автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Измерение пористости и проницаемости древесных материалов и объема лесоматериалов на технологических потоках газодинамическим методом

- н 1 ^

л11шистерств0 науки, высшей школы и

технической политики российской федерации МОСКОВСКИЙ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи МОЖЕГОВ Николай Александрович

удк 681.2-52

ИЗМЕРЕНИЕ ПОРИСТОСТИ И ПРОНИЦАЕМОСТИ ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ОБЪЕМА ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОТОКАХ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

05.21.05 — «Технология и оборудование деревообрабатывающих производств; древесиноведение»

автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

М ос к в а —

19 92

Работа выполнена на кафедре «Теория и конструирование машин» Московского лесотехнического института.

Научный консультант — Заслуженный деятель науки и

техники РСФСР, профессор, доктор технических наук 1 Таубер Б. А~

Официальные оппоненты'—Заслуженный деятель науки и

техники РСФСР, доктор технических наук, профессор Патякин В. И.,

доктор технических наук, профессор Петровский В. С.,

доктор технических наук, профессор Шведов Б. А.

Ведущее предприятие — Научно-исследовательский и

проектно-конструкторский институт промышленности древесных плит (НИПКИдревплит)

Защита диссертации состоится 1990 г.

час. на заседании специализированного совета при Московском лесотехническом институте (141001, Мытищи-1, Московской области).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЛТИ. Автореферат разослан « . . »......199 г.

Отзывы на автореферат В ДВУХ ЭКЗЕМПЛЯРАХ, ЗАВЕРЕННЫЕ ПЕЧАТЬЮ, просим направлять в адрес совета института.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор технических наук, профессор Ю. П. СЕМЕНОВ

Подп. в печ. 18.11.92 г. Объем 2 п. л. Зак. 604 Тир. 100

Типография Московского десот^с^фкого института

ОБЩАЯ ХАРАКГЕРШЖА РАБОТЫ

Акту.адвдоерь.. Основными направлен®«! развития народного хозяйства страны в эпоху перехода к рыночной экономике является повышение качества выпускаемой продукции и и экономия материальных, трудовых и энергетических ресурсов.

По мере развития рыночных отношений перспективу на вшивание • будут иметь только предприятия наиболее, плодотворно и продуктивно работающие в этих двух направлениях.

Вопросы пористости и проницаемости материалов непосредственно связаны с качеством основной выпускаемой продукции отрасли (плит, арболита, бумаги, фанеры, картона, древесных пластиков к т.д.) так как является определяч^т.я не только при обосновании физико-механических, свойств этих материалов, но и режимов их производства. От достоверности данных параметров зависит точность расчета основных величин, определяющих технологические процессы прессования (при производстве плит и арболита), сушки и пропитки (при гкдротермической обработке и консервировании древесины), варки и химической переработки древесины ( в целяшгезно-бумаянсм и лесохимическом производствах).

Измерение объема лесоматериалов осуществляют с целью учета древесного сырья и готовой продукции на всевозможных участках технологических линий. Учету подлежат все виды древесного сырья, начиная от растущих деревьев'до хлыстов, круглых лесоматериалов, досок, цепы, опилок и т.д.. На технологических линиях лесохимических и целлюлезно-бумажных производств, а также в плитном производстве измерение объема лесоматериалов имеет и целевое назначение. Технологические линии этих производств содержат большое количество различных по объему технологических ёмкостей в которых измеряется текущий объем.

Особую актуальность приобретает решение данных задач большого практического значения в связи с тем, что решение вопросов измерения пористости и проницаемости древесных материалов и объема лесоматериалов осуществлено в едином ключе ( единым газодинамическим методом), что позволило существенно расширить функциональные возможности этих средств. .

Цель, исследования.- Разработка и обоснование газодинамического метода измерения пористости и проницаемости древесных материалов и объема лесоматериалов'.

Научная нстияЖ» Разработан и теоретически обоснован на базе единой'физико-математической модели принципиально новый газодинамический метод измерения пористости и проницаемости древесных материалов и объема лесоматериалов, который в зависимости от режима газодинамического возмущения монет быть реализован,одним из пяти газодкнаьяческих способов, составлгап^х метод. Разработаны методологические основы и инженерное обеспечение метода, программное обеспечение метода, экспериментальная проверка.

фактическая ленлю.с.ть. Включает совокупность научно обоснованных и аппарагурш оформленных газодинамических способов измерения пористости, проницаемости и объема, позволяющих осуществлять контроль за пористостью и проницаемостью практически для4всех существующих древесных материалов и режимов производств, а также осуществлять измерение объема всех лесоматериалов, включая круглые лесоматериалы, щепу, опилки и т.д.

Полученные практические рекомендации позволяют обоснованно выбирать.из совокупности способов наиболее еффективный для данного практического применения, определять рациональные газодинамические и геометрические параметры способа, а также наиболее . эффективные технологические приемы работы.

Реализлттия заботь;. Основные научные положения и результаты исследования внедрены в Ковровском леспромхозе (г.Ковров, Владимирской обл.) при измерении объема лесоматериалов на железнодорожном транспорте; Балахнинском целлюлезно-бумажном комбинате при измерении объема балансов в шахте дефибрера, при измерении объема' цепы в варочном котле, при измерении газопроницаемости прессовых сукон, при определении активной пористости сушильных сеток; совхозе "Новая жизнь" Ковровского района Владимирской области при измерении объемов сельхозпродукции; заводе им.В.А.Дегтярева г.Ковров, Владимирской области при измерении расхода горючего в топливных баках транспортных средств, при измерении режима работы подвесок мотоцикла; заводе топливных фильтров г.Энгельс, Саратовской области при определении активной пористости и проницаемости бумажного полотна топливных фильтров, при измерении размера пор топливных фильтров; заводе "Электроконтакт" г.Кйнешма Ивановской области при определении общей пористости вкладыаюй подшипников скольжения;' лаборатории кафедры химической технологии Энгельско-го филиала Саратовского политехнического института при измерении

- 5 -

проницаемости кокса пластических масс.

Суммарный годовой экономический эффект от внедрения составил более одного миллиона рублей в деньгах до 1991 года.

Результаты научных исследований вошли в книгу "Автоматичес-' ■ кие средства измерения объема и пористости материалов", "Энерго-атомиздат",,!{., 1990г.

Ап.у.оАппт,ул$о.щ. Достоверность теоретических положений, .изложенных в диссертации, подтверждена экспериментальной проверкой как в лаборатории, так и з производственных условиях. Основные положения диссертации и отдельные её разделы были заслушаны и одобрены: Ш-й, 1У и У-й Всесоязньгли научно-техническими конференциями по комплексной механизации и автоматизации перемзстительных операции в лесной, деревообрабатыпающей и целлюлезко-бума^ной промышленности в 1977, 1934 и 1989 г.г.;

Всесоюзной конференцией Технический прогресс и развитие ассортимента и качества изделий легкой промышленности" (г.Иваново, 1937г.);

Всесоюзной конференцией "Теория и практика рационального использования ГСМ в технике" {г.Челябинск, 1987г.);

Всесоюзной конференцией "Системы автоматизированного, эксперимента" ( г.Ижевск, 1987г.).

Цу.бди.к.ги;ии. Основные положения диссертации опубликованы в монографии, броиюре и 25 научных статьях. Получены 23 авторских свидетельства, из них двенадцать на "способ".

Об^е.м..р.зфзд» Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы и приложений. Текстовая часть работы совместно с рисунками и фотографиями изложена на 474'страницах машинописного текста и содержит' 134 рисунка, 21 номограмму и 29 фотографий с фотограммами. Список литературы содержит 149 наименований, приложение 19 таблиц, б программ расчета на ЭВМ и 8 копий актов внедрения с расчетами экономической оффектипности. Общи" объем работы 576 страниц машинописного текста.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ .

I. Состояние проблемы и задачи исследований Определение пористости и проницаемости задача большого значения при исследовании древесных материалов так как данные пара-

- О -

метры обуславливают практически все важнейшие свойства этих материалов, в той числе прочностные, звуковые, фильтрационные, тепловые и т.д.

Первые результаты по исследованию пористости и проницаемости древесины ( Арциховская, Баженов, Ванин, Чулицкий и др.) опубликованы в тридцатых ...сороковых годах. К этому времени сложилась методика и приборная техника определения пористости и проницаемости. Эта методика и техника используется практически в неизменном виде во всех существующих стандартах испытаний на пористость и проницаемость древесины и древесных материалов.

