CC BY
57
КОМБИНИРОВАНИЕ КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКОГО И ДИЭЛЬКОМЕТРИЧЕСКОГО МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Л.В. ЛЕОНОВ, профессор, зав. кафедрой автоматизации производственных процессов МГУЛа, Е.П. ЧУБАРОВ, профессор, кафедра автоматизации производственных процессов МГУЛа, С.И. САВОСИН, инженер, кафедра автоматизации производственных процессов МГУЛа
Одним из важнейших параметров, определяющих качество продукции в лесопромышленном комплексе, является влажность. Соблюдение технологических требований по влажности материалов и изделий немыслимо без технических средств влаго-метрии - влагомеров, датчиков влажности.
Требования, предъявляемые к современным датчикам влажности, можно определить, исходя из условий технологических и иных процессов, требующих контроля влажности. Важнейшими требованиями являются надежность, максимизация диапазона измерения, достаточная точность, простота в использовании.
Наиболее трудно измерить малые значения влажности. Поэтому, прежде всего необходимо определить ту нижнюю границу влажности, измерение которой должен обеспечить датчик. Исходя из требований лесопромышленного комплекса [1, 3. 4, 5], за нижнюю границу влажности выберем 3 %. За верхнюю границу влажности можно принять 40-50 %. Требуемая точность измерения по большинству оценок, имеющихся в литературе, должна быть в пределах 3-5 %. Большую точность измерения влажности нелабораторными приборами обеспечить нельзя.
Датчик влажности должен иметь по возможности низкую стоимость, что обеспечит его широкое применение.
Обзор опубликованных материалов показывает, что на рынке технических средств влагометрии отсутствуют приборы, удовлетворяющие всем вышеперечисленным требованиям. В то же время, анализ современных методов и средств влагометрии древесных материалов показывает, что указанным требованиям могут удовлетворять лишь
кондуктометрические и диэлькометрические влагомеры.
В силу своей относительной простоты, на практике широко применяются кондуктометрические датчики влажности. Принцип их действия основывается на зависимости электрического сопротивления материала от влажности. В большинстве случаев эту зависимость можно описать выражением:
где И/ - влажность материала, %; А и К - постоянные, зависящие от вида материала и условий измерений; Я - электрическое сопротивление материала при данной влажности, [Ом].
На рисунке приведены экспериментальные логарифмические зависимости удельного сопротивления [Ом • см] некоторых древесных материалов от влажности IV [%]. Характер зависимости \gRyn от Ж многих других материалов аналогичен приведенному на рисунке.
Эту зависимость можно аппроксимировать двумя отрезками прямых, сопрягающихся вблизи 1¥ = 20-30 %. Левая прямая имеет значительно более высокую крутизну, чем правая. В результате, датчик, работающий в области влажности 7,5-20 %, имеет очень высокую чувствительность к изменению влажности.
При меньших влажностях (менее 5-7 %) регистрируемое сопротивление становится очень большим и доходит при IV -» 0 % до 10|2-1014 [Омхсм], при этом Я становится соизмеримым с сопротивлением изоляции или воздушного промежутка.
Зависимость ^Иуд от \¥ %
5 10 15 20 25 30
\У 11 и
• - Ряд 1 - - Ряд2 —6— РядЗ • • - х- • • Ряд4 —*— Ряд5
Рисунок. Ряд 1 - дуб (бук); ряд 2 - береза; ряд 3 - сосна; ряд 4 - ель; ряд 5 - ДСП
При меньших влажностях (менее 5-7 %) регистрируемое сопротивление становится очень большим и доходит при \¥ —» 0 % до 1012—1014 [Омхсм], при этом Я становится соизмеримым с сопротивлением изоляции или воздушного промежутка.
Поэтому известные кондуктометри-ческие датчики применяют для измерения IV > 5-7 %. При влажности, большей 20-30 %, чувствительность кондуктометрического датчика к изменению влажности становится малой (падает крутизна аппроксимирующей прямой - в 5-10 раз). Кроме того, на величину Я начинают оказывать влияние факторы, не связанные с влажностью, а именно: изменения химического состава, температуры, гальванические процессы и др. Поэтому областью применения кондуктометрических датчиков считают область с 1¥ = 5-30 %.
