов Влаг с древесиной. Это было связано с тем, что традиционно разработчики влагомеров не представляли реальную картину процесса измерения. Но развитие конкуренции и ее ужесточение потребовало расширения знаний в этой части не только разработчиков, но и пользователей.

8.1. Для любого Влаг в Техническом описании (ТО) приводится основная абсолютная погрешность (Погр), измерямая в процентах влажности, например, δ = ±2,0 %. Это означает, что при соблюдении нормальных условий эксплуатации влагомеров ошибка измерения с вероятностью Р=0,95 окажется в пределах

δ = ±2,0 %.

Иногда приводится абсолютная среднеквадратическая Погр. Для приведенного примера она будет ±1,0 %. и означает, что с вероятностью 0,68 ошибка не превышает ±1,0 %.

Часто вместо этой Погр в зарубежных Влаг указывается: Resolution: 0,1 % М. С.

Это показатель разрешающей способности Влаг. Он никакого отношения к Погр не имеет. Он показывает аппаратурную Погр при подключении имитатора влажности, который рекомендует фирма-изготовитель данного Влаг. Использование такого имитатора для другого влагомера уже непригодно.

8.2. Диапазон измерения – это область влажностей для которых приведена основная Погр. Если Погр не определена для какого-либо диапазона, это должно быть оговорено словами " не нормируется" либо какими-нибудь другими словами.

При приобретении покупателями игольчатого Влаг (ИВлаг), т. е. такого у которого влажность определяется по электрическому сопротивлению древесины, необходимо знать, что эти Влаг по своему принципу не могут измерять влажность ниже 8 %. Если в паспорте указан, например, диапазон (4–60)%, то стоит усомниться в достоверности характеристики. Для измерения влажности в диапазоне от 0 % и выше пригодны диэлькометрические, инфракрасные, сверхвысокочастотные и некоторые другие Влаг.

Во всем диапазоне от 0 % и выше измеряют влажность все Влаг прямого измерения, основанные на методе высушивания.

Технические данные обычно приводятся для нормальных условий и равномерно распределеной влажности по объему материала. Если эти условия не выполняются, то и Погр может оказаться выше, приведенной в паспорте. Поэтому в паспорте иногда указывают дополнительную Погр или несколько доп. Погр, связанных как правило с изменением какого-либо фактора в условиях эксплуатации.

Например, доп. Погр δ = 0,5 % / 10 градС. Это означает, что при отклонении температуры от нормальной дополнительная погрешность составляет 0,5 % на каждые 10 градС.

9. Миф о точности игольчатой влагометрии

В качестве датчиков (преобразователей влажности) применены иглы. Поэтому кондуктометрические Влаг называют игольчатыми (ИВлаг).

Они широко распространены в мире. Выпускаются они и в России. Наиболее известны влагомеры со светодиодной шкалой. Есть влагомеры с цифровой шкалой и стрелочным индикатором. За рубежом спектр различных игольчатых влагомеров еще шире. на рис. 9.1. представлены наиболее распространенные типы датчиков.

Рис. 9.1. Конструкции игольчатых датчиков

1 – трехигольчатый, 2 – двухигольчатые, 3 – с изолированными электродами.

Длинные и короткие датчики с разными глубинами проникновения и расстояниями между иглами и их количеством захватывают разные объемы древесного вещества и следовательно показывают разные значения влажности.

Теперь рассмотрим как возникает конфликтная ситуация во время контроля влажности.

Например, Поставщик производит замер влажности с помощью трехигольчатого датчика с глубиной проникновения на 10 мм, а Приемщик измеряет с двухигольчатым датчиком с иглами длиной 30 мм доски толщиной 60 мм. При этом длинные иглы, проникая определяют недосущенные участки и в результате этого фактически бракуется вся партия досок. Но на самом деле все выглядит намного сложнее, чем это представляют две конфликтующие стороны.