Значительное внимание вопросам пористости и проницаемости древесины и древесных материалов уделяли в своих исследованиях многие отечественные и зарубежные ученые. Наиболее известны в этой области работы Баженова В.А., Харук Е.В., Патякина В.И., Обливина А.Н., Уголева Б.Н., Шведова Б.А. , Шубина Г.С., Полу-бояринова О.И., Чудинова B.C., Щербакова A.C., Одинцова H.H.

Вопросы измерения пористости и проницаемости не замыкают- ■ ся пределами отрасли. В машиностроении наиболее известны в этом направлении работы Белова C.B., Федорченко И.М., Андриевского P.A., Земо Ф.Д. и др.

Автором были шявдены и классифицированы псе основные показатели используемые при оценке пористости материалов. Проделанная работа показала, что коэффициент, характеризующий пористость древесных материалов через относительный объем пустот ( ковффи-циент общей пористости материалов ) является основным, но далеко не единственным показателем пористости.

В зависимости от того, какие свойства пористого материала-нас интересуют в перву/э очеродь, предпочтение отдается тем или. иным показателям. Например,• г'фи оценке фильтрационных свойств пористых материалов, могут быть использованы коэффициент активной или открытой пористости, эквивалентны!; диаметр активных пор, максимальный, средний и минимальный размер пор, коэффициент извилистости активных пор.

При оценке тепловых и.звуковых свойств, - коэффициент общей пористости, коэффициенты относительного объема микропор, макро-пор с мбэопораыи, суперма'кропор.

Широко применяется оценка пористости древесных материалов и по косвенным признакам, - плотности, проницаемости, удельной

поверхности и коэффициенту потерь .давления газа на входе и еыхо-це. ,

Традиционные методы и средства, оценки пористости материалов исходят из постулата, что все пористые материалы содержат, только следующие разновидности пор, - микрэпоры, размером менее 20 А0, мезопоры, размером от 20 до 200 А0 и макропоры, размером от 200 А0 до ~ 100 мкм. Даже визуальное обследование таких древесных композиционных материалов, как арболит и плиты, показывает, что эти материалы содержат поры ( супермакропоры ) по размерам значительно превышающим 100 мкм.

Традиционные методы и средства, оценки пористости материалов имеют еще один существенны:! недостаток,- все они могут быть использованы только при оценке сравнительно небольших образцов, объем которых незначительно превышает I см'^.

Неограниченное расиирение верхней границы номинального объёма исследуемых образцов имеет важное практическое значение, так как позволяет использовать методы оценки пористости непосредст- . венно на технологическом производстве.

В нашей стране проблемой измерения объема лесоматериалов начали интенсивно заниматься с конца пятидесятых годов.

Наиболее изгестны в этом направлении работы Д.Д.Мацкевича, Б.А.Таубера, В.С.Петровского, Г.А.Вильке, Д.К.Воеводы, Л.В.Леонова, К.И.Вороницына, Д.Н.Липмана, Г.А.ЖоДэишского, В.А.Кирике-ева, П.А.Меркурова, C.B.Виноградова, А.Э.Спрогис, С.З.Михли, О.Б. Преображенского.

При решении проблемы был создан целый ряд оригинальных методов и устройств, большинство из которых представляют в настоящее время лишь историческую ценность. Проверку временем выдержали, лишь два направления, - геометрический метод учета лесоматериалов ( ОСТ 13-44-75 ) и весовой метод ( ОСТ 13-Й9-76 ) для круглых лесоматериалов и для щепы ( ОСТ 13-74-79 ).

Основной Недостаток данных методов, - невысокая точность измерения, определяемая значительной вариацией коэффициентов пол-нодрепесности, ( геометрически!"! метод ) и коэффициентов перевода массы в плотный объем.

Повышение точности измерения объема, лесоматериалов задача большого практического значения, которая паяна не только при

учете лесоматериалов ( круглых лесоматериалов, щепы, опилок и т.д. но и при их дозировке на технологических линиях лесохимических и целлюлезно-бумажиых производств, так как от точности измерения объема ( точности дозировки ) здесь зависит качество выпускаемой продукции.

Для решения основной проблемы, - повышение точности измерения пористости и проницаемости древесных материалов и объема лесоматериалов автором предложена новая совокупность нетрадицион- '-ных газодинамических способов:

'- способ измерения объема, пористости и проницаемости, основанный на газовом разряде калиброванной ёмкости в измерительную;

- способ» основанный на сравнении газовых разрядов в измерительной и калиброванной ёмкости;

• - способ,.основанный на квантовании газового объема измерительной ёмкости;

- способ, основанный на формировании двуполярных возмущений в измерительной и калиброванной ёмкостях;

- акустические .способы в. диапазоне звуковых'и ультразвуковых возмущений резонансного и зондирующего типов.

В основе газодинамического метода измерения пористости, проницаемости'и объема ( совокупность способов ) лежит взаимосвязь этих параметров с измеряемыми, - давление или время газового разряда, полученное в результате аналитического исследования истечения газа из одной ёмкости в, другую через исследуемый материал, .когда необходимо определить пористость и проницаемость, или через калиброванную передатохиую линию, когда необходимо определить объем лесоматериалов. *

Истечение газа из одной ёмкости в другую происходит вслед-ствии искусственного создания в одной из ёмкостей газодинамического возмущения,- избыточного- давления или разрякения. Данное возмущение может быть единичным или периодическим, осуществляемым с определенной частотой.

Необходимо отметить, что истечение газа через калиброванную ёмкость или пористую среду является одной по наиболее популярных областей в газодинамике. Значительный вклад в решение отих задач применительно к древесным материала:/! внесен А.В.Лыковым,- А.Н.Обливиным , ' В.И.Пэтякиным. Из анали-

тических исследований целевого назначения, направлению: на создание методов и средств измерения пористости наиболее известны работы М.М.Дубинина,' Б.В.Дерягина, М.Г.Каганера, Т.Г.Плачено-ва, Л.В.Радушкевич, С.Брунауера.

Широкий спектр аналитических исследований по теме не должен создавать иллюзорную убежденность в том, что аналитическое решение задач в свете поставленной проблемы может быть сведено к прямому использованию аналитических решений.

Специфика задачи исключает прямое применение аналитических решений так как в исходных расчетных уравнениях в качестве измеряемых должны фигурировать только те параметры, измерение которых современными средства1® может быть осуществлено с наиболее высокой точностью, например, давление и время.

В соответствии с целью работы, значимостью и состоянием проблемы сформулированы следующие задачи исследования:

1.Разработать основы общей теории измерения пористости и проницаемости древесных материалов и объема лесоматериалов газодинамическим методом.

2.Выявить рациональные схемы, параметры и режимы работы газодинамических способов и средств измерения пористости, проницаемости древесных материалов и объема лесоматериалов и осуществить на базе этих исследование? аппаратурное оформление метода. .

3.В процессе исследования осуществить метрологическую оценку методов и. средств.

4.Установить эффективные области применения газодинамических способов и средств и разработать условия их эксплуатации на предприятиях отрасли.

5.Осуществить программное обеспечение метода.

2. Физико-математическая модель процесса измерения пористости и проницаемости древесных материалов и объема лесоматериалов газодинамическим методом.

Простейшей физической моделью описывающей данный метод является совокупность трех сообщенных между собой газовых емкостей ( рис. I ).

- ю _

А- Г-

г Г7^

; V

РИС.1

Газовая емкость I выполняет функцию генератора принудительного динамического возмущения. Давление газа в ней или отлично от давления газа в емкостях 2 и 3, или она снабжена подвижным поршнем, мембраной или сильфоном.

Емкость 2 при измерении объема играет роль передаточной линии или калиброванной по объему газовой ёмкости. При измерении активной пористости и проницаемости материалов она играет роль приспособления.для помещения исследуемых пористых образцов.

Газовую ёмкость 3, известного номинального объема в дальнейшем будем называть измерительной ёмкостью. В нее помещаются материалы, объем или общую пористость которых необходимо измерить.

При измерении способом, основанным на газовом разряде калиброванной ёмкости в измерительную в калиброванной ёмкости I искусственно создается избыточное давление, ёмкость 2 при этом перекрыта клапаном (на рисунке условно не показан ). Измеряются первоначальные давления в емкостях I и 3, затем клапан открывается и часть газа из ёмкости I перепускается в ёмкость 3 и вновь измеряются давления в ёмкостях I и 3.-При этом объем или общая пористость материалов, помещенных в ёмкость 3 определяются как функция от численных значений давления газа

х-о

Х=1

в емкостях I и 3 до перепуска и после перепуска.