Анализ известных конструкций кондуктометрических датчиков показывает, что пока для измерения влажности твердых и сыпучих материалов используют преимущественно датчики с игольчатыми электродами, вводимыми непосредственно в исследуемый материал.
Экспериментально установлено [2], что в области контакта иглы (электрода) создается микрозона сухой древесины, что влияет на показания влагомера. Кроме того, введение электродов в древесину создает определенные трудности в процессе измерения влажности.
Оценка влажности материала игольчатыми кондуктометрическими датчиками в определенной степени носит неоднозначный ха-
рактер, поскольку их показания зависят от пространственных координат местонахождения электродов в контролируемом материале.
С целью расширения диапазона измерения влажности, устранения влияния не-изотропности исследуемой влажности, снижения весовых, габаритных и стоимостных характеристик разработан новый тип кондуктометрического датчика с планарными измерительными электродами и печатным платом измерительной электронной схемы [3]. В описываемом датчике поставленные задачи решаются тем, что чувствительная площадка датчика выполнена в виде двух максимально протяженных, равноудаленно расположенных планарных электродов на одной из сторон печатной платы; причем проводники удалены друг от друга на минимальное технологически осуществимое расстояние (0.1-0,01 мм).
Известно, что сопротивление, регистрируемое датчиком в момент измерения влажности материала, задается выражением
^ = *,.Х. (2)
где Я - электрическое сопротивление контролируемого материала, Ом; Я - удельное электрическое сопротивление контролируемого материала, Омхсм; с1 - расстояние между измерительными электродами, см; -5 -площадь проводящего сечения, через которое проходит тестирующий ток, см ; X - коэффициент «формы» токопроводности.
Следовательно, уменьшение й от 0,2 см у игольчатых электродов до 0,01-0,001
см у планарных электродов позволяет датчику с планарными электродами измерять очень малые электропроводности при низких влажностях контролируемого материала, т.е. расширяет диапазон измерения данным датчиком, по сравнению с имеющимися образцами.
При контроле влажности древесного материала описываемым датчиком, его планарные электроды лишь прижимаются к поверхности материала, не повреждая его, что крайне важно в большинстве технологических процессов.
Следует заметить, что данный датчик измеряет влажность лишь на поверхности контролируемого материала. Однако, для нужд технологических и иных процессов нужна информация о средней влажности материала или заготовки.
В случае контроля влажности тонкого листового материала (шпон, тонкий пластик, картон, бумага и т.д.) данный датчик измеряет среднюю влажность материала, так как в этом случае она существенно не отличается от влажности на его поверхности.
Высокая скорость, простота и надежность измерения, отсутствие механических и иных повреждений контролируемого материала измерительными электродами обеспечивают высокую эффективность применения датчика с планарными электродами при контроле влажности тонких листовых материалов.
В случае контроля влажности древесного материала значительной толщины описываемый датчик покажет среднюю влажность лишь при равномерном распределении влаги по его объему, так как в этом случае она равна влажности на поверхности материала.
При неравномерном распределении влаги по объему контролируемого материала, его среднюю влажность измеряют диэль-кометрическим датчиком, принцип работы которого основан на измерении диэлектрической проницаемости или тангенса угла потерь контролируемого материала в поле измерительного преобразователя [1]. В то же время известно, что диэлектрическая прони-
цаемость и тангенс угла потерь зависят от влажности контролируемого материала.
В отличие от кондуктометрического, диэлькометрический датчик при любом распределении влаги в материале измеряет его среднюю влажность.
Комбинированное применение кондуктометрического и диэлькометрического датчиков, кроме информации о влажности на поверхности материала и его средней влажности, дает информацию о характере распределения влаги в материале.
Несовпадение в показаниях кондуктометрического и диэлькометрического датчиков при контроле влажности одного и того же объекта говорит о неравномерности распределения влаги в нем. При большой разнице в показаниях этих влагомеров необходимо предполагать усиленное развитие влажностных напряжений внутри объекта контроля (древесного материала).