Рассмотрим процедуру измерения, используя контрольные замеры с помощью датчика с изолированными иглами. Процедура измерения представлена на рис. 9.2. Иностранный Влаг, который был использован для эксперимента считается на рынке влагомеров одним из лучших. Он имеет изолированные иглы, оголенные на концах. Это позволяет измерять перепад по влажности в доске на любой толщине. Иглы достаточно длинные. Контрольные замеры дали следующие показатели по глубине проникновения 9 %, 12,1 %, 13,5 %, 14 %.

Мы видим, что при глубине проникновения на двух уровнях средняя влажность равна примерно Wср1=(9+12,1)/2=10,5 %. В тоже время на глубине она равна примерно Wср2=(13,5+14)/2= 13,7 %. Общее же значение будет равно примерно Wср3=(9+12,1+13,5+14)/4= 12,1 %.

Этим примером мы показываем, что даже правильно измеряя влажность одним и тем же влагомером мы получаем разные значения.

Так и Погр в распределении влажности с поверхности по слоям распределяется по отношению к средней:

dW1=-3,1 %, dW2=0 %, dW3=1,4 %, dW4=1,9 %.

Так какую же влажность брать за основу при таком замере?

Для расширения понятия о влажности, мы вводим такие термины как:

– действительная влажность – это реальная влажность, которая определяется при контроле с использованием метода высушивания.

– интегральная (средняя влажность) – она стремится к действительной влажности и определяется как среднее, состоящее из выборочных замеров с определенным числом. Этот параметр образуется в результате многократных замеров больших объемов пиломатериалов.

– дифференциальная влажность – это влажность, которая имеется в очень малом объеме древесины и определяется с применением метода высушивания.

Рис. 9.2. Процедура измерения влажности Ивлаг с изолированным иглами.

Для точного измерения и юридически обоснованного способа измерения влажности необходимо использовать только прямой метод – метод высушивания. В этом случае усредненное значение будет равно примерно 12 %.

10. Пример построения градуировочной характеристики

В связи с тем, что многие не особенно хорошо представляют построение статических (градуировочных) Град хар-к Влаг, то в данном выпуске мы покажем кратко как это сделать.

Град хар-ки необходимо строить при возникновении сомнений в показаниях данного Влаг, либо для случаев, когда для данной породы хар-ка не приводится.

Необходимо отметить, что построение Град хар-ки требует большой тщательности и аккуратности, грамотного выбора (в соответствии с ГОСТ 16588–79) класса весов, сушильного шкафа, образцов древесины. Количество образцов должно быть не менее 20 штук для каждой точки диапазона. Существует множество «мелочей», не соблюдение которых может свести на «нет» всю работу по градуировке. Поэтому лучше эту работу доверить специалистам.

Образование суммарной Погр от измерения влажности эталонным способом представлено на рис. 10.

Рис. 10. Процедура образования суммарной Погр при измерении влажности эталонным методом.

Δm1 – изменение влажности при транспортировке образца,

Δm2 – Погр при взвешивании,

Δm3 – изменение веса при взвешивании,

Δm4 – Погр при изменении температуры сушки от 90 до 160 град С изменяется от +0,4 до – 1,25%W, включается удаление летучих и вытекание смол,

Δm5 – поглощение влаги из окружающей среды и эксикатора,

Δm6 – Погр взвешивания абсолютно сухого образца

Пример: ΔWобщ при Погр взвешивания 0,01 г для лущеного шпона влажностью 10 % и массой 5 г равна 0,46 %.

Построение Град хар-ки производится путем сравнения показаний прибора и значений влажности, полученных методом высушивания.

Первоначально необходимо отобрать образцы древесины для градуировки. Для этого собирают образцы древесины из трех партий разной влажности. Образцы первой партии должны давать показания в первой трети шкалы. Образцы второй партии – во второй трети шкалы и образцы третьей партии в третьей трети шкалы.