При измерении способом, основанным на сравнении газовых разрядов, в измерительной ёмкости 3, с помещенным в нее исследуемым материалом, через дроссель, установленный на передаточной линий 2, (на рисунке условно не показан), наращивают избыточное давление от одного контрольного значения до другого, или же наоборот, через дроссель, установленный на выходе ем- , кости 3 ( на рисунке условно не показан ), уменьшают в ней избыточное давление от одного контрольного значения до другого. При этом искомый параметр, - общая пористость или объем определяют по времени наполнения (опорожнения) ёмкости газом от одного контрольного значения давления до другого. Если вместо дросселя на входе или выходе установить пластик известных геометрических размеров то по времени наполнения (опорожнения ) ёмкости газом при фильтрации или диффузии его через пластину определяются коэффициенты проницаемости, фильтрации, диффузии и растворимости.

Способ измерения, основанный на квантовании газового объема, отличается от предыдущего способа тем, что наполнение ёмкости 3 от одного контрольного значения давления до другого осуществляется через установленные на передаточной линии 2 дроссель и борботажную камеру ( на рисунке условно не показаны ). При этом объем и. общая. пористость материалов, помещенных в измерительную ёмкость 3, определяются как функции от числа пузырьков газа, при-прохождении которых давление в ёмкости повысилось от одного контрольного значения до другого.

При измерении объема, активной пористости или проницаемости способом, основанным на создании в ёмкостях длуполярннх газодинамических возмущений, последние "создают путем периодического колебания мембраны или сильфона, установленных на торце ёмкости I. Проходя через передаточную линию 2 или пористый материал, установленный в ней, колебания давления газа по амплитуде уменьшаются и происходит сдвиг колебаний'по фасе. При этом объем или активная пористость определяются в зависимости от отношения амплитуд колебания давления газа в ёмкости I и ёмкости 3 или по сдвигу фаз колебаний.

- 12 -

Если колебания давления газа в емкости I создавать в звуковом диапазоне с изменяющейся частотой то имеем акустический способ измерения объема и активной пористости. Последние определяются по резонансной частоте в емкости I. И наконец, если все три емкости физической модели рис.1 сделать одного диаметра, а с торца ёмкости I мембраной или поршнем создавать акустические колебания в звуковом или ультразвуковом режиме, то вдоль оси сообщенной системы будут распространяться зондирующие импульсы, которые дойдя до преграды, отразятся и вновь вернутся'к излучатели. По времени прохождения импульсов от мембраны до преграды и обратно судят о расстоянии ( уровн е ) до преграды, которое есть функция объема, при измерении объема лесоматериалов в емкостях и на платформах.

Математическая модель метода представлена совокупностью еле дующих уравнений. Это уравнение Навье-Стокса или уравнение вытекающее из закона сохранения количества движения, которое в системе цилиндрических координат X, Z, 9 ( см.рис.1 ) запишется следующим образом

« ди _ дР . .,гд*и , / ди 7 , .

Уравнение неразрывности или уравнение вытекающее из закона сохранения массы '

«

Уравнение состояния . .

P = RofiT. (з)

Уравнение политропического процесса

PV" -const. (4) .

Уравнение Эйлера в форме Громеко

^g+g'iaci-^+zCb-v-aF-i-yiadP. (5)

Уравнение адсорбции Брунауера, Эммета, Таллера (БЭТ) О ц С(Р/Рн)

а» а-р/рн)[и-(с-<)р/р„] w

- 13 -

Три уравнения Дубинина

«-^wH^/feiV/J. т

Уравнение Дарси

Q,-K9aPli (ю)

Уравнение Кельвина^ (п)

Два 5'равнения Фика для нестационарного и стационарного состояния te^jjytjj (12)

-2Vp (13)

где р - плотность газа, Г - температура,- Ткр - критическая

температура, Р - давление газа, Рн- давление насыщенного пара, U - осевая составляющая скорости течения газа, ТГ- радиальная составляющая скорости течения газа, JU - коэффициент динамической вязкости, Ср - теплоемкость газа при постоянном давлении, t - время, it - константа Ван-дер-Ваальса, V - газовый объем ёмкости, Я» - газовая постоянная, К -показатель адиабаты, Z - радиус канала, Ш - векторная форма угловых скоростей, F - векторная форма массовых сил, V векторная форма скорости течения, С - постоянная определяемая отношением времени жизни адсорбированных молекул в первом и последующих слоях, Q - относительная величина адсорбции (кг/м'^), О/п - величина адсорбции при заполненном монослое, А и В - структурше константы, fi - коэффициент афнн-

ности, Vnafi'- относительный объем микропор (м^/м^), Vnop - относительный объем макропор (м^/м^), dL - коэффициент учитывающий содержание микропор, Vnop - суммарный относительный объем порового пространства, ф. - поток газа в единицу времени через единицу площади (кгДг'.с), Кр - коэффициент фильтрации, &Р перепад давления в материале (потери напора), в - линейный размер в направлении фильтрации, Ум - молярный объем жидкости, ¡f -поверхность натяжения жидкости, У - краевой угол мениска жидкости со стенками капилляра, D - константа диффузии, 7fi - градиент концентрации газа в исследуемом материале, шщокс О в уравнениях I и 2 означает установившееся состояние. •

Основными расчетными уравнениями, описывающими способ, основанный на создании двуполярных возмущений в калиброванной и. измерительной ёмкости, будут уравнения 1,2,4 при П —K-CO/ISi.

, В целом физико-математическую модель способа можно охарактеризовать как линеаризированную осескмметричную с учетом трения при следующих краевых условиях ( геометрических, физических, граничных и временных): ■

- течение газа в сообиенной системе ламинарное, отклонение пульсаций параметров от среднего значения незначительны, радиальная составляющая скорости значительно меньше осевой состав/ лящей, длина передаточной линия 2 значительно превосходит её диаметр, время процесса (время измерения объема и активной пористости незначительно), расходные; характеристики передаточной линии 2 достаточны для исключения наложения гармоник, ёмкости I и 3 представляют' собой, правильные или приближенные к правильным геометрические фигуры с плавным изменением поперечного сечения, ёмкости 2 и 3 в процессе измерения объема и активной пористости не деформируются, давление на входе в передаточную линию 2 равно давлении в ёмкости I, на выходе из ёмкости 2 давлению в ёмкости 3, процесс изменения параметров в ёмкостях I и 3 при газодинамическом возмущении квазистационарный, в поперечном сечении передаточной линии 2 плотность и давление' постоянны.

В результате аналитического решения уравнений 1,2 и 4 при данных допущениях получены следующие аналитические зависимости. "При определении объема материалов Vr в измерительной

- 15 -

ёмкости -_

„ , -3-г.г * Л/ДА - + йЪ-САа./ЛиУ]

/г— 1« —-—"——я—--'--

««

' . йгч-±дуа<9 ио'

При игмерекии активной пористости материалов

где 1

л> _ и)уь [(0.1з(&<>-йп-&10-<2<а)+0иб (Зе О-/* +(2<о-а<*)] ■

—: "¿Га'Ш^аЯ ~~

п> ¡¿уц[йи+в«>-ап)-0/ь(в9 а^-йю-йи)] --~ + &' ~~

п и}[С1п(йз -йп З'е (йя ■ она +аю-ао)]

то —-—г-- '

Рр0а1 (0.11+

а = и![Ян№9-Он >

19 в : рро а1 (аЬ г а*<) .• . " '

(За ; &п**&Ь0и1исо&01чи,,.

(Ьб'-^ЗЬйни'ьт ЧпЬ ; ;. <2 /.г=с/?¿?/зЬсо5 А

Ию^Ш^йз + а^-Ох)Рои}, *Г(2/71+1) ' тш1 (гт-г)! Г(2.т-ьг)

~ НГ'Ч+Г-Ш^- П ^ нгО-УЧт-Г

Ит-1)! г (гт) Г(гтн)

Аа/Аи и ^ - отношение амплитуд колебаний давления газа в ёмкостях I и 3 и угол сдвига фаз колебаний; ' О? - частота колебаний давлений газа.

Значения £ в уравнениях 14 и 15 соответствует длине передаточной линии.

В уравнениях 16 и 17

1 = = £Ьм (18)

где ¿,м - толщина пористого материала в направлении фильтрации;

о(тб - коэффициент'поровой извилистости; ДЬАх, ¿Ьйм - величины искусственного удлинения входных и выходных участков пористого тела соответствующие входным и выходным потерям давления в пористой среде.

£ - суммарный коэффициент удлинения, учитывающий как извилистость пор так и потери на входных и выходных участках.

■ В результате решения на ЭШ трех уравнений 16 при различных и) определяются численные значения.активной пористости материала П , эквивалентного радиуса пор Я и коэффициента £ .