Совпадение в показаниях двух датчиков говорит о равномерном распределении влаги в контролируемом объекте.
Кроме того, для измерения влажности досок в достаточно широком диапазоне на сортирующих линиях последовательно устанавливают два влагомера. Первый измеряет влажность от 15 % и выше - для этого можно использовать кондуктометрический влагомер. Он как бы первоначально сортирует доски и дает разрешение на последующий контроль. Затем для пропуска доски с влажностью менее 15 % включается второй влагомер (диэлькометрический), который замеряет уже среднее значение влажности. Скорость контроля влажности в этом случае значительно повышается.
Таким образом, комбинированное применение двух рассмотренных датчиков позволяет повысить точность измерения влажности древесных материалов, расширить диапазон измерения, определить характер распределения влаги в материале, скорректировать существующие технологические процессы, значительно повысить эффективность высокоскоростного контроля влажности досок на сортировочных линиях, повысить их производительность.
Литература
1. Берлинер М. А. Электрические измерения, автоматический контроль и регулирование влажности. -М.: Энергия, 1965.
2. Карпов А. С., Цветков Е. И. Кондукто-диэлько-метрические методы и средства влагометрии древесины // Деревообраб. пром-сть. - 1997. - № 3.
3. Леонов Л. В., Чубаров Е. П. Отчет о научно-иссле-
довательской работе «Разработка, изготовление и испытание опытных образцов датчиков (влажности)». - М.: МГУЛ, 1997.
4. Справочник по технологии лесопиления / Под ред.
Образцова С. А., Шибалова В. А. и др. - М.: Лесн. пром-сть, 1963.
5. Серговский П. С. Режимы проведения камерной суш-
ки пиломатериалов. - М.: Лесн. пром-сть, 1987.
ПОДГОТОВКА УПРАВЛЯЮЩИХ ПРОГРАММ ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ ДЕРЕВООБРАБОТКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ГРАФИЧЕСКИХ РЕДАКТОРОВ
В.В. СЕДЫХ, аспирант кафедры АПП МГУЛа
Лазерные технологические установки (ЛТУ) - один из перспективных видов оборудования, применяемого в деревообработке. Данные установки обладают высокой точностью и могут быть использованы для самых различных целей. Лазерные технологические установки целесообразно использовать в тех случаях, когда традиционное механическое оборудование неприменимо или его использование связано со значительными технологическими трудностями.
Как правило, ЛТУ работают по сложным управляющим программам, подготовка которых вручную затруднительна или даже невозможна. По этой причине в состав лазерной установки обычно входит персональный компьютер, позволяющий автоматизировать процесс подготовки управляющих программ. Типичная лазерная технологическая установка состоит из следующих основных частей:
- компьютера (на котором производится подготовка исходного изображения или схемы раскроя, а также осуществляется генерация управляющих программ);
- системы числового программного управления (СЧПУ);
- технологического лазера (в деревообработке обычно используются СОг-лазеры);
- координатного стола.
Так как цены на персональные компьютеры значительно снизились, а их мощность постоянно возрастает, то в ЛТУ, вы-
пускаемых в последнее время, числовое программное управление может отсутствовать. В этом случае компьютер служит не только для проектирования траектории движения лазерного луча, но и осуществляет непосредственное управление технологической установкой (координатным столом и лазером).
Наиболее распространено применение лазерных установок для прецизионной резки и для нанесения декоративных рисунков на поверхность материала. При этом лазерный комплекс работает в одном из двух режимов: векторном или растровом.
В первом случае за основу для подготовки управляющей программы (УП) берется рисунок, подготовленный в векторном графическом редакторе. Этот рисунок представляет собой совокупность математических кривых, описывающих изображение, которое необходимо сформировать на поверхности материала. Лазерный луч перемещается по траектории, описанной этими математическими кривыми, и таким образом выполняет гравировку или резку по заданному контуру.
При втором режиме обработки за основу берется растровое изображение, например. отсканированная фотография. Растровое изображение представляет собой матрицу, элементы которой несут информацию о режиме работы лазера. В этом случае формирование изображения на поверхности материала осуществляется следующим обра-