Затем поочередно влажность всех образцов определяется с помощью градуируемого Влаг и метода высушивания. Каждый проверяемый образец должен иметь два показания по градуируемому Влаг – прибору и по действительной влажности.

Данные заносятся в таблицу № 10.1.

Табл. № 1. Таблица данных для определения влажности при градуировке

где: N – номер образца m вл. – масса образца до сушки, г m сух – масса образца после сушки, г W – влажность образца,% П – показания прибора, мка

Затем в каждой группе вычисляется среднее значение влажности

и среднее значение показаний прибора

По полученным усредненным точкам в координатах W% и П строится график. Пример такого графика представлен на рис. 9.4.

Рис. 10. Град хар-ка ИВлаг, построенная по средним точкам.

В отличии от многих диэлектриков древесина имеет ряд особенностей, которые не позволяют представить ее как простое электрическое сопротивление. Древесина неоднородна. В ней существуют годовые слои с разной плотностью. Электрическое сопротивление вдоль и поперек волокон также сильно отличается. В древесине имеются смолы, распределенные неравномерно по объему, различные химические включения в виде солевых и щелочных отложений, которые влияют на величину электрического сопротивления. Кроме этого существуют сотни пород древесины с разными физико-механическими и электрическими свойствами.

11. Реальная градуировочная характеристика ИВлаг

На рис. 11.1. показана графически реальная картина выборочной Град хар-ки ИВлаг при измерении влажности вдоль волокон.

Рис. 11.1. Зависимость электрического сопротивления от влажности при втыкании игл вдоль волокон.

Обращаем внимание на то, что значения по оси сопротивления на рисунках приведены в логарифмическом масштабе.

При анализе рисунков мы видим, что сухая древесина менее 10 % имеет очень большое сопротивление. При втыкании вдоль и поперек волокон имеется значительный разброс в показаниях. Необходимо учесть, что в древесине имеет место дефект, связанный с наклоном волокон и кривизной, косослой, свилеватость и т. п.

Рис. 11.2. Зависимость электрического сопротивления от влажности при втыкании игл поперек волокон.

Объединив хар-ки на рис. 9.5. и 9.6., мы можем сравнить и представить на рис. 9.7.

Рис. 11.3 Сравнительные зависимости электрических сопротивлений от влажности при втыкании игл вдоль (2) и поперек (1) волокон.

12. Имитаторы влажности

Для разных ИВлаг разработаны свои имитаторы влажности. Они служат для проверки работоспособности и стабильности Град хар-ки ИВлаг. На каждую проверяемую точку влажности для определенной древесной породы при соответствующей температуре имеется свое электрическое сопротивление.

Например, для российского ИВлаг по имитатору МТ-01 влажности 14 % соответствует сопротивление 180 Мом и т. п.

Но если этот имитатор воткнуть в ИВлаг другой конструкции, то мы получим другое значение влажности.

На рис. 9.8. представлено семейство Град хар-к зарубежного ИВлаг с учетом влияния температуры на смещение Град хар-ки.

Рис. 12.1. Град хар-ки зарубежного Ивлаг с учетом температуры при контроле

Из рис. 12.1. мы видим, что имитаторы для, важного с технологической точки зрения, нижнего диапазона от 4-до 10 % соответственно составляют от нескольких тысяч до сотен Мом. Нужно отметить, что измерять такие сопротивления с высокой точностью трудно в лабораторных стерильных условиях при использовании высокоточной измерительной апапатуры. К сожалению, производственная среда деревообработки не отвечает этим требованиям.

При измерении влажности двумя ИВлаг разных компаний может получаться Погр из-за того, что использованы не согласующиеся между собой имитаторы влажности. На рис. 12.2. приведены сравнительные хар-ки зависимости оценки влажности для двух разных конструкций ИВлаг с подключением к ним сопротивлений

Рис. 12.2. Сравнительные хар-ки ИВлаг двух фирм.