Древесные материалы являются анизотропны® материалами. С учетом анизотропии активная пористость может быть определена

- 17 -

из следующего уравнения

ж--п7~ *—' <19) .

где /7у и /7* - активная пористость .в двух глазных направлениях

У и X - углы, образуемые осью цилиндрического образ-* ца с главными направлениями.

Основными расчетными уравнениям! при определении объема и пористости материалов способом основанным.на газовом разряде калиброванной ёмкости в измерительную являются'уравнения 3,5, . 7,8,9,при определении.проницаемости, - уравнения 10,12,13..

В результате аналитического решения получены следующие расчетные зависимости для определзния общей пористости материалов. '•

Для материалов, цоровая структура которых состоит только из супермакройор

1/1 _ I/ Рао - РР ' (АМа- ЛМи + йМ.т) йоТ ; „ ^ - /о- р^р^ '-Рр-Р„ -* /г - ■ С 20)

Для материалов, поровая структура которых состоит из су-пермакропор и дакроттор .. '

-ЯГгк- 1 ■ (21)

/ </тик 7

. . фр-Р„о - Уле\*оТ Я (Рас-Рр)1-йМаЙаТ

. ---—---С22)

■ Л -Рр+Рмо

6г

Если исследуемый, материал содержит супермакропоры и-макропоры с -¿опорами то .. .

,,чак &г, (Рае -г Р„о - 2 РР)

У"»---ЪГГЦ----(23)

Vе у[Рр-Р»о-Уп\*°ТУа (Раа-Рр)+&Ма Уг"УоТ Щ-Рр+Рнс

- 18 -

Наиболее сложным случаем является тот, когда в исследуемом материале наравне с'сулерыакропорами имеются микропоры и макропоры с меэопораии;. - • - •

В этом случае при условии '

[Г/Т*р(Р/Ркр)*]~ЫО'\. (25)

из уравнения 21 определяет объем микропор. Далее, из уравнения

; (26)

И»,» --яггиЖ ' к *0)

определит объем макиопор. И и.? уравнения

Уяор~ Рр-Рх,- . ЩМ^

определяют объем супермакропор. Здесь ■

УШ -Г С(РВО/Рн) С(Рр/Р*У Ь ж

/Р* )[1Нсч)Рао!Рн] (4-Рр/Р«)Г'+(С-0Рр/Р*У " ' (23'

^ Рад Уа у-./Рхд Уи-Рр (Уд+Уч) ■ ~ СйоГСФ^-О^ ' (29)

/ ¿а (Рсс/Рх) ¿с (Рр/Рн) )

Щ IРЫР«)[1+(с-0Рао/Рн] ~Ц-Рр/Р„)[1Нс-<)Рр/Рн]]' (30)

/& -/. ¿«(РР/Р») ¿н(Р»а/Рн) 1

^ ~[(¿-Ра/Р")0+(С-<)Рр1Р»1 ~ (1 -Риэ/Рн)[ц-(С-1)Р*о/Рн]/ ' С31)

ш,-/ С (Рр/Рн) С(Рхо/Рн) •

(Г 1-?р1Р*)[МСЧ)Рр1Ри] ~Ь-Рр1Р»)[1НС-1)Рр1Р*]]ви'«2).

лМт-1 Сг (Рр/Рн) Ст(Рио/Ри) Ь

Л Ъ-ЫР«)[<НСтЧ)Рр1Р«] а-Р^/Р^(Сг-1)Р14в/Р,]]6т'М' С33)

+ ехр{-&Щ[££Р*р/РИо]), (34)

+e*pfesre}[£(pKP/p„0, ш

щ = ел^-а (p«P/Pp)?]J

(з<г> ¿ч , <» г - масса материалов р объеме /а , !Л» , '/г . &и - обобщенные коэффициенты 5» =5/4* , Qjt=A/j} t индекс " # " - относится к параметрам измерительной ёмкости 3, индекс " Q " - к параметрам калиброванной ёмкости I, индекс " О " к параметрам до перепуска, индекс "Р "к равновесно.^ давлении, индекс " Г " к параметрам исследуемого материала, параметры после перепуска обозначены без индекса.

Если исследуемый матери,ал содержит только микропоры, то пористость можно оценить из следующего уравнения имик Рр(Уа+Ун-Уг)+(&Ма~йИи)РаГ-Рао Уа-р«о(Уи-Уг) .

Упор-ЧхШЪ-;- ' (38)

~ТГ~и

Если поровая структура материала состоит из мезопор и мак-ропор, то расчетным является уравнение ■

и»а* Рр(Уа + (йНа-йМи)в,Т-Рао Уа.-Рио (V*-Ут)

--1ШТи-:-!—' «9)

В» Щ

Когда в исслеяуомоч материале имеются как.микропоры так и мак-. . ропоры с мезопорами, первоначальный газовый разряд должен удов-

- 20 -

летворять условию 25. При этом из уравнения 38 определяется объем микропор, а объем макропор с мезопорами из уравнения

. . , , . МмркоТУтЯ

иъ*_Р?№*У"-Уг)+(йМа-йМ»)1?,7-РасУс1-Р»о(У'*-Уг)- в1

Упор : й.тугщ — ; йо)

8г

Способом основанным на газовом разряде калиброванной ёмкости в измерительную можно такие определить удельную поверхность материалов 5г ( м2/г)

■ - А М5*(Рр ~ Р*а ) + й Ма(РГ~ Рмо^ Ш)

где -

М-Гп*п*)( Сг(Рр*/Р»)__Ст(Р*о/Ри) 7

1 " а'\(1-Рр"ущф-<}р?уд,/*(ст-орхг/р«]] ~

л** И Ст(Рр/Рн) ' Ст (Рно/Рн) \

~{Р ;1(1-Р?7Р»)[МСт-1)РР'/Р„] ~(1-РМ)МС7 Ч)Р*'о /Р»]} (42)

• N - число Авагадро; Ан - площадь поперечного сечения молекул газа; !Т\ - молекулярный вес ацсорбета; * и - индексы первого и второго газовых разрядов осуществляемых при различных Рао .

"Аналогичным образом получены аналитические зависимости для определения объема древесных материалов в технологических ёмкостях способом основанным на газовом разряде калиброванной ёмкости в измерительную. Это уравнение

8,

0*-Рис* УЪ'ЯоТщ Ш

¿г.

£•15) (46)

При измерении проницаемости газовый разряд осуществляется через пористый материал, установленный в ёмкости 2. Первоначальное давление в ёмкости 3 нулевое . На рис. 2 показана осциллограмма изменения давления в измерительной ёмкости.

Рис. 2

Используя данные осциллограммы Рс и ¿с , которые являются мерой времени и давления при которых устанавливается постоянный поток,определяются значения коэффициентов:

- проницаемости " . .

и _ УчМ£ 0 (Рц-Рс) (47)

FR.TPaii.-tc) ' '

- диффузии

й=е.г/ьи. (48)

-211/ &_

¿1

г/._______9*____

Рр- Р»р * ы я + У"ор*°Т„, '

¿г <?г "" •

где 9, = ии(рр-Р»о)+(йМа-&М*)Й0Т.

- 22 -

- растворимости ( константа Генри }

Кг- г *0 те Ра -г с) ' <49> .

где. - коэффициент кинематической вязкости; Р и £ - площадь поперечного сечения и толшина образца.

При измерении объема, и общей пористости материалов'способом основанным на сравнении газовых разрядов в измерительной и калиброванной"ёмкости влияние физической адсорбции равносильно искусственному образованию дополнительной газовой ёмкости, объем которой будет зависеть от массы адсорбирующего (десорби-рующего.) в процессе опыта газа.

Объем дополнительной газовой ёмкости, образованной массой газа, адсорбируемой на стенках измерительной ёмкости определяется из уравнения" . ху _т$»б«/?0тс ( <__1_}

ЫАт 1(Рн-Рк2)[<1-(Сч)Ркг/Ри] '(Ри-Рк1)[1+(С-4Ркг/р»у (50)

Объем дополнительной газовой-ёмкости, образованной массой газа, , адсорбируемой на поверхности измеряемого материала из следующих уравнений. ' , ' " Если поровая структура материала состоит из микропор

если из макрооор и мваопор. .

(г,)

если из-микропор, мезопор и макролор, то при определении дополнительной газовой полости используются уравнения 51 и 52.

Здесь /П - молекулярный вое адсорбента, N - число Ава-гадро, Ам - тлощхць поперечного сечения молекул адсорбета, Ас/ и Ркг - контрольные точки давления.

