CC BY
50
Мансуров А.С. ©
Кафедра «Конструирование и технологии в электротехнике», Пермский национальный исследовательский политехнический университет
ВЫБОР МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ ВЛАЖНОСТИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ГИПСОКАРТОННЫХ ЛИСТОВ
Аннотация
В статье приводятся результаты экспериментальных исследований электрофизических характеристик гипсокартонных листов на протяжении всего технологического процесса их изготовления. Полученные результаты помогают выбрать наиболее подходящие методы контроля влажности гипсокартонных листов на всех стадиях производства.
Summary
Results of pilot studies of electrophysical characteristics of gipsokartonny sheets are given in article throughout all technological process of their production. The received results help to choose the most suitable control methods of humidity of gipsokartonny sheets at all stages of production.
Ключевые слова: Гипсокартонный лист, влажность, методы измерения влажности Keywords: Gipsokartonny sheet, humidity, methods of measurement of humidity
При изготовлении гипсокартонных листов (ГКЛ) влажность изделий характеризует качество формовки, определяет параметры режима сушки, производительность оборудования, а также -качество выпускаемой продукции. Использование оперативной информации о влажности ГКЛ на разных технологических стадиях дает возможность значительно снизить непроизводительные энергетические затраты, предотвратить брак изделий, решить задачу автоматического управления процессом сушки. Актуальность этой задачи возрастает в связи с переходом предприятий по выпуску ГКЛ на скоростные режимы сушки, позволяющие увеличить производительность сушильной установки. Кроме того, в настоящее время, предприятия по изготовлению ГКЛ приступают к производству гипсополимерных листов, основой которых является гипсокартонные листы более широкой номенклатуры.
Успешное решение поставленной задачи по контролю влажности ГКЛ на всех стадиях технологического процесса возможно на основе известных методов измерения влажности [1]. Классификация физических методов измерения влажности твердых материалов представлена на рис.1.
Рис. 1. Классификация физических методов измерения влажности твердых материалов
Выбор целесообразного метода измерения влажности из электрических методов должен быть основан на знании электрофизических свойств контролируемого материала, связанных с его влажностью. К таким свойствам можно отнести диэлектрическую проницаемость и удельную проводимость гипсокартонных листов в широком диапазоне влажности в процессе изготовления.
© Мансуров А.С., 2013 г.
Процесс изготовления гипсокартонных листов состоит из трех стадий: формовки, сушки и контроля качества готовой продукции. Поэтому для получения информации об электрофизических свойствах контролируемого материала отбирались для экспериментального исследования пробы образцов листов в конце формовочного конвейера, а также из разных зон сушильной установки и на выходе листов с конвейера сушилки.
Таким образом, исследуемые образцы имели известную начальную влажность в самом широком диапазоне, от максимальной в конце процесса формовки, до минимальной после выхода из сушилки.
Размер образцов 15x15 см был выбран в соответствии с методикой измерения остаточной влажности в лабораторных условиях на предприятиях по изготовлению гипсокартонных листов.
Для получения зависимостей диэлектрической проницаемости и удельной проводимости контролируемого материала от влажности предварительно проводились измерения емкости и сопротивления образцов, помещенных в датчик. Для этих цели был изготовлен датчик, представляющий собой плоскопараллельный конденсатор. Электроды конденсатора были изготовлены из тонкой перфорированной бронзовой фольги и наклеены на пенопластовые мягкие прокладки для обеспечения плотного контакта с поверхностью образца. При такой конструкции датчика уменьшалась погрешность измерения емкости от неравномерного давления электродов на поверхность образцов в разных точках. Для измерения емкости датчика использовался прибор Е12-1А, имеющий точность измерения емкости 0,01 пФ. Для измерения сопротивления датчика с образцом материала применялся цифровой прибор В7-22А, обеспечивающий точность измерения выше 0,001 кОм.
Влажность сухих образцов становилась известной после окончания сушки исследуемых материалов. Промежуточная влажность вычислялась в лабораторных условиях термогравиметрическим методом. После этого промежуточная влажность по формуле
=-- ■ 100%, где М - масса образца в процессе сушки, Л/0-масса сухого образца.
Схема измерения емкости и сопротивления датчика с образцом материала показана на рис. 2.
Рис. 2. Схема измерения емкости и сопротивления образца гипсокартонного листа. 1 - корпус плоскопараллельного датчика, 2 - электроды датчика, 3 - образец гипсокартонного листа.