Мы видим, что хар-ки отличаются друг от друга. Так, например, если ИВлаг 1 дает показания при сопротивлении 100 ком равным 35, 2 % W, то для ИВлаг 2 при том же сопротивлении значение влажности будет соответствовать 50 %. Таким образом разность показаний между двумя ИВлаг dW = 14,8 %. Естественно при уменьшении влажности эти расхождения будут уменьшаться.

Статическая хар-ка зависимости активного сопротивления от влажности, построенная в логарифическом масштабе по оси сопротивлений имеет перегиб в точке соответствующей 30 % влажности.

В диапазонах от 0–30 % и 0–150 % влажности электрические свойства древесины изменяются от проводника до диэлектрика по мере уменьшения влажности.

Формула измерения сопротивления показывает зависимость сопротивления от таких параметров как удельное сопротивление древесины р, площадь поверхности электродов S, расстояние между электродами d.

В дополнительную Погр измерения может входить площадь контакта игл с древесным веществом и степень ее прижима. Чем толще игла, тем сильнее образуется контакт и происходит отжим влаги в месте контакта. Уплотненное древесное пространство между игольчатым электродом и основной массой древесины имеет аналогию включения дополнительного сопротивления.

Это мы показываем на рис. 12.3.

Рис. 12.3. Причины образования Погр при контактировании в месте соприкосновения иглы с древесиной и их электрическая интерпретация.

13. Временной дрейф влаги в процессе контроля

На точность измерения влияют поверхностная и внутренняя влага. Поверхностная влага формируется в результате конденсата, выпадения дождя. Внутренняя влага создается в результате недосушки древесины и зависит от времени вылеживания древесины после сушки и времени измерения.

Точкой отсчета берется начальный момент измерения только что просушенной древесины. Затем эти образцы, которые не теряют свою влагу замеряются через час и затем, через 20 часов. Таким образом мы видим, что хар-ка изменяет свое местоположение, хотя значение действительной влажности не меняется.

Рис. 13. Семейство зависимостей R=f(W%), построенных при временном дрейфе влаги в процессе контроля.

На практике для конкретного ИВлаг рис. 9.11 означает следующее: при измерении влажности в начале мы имеем показание 18,7 %, через час оно изменилось до 20,1 %, через 20 часов мы определили, что оценка влажности стала равна 23,1 %. То есть Погр измерения от такого временного перераспределения влаги внутри образца дает Погр в смещении хар-к на dW= 4,4 %. На самом деле влажность образца в действительности не менялась и была равна 21,2 %.

Эти выкладки позволяют нам сделать следующий вывод: в зависимости места и времени контроля влажности при неравномерно распределенной влажности мы будем получать разные значения влажности. Погр измерения только в этом случае составила d=4,4 %.

14. Влияние температуры древесины

Известно, что электрическое сопротивление древесины изменяется под воздействием температуры. Однако вопрос, касающийся корректировки по температуре не так прост. При втыкании игл в диэлектрик мы должны реально представлять весь процесс взаимодействия. В процессе контактирования тепло в месте соединения будет распределяться между иглой и древесиной. Следовательно по всему объему будет одно значение температуры, а по месту соединения будет возникать иная температура. Это мы показываем на рис. 14.

Рис. 14. Графическая интерпретация места соединения иглы с древесиной и распределения температур в месте контактирования.

Температура в месте контактирования будет значительно ниже, так как игла обладает другой теплопроводностью и энергии для равномерного распределения температуры не будет достаточно для выравнивания. Кроме того у диэлектрика (древесины) отсутствует дополнительная энергия для поддержания температуры в месте контакта, так как сама древесина обладает низкой теплопроводностью и теплоемкостью.

Следовательно, коррректировка по температуре носит чаще рекламный характер. Она не всегда компенсирует изменение сопротивления от температуры. Наиболее приемлемый вариант – это установка датчика температуры в игле. Но этого нет в ИВлаг.