. С учетом уравнений 50,51- и 52 получено следующее исходное расчетное уравнение для определения объема древесины и древесных материалов способом основанным на сравнении газовых разря-

здесь

дов - • _ • ' ' !—,

1/ У» + & Ун-Ю1Т ±

при измерении микропористых материалов

при измерении материалов содержащих макропоры или макропоры-и мезопоры. - .

Если измерен;® подлежат материалы содержащие как ми;фопо-ры, так макропоры и мезопоры то

Л=сЦ]*+(1-Ы)Л** ' (5б)

где Л*—Л из уравнения 54, а из уравнения 55.

Для определения численного значения обобщенного параметра/О в уравнении 5-3 разработаны две методики, - методика экспериментального определения и методика аналитического определения. Методика аналитического определения включает разные режимы истечения газа из измерительной и в измерительную ёмкость.

При изотермическом процессе наполнения( опорожнения) и сверхкритическом и.докритическом режиме, при адиабатическом процессе наполнения С опорожнения ) и сверхкритическом и докри-тическом режиме. Исследован.также.переходный режим истечения,-от сверхкритического к докритическому.

Разработана также методика определения численных значений обобщенных констант

вг , в* , ,

и суммарного относительного порового объема Упор. ,

При измерении проницаемости материалов способом, основанным на сравнении газовых разрядов используется уравнение

X _ Уме о (Ркг-Рк1)

Анализ уравнений 47 и 57 показывает, что определение проницаемости способом основанным на сравнении газовых разрядов

можно осуществить с большей точностью, чем способом основанным на газовом разряде калиброванной ёмкости в измерительную, так как й этом случае нет необходимости графическим путем из осцил-рис.Н определять зна^ен^е "Ьс и Ро . Способ измерения объема и пористости материалов, основавши на квантовании газового объема измерительной ёмкости, дает возможность получения измерительной информации непосредственно в цифровой форме. При этом используются уравнения

«л- „Л, У"(Ркг-Ре<) I/ _ ПОм-йНн--

*т 1ЩТр^7

Зг . А>Г

при измерении объема материалов, содержащих микропоры

■и__пБ»-АМ*- йоТ " ~ . Уяор Що Ркг-Рк! ¿г ~ й„Т

Л Г)лм —

Уг-

- . . 1/и (Ркг-Рк*)

п5м-ьм»- Вот--(60)

УпорСЫ. Яо + (Ы-1) Ш,о] _ Ркг-Рк1 • .

^ .. . ЯоГ мак

В уравнении 58 Упор = Упср , в равнении 59 Упор = Упор у в

. пик мол

уравнении 60 Упор "Упор + Упор

Значение и Ш,о определяются из уравнений

сначония П&п из уравнения

^ \Ркг - Р<1) + йМ« + АМт (ю)

Зчсеъ П - число порций- газа при прохождении которых в изме-ригельнуз емкость происходит повышение избыточного давления от Рк1 до Ркг , _ масса газа. •

.Можно значительно .уменьшить дискретность квантования, а следовательно попысить точность измерения, если квантования

- 25 -

осуществлять пузырьками газа.

Для образования пузырьков газа на выходе барботажной трубки, на входе необходимо создать давление Ра равное сумме да2-ления Рн в измерительной ёмкости, гидростатического давления Рг и давления Лапласа Рл . .

Объем пузырька К» определяется из условия отрыва его от верхнего среза барботажной трубки.

1/ _ 2/7Як б , „

здесь Рк - радиус отверстия барботажной трубки, 6 - коэффициент поверхностного натяжения жидкости, р* и р - плотность жидкости и плотность газа в пузырьке в момент его отрыва. Масса газа в пузырьке в- момент отрыЕа равна

(¿>ж -Р) $

где Р -' радиус пузьтрька в момент отрыва,

Так как период давления между Ае/ и Ркг в этом случае монет быть минимальным, то условиями адсорбции при измерении объема материалов мокко пренебречь, используя следующее уравнение

Ра (ЬЬ)

где V? - высота уровня жидкости под верхним срезом барботажной трубки.

Значительное влияние на погрешность измерения объема мате-риелов данным способом оказывает динамика пузырькообразования, возникающая при Ра > Ри + Рг ■*■ - .

Динамика образования пузырька была исследована при допущении о сферической симметрии развития пузырька. Так как при образовании пузырька скорость движения его стенки гораздо менйие скорости звука, то жидкость рассматривалась как несжимаемая. Поэтому в качестве основных уравнений при исследовании использовалось не уравнение Навье-Стокса, а уравнение Зйлера 5, которое решалось совместно с уравнением неразрывности 2.

В результате было получено уравнение для определения давле-, ния газа в пузырьке в момент его отрыва с учетом динамики пузырь-

кообразования

ния

При измерении пористости материалов использовались уравне-

{lUk-' С6В)

при измерении микропористых материалов

V (69) ■

ил,о Vr4bz :

при измерении макропористых материалов.

Если материалы содержат микропоры, макропоры и мезопоры, то первое измерение осуществляют при выполнении условия 25 Пои отом из уравнения 68 определяют объем микропор. Затем производят ещё одно измерение не^отвечающее условию 25 ,с последующим определением объема макропор из уравнения

ина* п5~М -¿М»~ (-^ГгЙ^и - /г)~ У пар До УгУ&г W = ' Щс УгУбг ' :

Если вместо крышки измерительной ёмкости .плЬтно установить, предварительно вымоченный в жидкости образец из порис--того древесного материала, а газовую полость под образцом квантовать пузырьками газа, то из уравнения

.«а* _ 4<? cos в_,

можно определить максимальный размер пор.

Эдёсь h' - суммарная высота сдоя жидкости над образцом и жидкости в образце, /7 - число пузырьков газа до момента появления в слое водности над образцом первого пробойного пу-льгрька.

Если,после определения максимального размера пор, обеспечить более интенсивное увеличение давление под образцом, приводящее к началу интенсивного выхода • пузырьков по всей поверхности пористого образца, то по величине отого давления можно определить средний размер пор.

Если принудительное газовое возмущение в ёмкости I (рис.1) осуществлять со звуковой или близкой к ней частотой то из урав-

нения

можно определить объем помещенных в измерительную ёмкость материалов. Здесь Ов - скорость звука, и)р - резонансная частота, Р и и - площадь и длина отверстия передаточной линии 2 (рис. I).

Уравнение 72 получено в результате совместного решения уравнений 1,2 и 3 и является логическим продолжением аналитического решения проведенного при физико-математическом описании способа измерения объема и пористости материалов ^основанного на создании в измерительной и калиброванной ёмкостях двуполяр-нык газовых возмущений.

Определение объема круглых лесоматериалов и щепы в технологических^ ёмкостях и железнодорожных платформах акустическим способом по изморенному уровню возможно при решении трех взаимосвязанных задач:

1. Надежное измерение'текущего уровня с учетом стохастической криволинейности наружной поверхности контролируемого материала.

2. Возможность определения среднего уровня материаюв по измеренному текущему уровню.

3. Определение ( с ошибкой в пределах ГОСТа) объема материалов в плотной мере по среднему уровню.

Анализ физико-математической модели показал, что решение первой задачи возможно путем измегения несущей частоты излучаемых импульсов с последующим анализом принимаемых, отраженных от контролируемой поверхности. При этом максимально необходимый . диапазон изменения частоты наполнения зондирующих импульсов рекомендуется определять из соотношения

1Г А ■ п+Щ С73;

где £ и - частота и длина волны..

Аналитическое решение второй задачи сводится к выводу расчетного уравнения по которому можно оценить ошибку измерения среднего уровня насыпного объема щепы, опилок или пачки (шта-'

беля ) круглых лесоматериалов по измеренным текущим уровням.

Вероятность попадания ошибки в интервал -й определяется из уравнения. гй

где т(£-) - плотность распределения. .

Автором выведены аналитические зависимости для определена при различном количестве газодинамических датчиков уровня, установленных над наружней поверхностью измеряемых материалов с'целью определения среднего, уровня..

Если над контролируемой поверхностью установлен один датчик уровня то ,

при 3

V- (75)

£ О при а >5 ор<и

где «5 и С - максимальное и минимальное значения ошибки измерения среднего уровня одним датчиком.

Если два датчика уровня то ■'•.•.

(о при £<¿ 0 .

Если три'датчика уровня -[А1(6-иг при$-с>&>С

(77)

5 >е >¿5

где . 27/[2(5-1)4

Если-число датчиков- Я >3 то •• •

•' .сдссь суммирование продолжается,пока-аргументы £ £-[(пч)и1-$]/п , ¿-[(п-г)с+2в]/п И т.д. остаются полож-

.телышми. '■..'■ ' :-.-.-:

- . Определение с -¡здеокой точностью среднего уровня при заданных ,габаритных размерах.насыпной массы-щепы и опилок или штабе-, •ля кругах лесоматериалов достаточно для измерения с.высокой

- 29 - .