Результаты измерений емкости и проводимости гипсокартонных листов представлены на рис.
3 и 4.
Рис. 3. Усредненная характеристика С %) емкости трех образцов ГКЛ,
снятая прибором Е12-1А
и/, %
Рис. 4. Зависимость проводимости датчика с образцами гипсокартонных листов
от влажности листов
Полученная зависимость емкости датчика размером 15х15 см дает возможность рассчитать более объективную и основную электрическую характеристику контролируемого материала -диэлектрическую проницаемость £. Для этого использовалась формула емкости плоскопараллельного конденсатора (без учета краевого эффекта):
где £0 - диэлектрическая постоянная, равная 8,85 10~12—, £ - относительная диэлектрическая
проницаемость диэлектрика, S-площадь электродов конденсатора, d-расстояние между электродами конденсатора.
Из этой формулы следует:
£ =
С ■ А
Рассчитанная зависимость £ (\¥, %) показана на рис. 5.
0 2 4 6 3 10 12 14 16 13 20 22 24 И/, %
Рис. 5. Характеристика Е (\¥, %) для трех образцов ГКЛ, рассчитанная по результатам измерения емкости.
Для перечета проводимости б (W, %)емкостного датчика в независимую от датчика характеристику - удельную проводимость контролируемого материала, можно использовать известную в теории электромагнитного поля аналогию между проводимостью и емкостью [2]. Для плоскопараллельного конденсатора эта аналогия будет иметь вид:
7-5
где б - проводимость материала, помещенного в плоскопараллельный датчик, S-площадь электродов датчика, d-расстояние между электродами. Из этой формулы следует:
6 -А
Результат расчета зависимости удельной проводимости от влажности гипсокартонных листов приведен на рис. 6.
0,05
Г,
глСм/м
0,04
0,03
0,02
0,01
0 3 6 9 12 15 18 21 24
И/, %
Рис. 6. Зависимость удельной проводимости гипсокартонных листов от влажности
Полученные зависимости электрофизических характеристик гипсокартонных листов от их влажности в широком диапазоне, соответствующем полному циклу технологического процесса, дают возможность выбрать обоснованный метод контроля влажности на стадиях формовки, сушки и оценки качества готовой продукции.
Далее более подробно рассмотрим характерные особенности контролируемого материала на всех стадиях технологического процесса. На стадии формовки характерной особенностью для движущейся по конвейеру ленты является трехслойная структура с высокой влажностью и рыхлой поверхностью картона. Также немало важной особенностью стадии формовки является возможность свободного двухстороннего доступа к движущемуся материалу.
При таких особенностях целесообразно применить бесконтактный метод СВЧ. Высокая крутизна характеристик £ (\¥, %), g (\¥, %) после формовки дает возможность получить высокую чувствительность влагомера СВЧ.
Характерной особенностью технологического процесса на стадии сушки является трудный доступ к контролируемому материалу в закрытых камерах первой, второй и частично третьей зонах сушильной установки. Что касается особенностей контролируемого материала, низкая крутизна зависимостей £ (\¥, %), g (\¥, %) усложняет задачу выбора какого-либо из известных методов в диапазоне влажности от 18 % (начало сушки) до 4 % (конечная стадия сушки). Однако конечная стадия сушки в диапазоне влажности от 4 % до 1 % может успешно контролироваться диэлькометрическим методом с применением компланарного конденсатора, который расположен в открытой части третьей зоны сушильной установки. Высокая крутизна зависимостей £ (\¥, %), g (\¥, %) создает предпосылки для разработки высокочувствительного диэлькометрического влагомера.
На стадии контроля качества готовой продукции контролируемый материал представляет собой образцы готовой продукции после испытаний на прочность. Диапазон влажности таких образцов от 0,1 % до 1 %. Как видно из характеристик £ (\¥, %), у (\¥, %), при удельной проводимости, стремящейся к нулю, гипсокартонные образцы близки к идеальному диэлектрику. Поэтому на этой стадии контроля остаточной влажности возможен емкостный метод с применением плоскопараллельного датчика. Высокая чувствительность этого датчика будет обеспечиваться как высокой крутизной характеристики £ (\¥, %), так и преимуществом в точности измерения емкости плоскопараллельным датчиком по сравнению с компланарным.
Литература
1. Кричевский Е.С. Контроль влажности твердых и сыпучих материалов.— М.: Энергия, 1986.
2. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле: Учебник для вузов. - 10-е изд., стереотипное - М.: Гардарики, 2001.