точностью объема лесоматериалов в складочной мере

VcwB-L; hep (79)

где В и L - ширина и длина штабеля.

Для определения объема в плотной мере необходимо обьем з . складочной мере умножить на среднестатистическое значение коэффициента полнодревесности Кп

Vn/tom « Vck/i ■ Кп "B L •hep •Кп (8 0)

Однако точность измерения объема а плотной мере в этом случае будет недостаточно велика вследствии значительной вариации Ля • Незначительной точностью обладает и весовой способ определения объема в плотной мере из формулы

Vniom « <Z/X (8I)

где i и f - измеренная масса и среднестатистическое значение коэффициента перевода измеренной массы в плотный объем.

Для решения третьей задачи автор объединил уравнения 80 и 81. В результате объединения получено соотношение

(S2)

В этом уравнении у<зм является коэффициентом перевода измеренной массы d в складочный объем ( Ускл ). В отличие от Кп и У величина )[Скл является не среднестатистической, а измеряемой' величиной.

Используя измеренное ¡fCK/i , а также диапазоны изменения Кп и ¡f по специально разработанной программе расчета на ЭШ осуществляется корректировка Кп в уравнении 80. Корректировка позволяет значительно уменьшить диапазоны варьирования Кп относительно' истинного значения, а в некоторых случаях и полностью исключить. .

Наибольшая практическая отдача способа монет быть реализована при маршрутных перевозках лесоматериалов. При этом осн -ным критерием- состава маршрута ( с любым количеством вагонов ь маршруте) является погрешность измерения объема лесоматериалов в плотной мере. ЭВМ составляет вагоны в маршруте таким образом, чтобы эта погрешность была меньше установленной стандартом величины $3%.

- 30 -

3. Выбор рациональных параметров при измерении пористости и проницаемости древесных материалов и объема лесоматериалов.

Основные расчетные уравнения для измерения объема, пористости и проницаемости древесных материалов газодинамическим методом включают в себя целый ряд параметров, количество и функциональная взаимосвязь между которыми определяется способом, на базе которого реализуется метод.

Тем не менее существует определенная закономерность присущая урце^.зниям С способам}, э^кл.у^—.'О^^ия а том, что Ь'.с параметры характеризующие способ' и входящие в основное расчетное уравнение можно подразделить на две группы:

- измеряемые, в нашем случае давление или время или давление к время. Эти параметры,можно измерить с наибольшей точность; на базе современной измерительной техники;

- искомые - те, что необходимо определить . ■

В насем случае объем или. пористость*или проницаемость.

На базе этого разделения пара^тров и построена физическая модель метода, на основе которого осуществляется выбор рацио-, налышх параметров. " ■

■ В основе метода .лежит следующий искусственный прием: вначале предполагается, что измерению подлежат две партии ( два образца) контролируемых материалов, искомый параметр которых (объем или пористость или проницаемость) незначительно отличаются между собой. ' . ,

Затем аналитически, используя исходное расчетное уравнение определяется приращение измеряемого параметра вследствие этого отличия. В эту зависимость, кроме измеряемых и искомых,войдут и конструктивные параметры; - .''-''.

Далее аналитически отыскиваются, за счет исследования полученной функциональной зависимости- на экстремум,-рациональные значения конструктивных параметров, т.е. такие, при которых, при незначительном изменении искомого параметра, будут наблюдаться наибольшие приращения измеряемого.

Таким образом в основе.методики выбора рациональных параметров лежит повышение чувствительности, а следовательно к точности способа (устройства),

Предложенный метод имеет довольно простое физическое под-

■ - зг - .

твервдение: если бы, вследствии приращения искомого, измеряемый параметр по величине не менялся, то измерение искомого данным способом вообще неосуществимо.

При определении рациональных конструктивных параметров способа измерения объема, пористости и проницаемости, основанного на газовом разряде калиброванной ёмкости в измерительную исследовались сверхкритический (изотермический и адиабатический) и докрити-ческий ( изотермический и адиабатический) режимы истечения газа.

Для сверхкритического изотермического истечения получены следующие уравнения:

для определения рационального объема калиброванной ёмкости

тГзНо Tao (Z*-f*) Va ~~ en z*/T** (аз)

для определения рационального объема измерительной ёмкое?;;

(y„-Vr-Av)[i-(i+ z*)exP(~m'F3*'a Тсо z*)]=

-(».-*)[,-m'%Ra° Ta°Z**)] ш

для определения рационального температурного режима ' здесь fT) - некоторая постоянная

m'=[Kf/R< • (2/<H)'Ktim-,)Ji

■ Fi - эффективная площадь перепускного канала;

Z* и Z** - изменение времени перепуска в результате приращения объема на величину J V .

Такие же уравнения получены для сверхкритического адиабатического и докритического (адиабатического и изотермического ^-'режимов'истечения газа.

Уравнение для выбора рациональных параметров мояет быть решено с использованием ЭВ11 и номограмм. В работе приведены номограммы для определения рациональных значений Va , V* , VaNtt , Tao , Fa , а также для определения промежуточных параметров.

Исходные расчетные уравнения, в результате дифференцирова-

нкя которых получены уравнения типа 83,84, выявляются функциями нескольких переменных. Если каждую переменную ограничить определенным, присущей только этой переменной интервалом* можно, исполь зуя метод поиска Хука-Длшвса путем нахождения экстремальных точек ( i'una /ПйХ или mLft ) дифференцируемых функций с ограничениями на параметры, определить рациональную совокупность параметров. В работе приводится описание программы выбора рациональных реиений - FORMAT написанной на алгоритмическом языке FORTRAN для ЭВМ Нейрон И9.66.

Еыбор рациональных параметров способа измерения объема.и пористости материалов, основанного на сравнении газовых разрядов калиброванной,и измерительной ёмкости, осуществляется в два этапа. • •

На первом этапе исследования процесс наполнения газом измерительной ёмкости, на втором - процесс опорожнения. Для каждого этапа определены рациональные значения Рао , Рмо , Р* , Pa ,Va

I/и для сверхкритического и докритического режимов истечения, газа.

Аналогичным образом получены рациональные значения параметров, характеризующих другие способы, - способ основанный на квантовании газового объема, способ основанный на создании двуполяр-ных возмущений в калиброванной и измерительной ёмкостях, акустический способ. 1

4. Разработка газодинамических средств измерения пористости,

проницаемости и объема.

Анализ расчетных уравнений для определения объема и пористости материалов газодинамическим способом показывает, что для любого режима истечения в'них* кроме давления:и времени, имеется и температура. Для исключения температурного влияние разработаны схемы последовательного и параллельного подключения дополнительной калиброванной ёмкости. Подобное использование дополнительных калиброванных ёмкостей является эффективным и при аппаратурном оформлении устройств инвариантных к утечкам газа через неплотност»

В данной главе приводится описание 21 оригинальной конструкции для измерения объема, пористости и проницаемости древесных

материалов. Приведенные конструкции защищены авторскими свидетельствами и отличается степень» инвариантности к утечкам и температуре, степенью автоматизации процесса измерения, степенью точности, технологичности и т.д.

5. Экспериментальные исследования газодинамических средств измерения объема, пористости и проницаемости древесины и древесных материалов.

Экспериментальные исследования проводились с целью подтверждения теоретических результатов; оценки погрешности измерения объема, пористости и проницаемости; сравнительного анализа газодинамических способов по функциональным и метрологическим качествам; определения численных значений констант , дз , С , Ст, $г и т.д.

'Для проведения экспериментальных исследований были разработаны, изготовлены, смонтированы и оснащены соответствующей измерительной и регистрирующей аппаратурой экспериментальные и промышленные образцы средств измерения пористости и проницаемости древесных материалов и объема лесоматериалов.

В процессе экспериментальных исследований проводилось измерение объема круглых лесоматериалов на железнодорожных платформах, балансов в шахте дефибрера, щепы в варочном котле; измерение пористости и проницаемости древесностружечных и цементостру-жечньгх плит, фанеры, арболита, древесноволокнистых плит, прессовых сукон и сушильных сеток, различных пород древесины.

Для сравнительной оценки влияния адсорбции на погрешность измерения объема материалов в процессе испытаний использовались и непористые металлические' материалы, а также материалы известной пористости, полученные путем прессования медной проволоки известного диаметра и общей длины.

В процессе испытаний впервые получены численные значения следующих параметров, характеризующих пористость и проницаемость древесных материалов :

- численные значения активной пористости и проницаемости древесностружечных и древесноволокнистых плит в различных сечениях, а также различных пород древесины ( поперек волокон ) при различном удалении от центра;

- 34 -

- значения удельной поверхности древесностружечных и древесноволокнистых плит вдоль и поперек пласти, а также различных пород древесины вдоль и поперек волокон;.

- значения активной пористости древесностружечных плит и древесины различных пород с учетом анизотропии по двум главным направлениям;

- значения общей пористости древесностружечных плит и древесины различных пород при различной влажности;

- значения коэффициентов учитывающих потери давления на входе и Екходе при фильтрации газа через древесностружечные плиты

и древесину различных пород;

- количественное соотношение объемов супермакропор, макро-пор с мезопорами и микропор в арболите и древесностружечных плитах.

В процессе испытаний газодинамических средств измерения объёма лесоматериалов.экспериментально подтверждена их высокая точность. Если измерение объемов лесоматериалов в технологических ёмкостях проводить с учетом адсорбции, то погрешность измерения меньше х 1%, а при измерении методом квантования, газового объема в пределах ^ 0,3%. .

. Достаточно высокая точность измерения объема лесоматериалов является основным преимуществом способа, основанного на квантовании газового объема. Однако время измерения здесь велико, - в пределах нескольких минут. - .

При экспериментальном исследовании акустического уровнемера впервые получены осциллограммы при прохождении бревен цилиндрической и торцевой поверхностью в поле датчика ( испытания в воздушной среде ). Подобные осциллограммы характеризующие отражение зондирующих импульсоо от криволинейной поверхности ранее были получены лишь при испытаниях в водной среде.

Надежная работа уровнемера с криволинейными поверхностями позволила успешно реализовать его в схеме измерения объемов балансов в шахте дефибрера и объемов круглых лесоматериалов на нелеанодорокном транспорте.

' -35-ОСНОБНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЖВДЛЦИЙ

Впервые получены следующие достоверные результаты имеющие важное научно-техническое и практическое значение при измерении пористости, проницаемости и объема древесины и древесных материалов.

1. Научные положения процесса измерения пористости, проницаемости и объема древесины и древесных материалов, с$орг<улиро-ванные и обоснованные в диссертации в результате аналитических и экспериментальных исследований позволяет сделать вывод о том, что на базе единой физико-мате.матической модели разработан и исследован принципиально новый газодинамический метод измерения пористости, проницаемости и объема, основанный на принудительном динамическом возмущении окружающей контролируемый материал газовой среды с последующим определением искомых параметров по её термодинамическому состоянию.

2. В зависимости от режима газодинамического возмущения данный метод может быть реализован одним из следующих способов:

- путем газового разряда калиброванной ёмкости в измерительную;

- путем сравнения газовых разрядов калиброванной и измерительной .ёмкостей •;

- путем квантования газового объема измерительной ёмкости; .. - путем создания двуполярных возмущений в измерительной и

,калиброванной ёмкостях;

.- путем создания непрерывных акустических"возмущений.

Каждый из предложенных способов имеет определенные преимущества и недостатки, ограничивающие их взаимозаменяемость, и только совокупность способов позволяет решить проблему измерения пористости, проницаемости и объема древесины и древесных материалов комплексно, практически для всех существующих технологических режимов и видов материалов.

3. Разработанные в диссертации методологические основы и инженерное обеспечение в виде алгоритмов и программ, номограмм и аналитических зависимостей позволяет осуществить выбор рациональных значений следующих конструктивных и газодинамических параметров :

- объемов калиброванных и измерительных ёмкостей, включая ра-

• - 36 -циональное соотношение объемов;

- сечений перепускных каналов и каналов дросселей;

- температурных режимов и режимов газодинамического возмущения.

4. В основе метода выбора рациональных параметров лежит единая физическая модель, основанная на следующем искусственном приёме: предполагается, что измерению подлежат два, незначительно отличающихся по искомому, который нужно определить, параметру партии древесных материалов; далее аналитически определяется приращение измеряемого в процессе-исследования параметра вслед-ствим этого приращения. При этом рациональное значение любого, входящего в исходное уравнение геометрического или газодинамического параметра определяется путем исследования данной многола-раметровой функции на экстремум.

Предложенный метод имеет'достаточно четкое физическое обоснование: - если измеряемый параметр вследствии приращения искомого (пористость, проницаемость или объем) по величине не изменяется, то определение искомого данным способом, вообще невозможно. Так же как, если приращения геометрического йли газодинамического параметра! входящего в расчетное уравнение, не вызывает изменения измеряемого при.тех же.значениях, искомого, то данный параметр внесен в расчетное уравнение ошибочно.

5. Установлено, что древесина к древесные материалы имеют специфическую и даже в некотором роде уникальную поровую структуру, значительно отличающуюся от порошх структур других пористых материалов. Зто позволило значительно расширить существовавши;:') до настоящего времени классификацию пористых материалов по размерам пор. . .'...'

6. Разработанная методология аппаратурного оформления газодинамических средств измерения пористости, проницаемости и объёма древесины и древесных материалов с учетом спецификации их поросых структур позволила значительно расширить их функциональные возможности. Полнилась возможность!непосредственно в техно- . логическом процессе осуществлять контроль за всеми Этими параметрами. Этот факт ¡¡.¡еет большое практическое значение так как позволяет, через измеренный объем, вести учет или дозирование рабочих компонентов и одновременно, через измеренные пористость

и проницаемость, осуществлять контроль за .их физическими свойствами. Все это способствует повышению качества выпускаемой продукции.

7. Разработанная методология определения рациональных значений конструктивных и газодинамических параметров,- а также использование в качетве измеряемых только двух (давление и время), определяемых с помощью современной аппаратуры с наиболее высокой точностью, позволило, в некоторых случаях на порядок, повысить точность измерения пористости, проницаемости и объема древесины и древесных материалов. Это имеет важное практическое значение так как способствует использованию средств измерения объема, пористости и проницаемости не только по прямому назначению, но и в качестве прецизионных анализаторов правильного ведения технологического процесса, например, устройства для определения времени окончания заварки (варки) целлюлозы.

8. Использование методологии и разработанной с учетом этой методологии аппаратуры позволило, для древесины и древесных материалов, получить целый ряд параметров, характеризующих их по-ровуга структуру. А именно, удельную поверхность древесины и древесных материалов; относительные объемы в различных ' древесных материалах микропор, макропор и мезопор, супермакропор; активную пористость древесины и древесных материалов, включая экви-

■ валентный радиус активных пор; приведенные коэффициенты диффузии и растворимости газа наравне с коэффициентом фильтрации и . ■ газопроницаемости для плохопроницаемых древесных материалов; минимальный размер открытых пор и т.д.

9. Результаты выполненного научного исследования, в том числе и выпущенной автором монографии, могут быть использованы при проектировании средств измерения пористости, проницаемости и объёма древесины и древесных материалов, а также в вузах лесотехнического профиля при изучении поровых структур и фильтрационных свойств древесины и древесных материалов.

10. Народохозяйственный эффект от использования проведенного научного исследования не эамыкае-гся пределами отрасли. • Широкие функциональные возможности и высокая точность измерения пористости, проницаемости и объема предопределили применение средств, основанных на газодинамическом методе и в других отрас-

лях промышленности, пищевой, химической, газодобывающей, машиностроении и др.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах автора:

1. Автоматические средства измерения объема, уровня и порис тости материалов..М.: Энергоатомиздат. 1990, Цбс.

2. Методы группового обмера и учета лесоматериалов.М.: ВНЙШЭИлеспром, 1986 , 35с (соав.А.Е.Таубер)

3. Экспериментальное исследование грейферного автокубатур-ника. Научные труды..',!.: ЮПИ, вып. 87, 1976, с.131-134.

4. К расчету принципиальной схемы обмера круглых лесоматерие лов контактным методом. Научные труды.М.: ЫЯГЙ, вып. 98, 1977,

с. 70-76. - • .

5. Экспериментальное исследование полнодревесности пачки круглых длинномерных лесоматериалов.// Изв. вузов, Лесной журнал, 1977, №5, с. 133-136.

. 6. Вопросы расчета объемов древесины грейферным автокуба-турником.// Тезисы.докладов Ш Всесоюзной научно-технической конференции "Комплексная механизация и автоматизация подъемно-транспортных работ в лесной и деревообрабатывающей промышленности.!»'.: ЖГИ, 1977, с. 176-178.

7. Некоторые вопросы теории построения автокубатурников.//Из вузов. Лесной журнал, - 1977, 155, с.125-129 (соав.Б.А.Таубер).

8. Метод аналитического определения интервала распределения ошибок обмера круглого леса контактными автокубатурникаш. Научные труды.¿1.: .ЮТ, вып.98, 1977, с.61-70 (соав. Б.А.Таубср).

9. .Точностная' оценка методов измерения объёмов материалов при погрузке. Научные труды.м.: ,'ЩИ, вып. 166, 1984, с. 70-73 (сбав. В.П.Косоруков, А.Л.Карнаев, А.В.Вельмицкин).

10. Среднее арифметическое случайных независимых величин, распределенных равномерно.' // Метрология. 1982. с.9-11.

11. Новые методы .измерения объема лесоматериалов. Научные труды. Ш.: ЖИ, вып. 197, 1987, с.103-112.

12. Методика стабилизации погрешности измерения объемов материалов газодинамическим методом .// Измерительная техника. 1985, .V 12. с Л 4-18. ' .

' - 29 -

'• 13. К определению пористости материалов газодинамическим методом // Заводская лаборатория. 1986.т.52. )'4. с.50-52

14. Повышение точности измерения пористости материалов методом расширения газа путем оптимизации объемов ёмкостей // АН СССР. Дефектоскопия. 1988, №2, с.83-8?.

15. Пневматическое измерение объемов материалов в герметизированных ёмкостях // Механизация и автоматизация производства. 1986. },*' 8 с. 33-34

16. Устройство для определения объема круглых лесоматериалов // Лесная промышленность. 1985. ),">9. с.31-32

17. Автоматическое определение объемов круглых лесоматериалов // Механизация и автоматизация производства. 1985. J5 I. с.22-23 (соав. А.А.Донских )

■ 18. Газодинамический метод измерения объема и активной пористости материалов // Механизация и автоматизация производства. 1989. í?8, с. 19-24. ' '

19. Определение проницаемости изделий текстильной и легкой промышленности газодинамическим методом. // Тезисы'докладов'Всесоюзной конференции "Техккчоскйй прогресс а развитии ассортимента и качества икделий легкой промышленности. Иваново: 1987,

с. 136-137 (соав. В.П.Вонцалетов, П.В.Кудряков ).

20. Применение эластичной пневмооболочки в качестве герметичного затвора ёмкостей // Тегисы докладов Всесоюзного семинара "Теория и, практика рационального использования ГСМ в технике. Челябинск. 1987. с.21

21. Методика расчета автокубатурников на точность // Изв. вузов. Лесной журнал, - 1983. }?6. с.48-53

22. О точности обмера круглых лесоматериалов грейферным автокубатурником. Научные труды.М.: ШГГИ. вып.118. 1981. C.IÍ8-121 (соав. Й.А.Аниськин ). /

23. 'Физико-математическая модель измерения объема, уровня, пористости и проницаемости газодинамическим методом // Тезисы докладов 5 Всесоюзной научно-технической конференции "Комплексная механизация и автоматизация подъомно-транспортшх работ в лесной, целлшезно-бумамной и деревообрабатывающей промышлен- ' ности". И.: ЩИ. 1989. с.III.

- 40 -

24. Фотоэлектронное устройство для определения плотности материалов // Механизация и автоматизация производства. 1985. »9. с.37-38.

25. Газодинамический метод определения проницаемости плохо-проницаемых древесных материалов. Научные труды. М.: МЛТИ. вып. 247. 1991. с.88-112.

26. Влияние геометрии челюстей грейферного механизма на величину интервала распределения ошибок измерения круглых лесоматериалов в зеве грейфера. Научные груды.М.: МЯГИ. вып.132. 1980. с. Ц6-Ц9 (соав. В.Л.Косоруков ).

27.Автокубатурник с электромеханическим преобразователем // Механизация и автоматизация производства. 1979. Г'12. с.16-17.

28. Авт.свидетельство СССР К 551512. Устройство для определения объема лесоматериалов, 1977 (соав.Б.А.Таубер, В.З.Авдеева), Опубл.30.05.1977. Ш Ш.

29. Лзт.свидетельство СССР № 587461. Устройство для дистанционной передачи угловых перемещений вала, 1978 (соав.Б.А.Таубер) Опубл. '05.01.1978, Ш И. ■'

30. Авт.свидетельство СССР )? 1137315, Способ "определения объема тела, 1935, Опубл. 30.0l.l9a5. Щ К. •

31. Авт.свидетельство СССР № 1050739 . Навигационный диспер-гатор, 1983. Опубл. 30.Ю.1983. ЕЯ МО (соавт.Н.Ф.Терехов, 1.1.Ю. Тимофеев, Е.А.Силакова ).

32. Авт.свидетельство СС1СР 1/ 1054686 Устройство для определения объема тел. 1983. Опубл. 15.II.1983. Ш 542.

33. Авт.свидетельство СССР № 1116256.' Способ герметизации быстроразъемных соединений, 1984. Опубл. 30.09.1984. ЕИ » 36.

34. Авт.свидетельство СССР.№ 1118965 Устройство программное управления позиционированием. 1984. Опубл. 15.10.1984. Б! 138 (соав. В.П.Косоруков, Л.В.Куликов, В.В.Зомин, А.В.Лучинкн).

35. Авт.свидетельство СССР № Ц74085. Кавитационный дис-пергатор, 1985. Опубл. 23.08.19а5. БИ ¡1' 31 (соав. Н.Ф.Терехов, М.Ю.Тимофеев ).

36. Авт.свидетельство СССР К ПбЭДЭб Способ измерения объема внутренней полости изделия, 1985. Опубл. 07.07.86. ЕИ Г'25

( соав. Б.А. Таубер). ,

- 41 - .

■ 37. Авт.свидетельство СССР f? 1368720. Газодинамический способ определения пористости материалов. 1986. Опубл.23.Ol.88.

БИ !53.

38.Авт.свидетельство СССР Ii I3I58I2. Газодинамическое устройство для определения объема тела. J987. Опубл. 07. Об. 1987. БИ №21 (соав. В.П.Косоруков, Ю.С.Григорьев, А.А.Бугаков ).

39.Авт.свидетельство СССР Ji I4220I2. Способ определения объ-ема'тела, 1988. Опубл.07.09.88. Ш 1,"33.

40. Авт.свидетельство СССР А' 1409869. Устройство для измерения объема ёмкости. 1988. Опубл. 15.07.88. Ш )Р26 (соав. В.П.Косоруков, В.Б.Красавин, Ю.С.Григорьев).

41. Авт.свидетельство СССР J? 1503461. Способ измерения объема ёмкости. 1989. Опубл. 22.08.1989. Ж ]? 34.

• 42. Авт.свидетельство СССР I? I7I8046. Устройство для определения газопроницаемости материалов. 1992. Опубл. 7.03.1992. БИ !?9 (соав. Б.А.Таубер).

43. Авт.свидетельство СССР J? 1673850. Газодинамическое уст-ройство'для определения объема тела. 1991. Опубл. 30.08.1992. ВИ J?32. (соав. М.А.Тарасов,. В.П.Косоруков, Ю.П.Ильиных).

44. Газодинамический способ определения пористости древесины и древесных материалов. Заявка В 4892394 СССР, МКИ3 6"0lF 15.(В. Положительное решение от 26.07.1991г. (соав.Щербаков A.C.)

45. Газодинамический способ определения объема древесины и древесных материалов. Заявка 15 4862048/10. СССР, ЖИ3 £г OlF 17/00. Положительное решение от 08.07.1991г. (соав. Б.А.Таубер).

■ 46. Газодинамический способ определения пористости древесины и древесных материалов. Заявка J? 4881933/25 СССР, МКИ3 (г Gr -у/

15/08. Положительное решение от 20.06.1991г.

47. Устройство для определения максимальных размеров пор. Заявка № 4781435 СССР, ЖИ3 6-01^15/08. Положительное решение, от 23.09.1991г. (соав. Б.А.Таубер).

48. Способ определения активной пористости материалов. Заявка J," 4646088/25 СССР, ;,Ш3 & Ol Л15/08. Положительное решение от 30.01.1990г. (соав. Б.А.Таубер).

49. Ультразвуковой способ измерения уровня и устройство для его осуществления. Заявка JS 4884078 СССР, МКИ3 & Olli 17/00. Положительное решение от 28.06.1991г. (соав. Е.П.Тетерин, В.В.Красавин).

50. Способ определения времени варки (заварки) сульфатной бисульфитной целлюлезы. Заявка !? 4824352/13 СССР, МШ3

I5/C0. Положительное решение от Ю.12.1991г. Ссоав. В.И.Аза ров, А.В.Протасов, В.А.Цузнецов).