Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

КОНТРОЛЬ ВЛАЖНОСТИ ДРЕВЕСИНЫ И УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ЕЕ СУШКИ

Макартичян С В, Шилин А Н, Стрижиченко А В,

5.2. Электрофизические методы контроля влажности

Электрофизические методы контроля влажности основаны на контроле электрофизических параметров древесины. Известно, что электрофизические параметры во многом зависят от влажности древесины [43, 52, 54]. Точность этих методов определяется теснотой корреляционной связи электрофизических параметров с влажностью и степенью влияния на них мешающих параметров, таких как плотность, анизотропия, температура древесины и др. При надлежащей компенсации этих помех точность электрофизических методов может отвечать требованиям производства [17, 82]. При непрерывном контроле в потоке за счет большого объема контролируемой древесины точность контроля влажности электрофизическими методами оказывается даже выше точности метода высушивания.

Для контроля за влажностью древесины на потоке наиболее перспективен диэлькометрический метод [1, 2, 14, 79, 122]. В зависимости от контролируемого параметра и частоты этот метод подразделяется на емкостный метод [26, 123], метод диэлектрических потерь, метод полного сопротивления и сверхвысокочастотный метод [15, 109, 117]. Ниже рассматриваются процессы, которые происходят в древесине при воздействии синусоидального электромагнитного поля. Под действием электрической напряженности этого поля через древесину протекает ток iΣ, фаза которого сдвинута относительно фазы напряженности на угол φ, как показано на рис. 5.2. Этот ток определяется векторной суммой токов, совпадающих по фазе с напряженностью , и тока смещения, опережающего напряженность на четверть периода. Поскольку мощность, расходуемая на нагрев древесины, определяется синфазным с током, этот ток называют током потерь. Его плотность iп + iпр определяется плотностями токов сквозной проводимости iпр и диэлектрических потерь iп. Ток сквозной проводимости iпр обусловлен в основном подвижностью ионов и их количеством в древесине, поэтому он зависит от влажности и концентрации солей. Подвижность ионов, т.е. их средняя скорость движения при единичной напряженности поля, очень мала, порядка 10–8–10–7 (м/с)/(В/м), поэтому с увеличением частоты сквозной ток через древесину уменьшается.

Большое влияние на плотность этого тока оказывает температура, так как с ее повышением увеличиваются диссоциация и подвижность ионов. Плотность этого тока во многом определяется структурой и направлением волокон древесины и зависит от размеров и расположения каналов, в которых находится влага. На измерении этого тока основан кондуктометрический метод контроля влажности древесины [135]. Основное достоинство названного метода заключается в простоте. Однако из вышеприведенного очевидно, что точность метода не может быть высокой из-за больших температурных погрешностей, влияния анизотропии и неравномерности структуры древесины. Сквозная проводимость во многом зависит от качества электрического контакта между электродами преобразователя влажности и древесиной. Достаточно хороший контакт можно получить только при контактном усилии не менее 20 кгс/см2. Такое усилие наиболее просто достигается при использовании игольчатых электродов, вбиваемых в древесину.

При контроле влажности древесной стружки и шпона устойчивый электрический контакт получить гораздо труднее, чем на массивной древесине. Поэтому кондуктометрические влагомеры нашли применение в основном на контроле влажности массивной древесины. При влажности менее 5 % сквозная проводимость древесины сильно уменьшается и становится соизмеримой с проводимостью изоляционных материалов. Поэтому контроль малых влажностей кондуктометрическим методом затруднителен.

Плотность тока диэлектрических потерь iп определяется затратами энергии поля на преодоление сил, препятствующих поляризации древесины. Эти затраты пропорционально возрастают с ростом частоты. Поэтому плотность тока диэлектрических потерь определяется выражением

iп = ωε0ε″E, (5.4)

где ε″ – относительный коэффициент потерь.

Относительный коэффициент потерь ε″ или мнимая относительная диэлектрическая проницаемость зависит от частоты ω и влажности древесины. При увеличении частоты возрастают скорости колебания диполей и, в соответствии с этим, возрастают потери на преодоление трения между ними. Поэтому коэффициент потерь зависит от частоты. Зависимость относительного коэффициента потерь ε″ от частоты по Дебаю имеет вид [10]

(5.5)

где и – действительные относительные диэлектрические проницаемости соответственно при ω = 0 и ω = ∞. Эти потери достигают максимума при критической частоте

(5.6)

где τ – постоянная времени релаксации, т.е. время, необходимое для уменьшения величины поляризации до 1/e первоначального значения после отключения источника поля.

При дальнейшем увеличении частоты сказывается инерционность диполей и амплитуда их колебаний уменьшается. Это приводит к уменьшению коэффициента потерь ε″. Такие процессы в древесине отчетливо наблюдаются на очень низких 102–104 Гц и на очень высоких частотах порядка 108–1011 Гц. Необходимо иметь в виду, что, несмотря на уменьшение коэффициента потерь ε″ с ростом частоты, активная мощность, теряемая в древесине, растет, так как она линейно зависит от частоты поля.

На низких частотах релаксационные процессы обусловлены структурной поляризацией. Этот вид поляризации возникает из-за неоднородности структуры древесины, так как каждый ее элемент (клетки, включения влаги, поры и др.) можно считать диполями, на концах которых при воздействии поля устанавливаются заряды противоположного знака. Из-за больших размеров этих диполей процесс установления поляризации происходит очень медленно. Поэтому на частотах выше 104–105 Гц этот вид поляризации практически пропадает. Важное свойство такой поляризации – это высокая чувствительность к влажности в тех точках диапазона, где изменение влажности связано с изменением структуры древесины. Так, при влажности около 8 % в структуре древесины появляются новые элементы – микрокапилляры, заполненные водой. Они образуют макродиполи, которые участвуют в структурной поляризации. Это приводит к изменениям составляющих комплексной диэлектрической проницаемости, что можно использовать при контроле влажности [81]. Проведенные исследования показывают, что по величине диэлектрических потерь в древесине на частотах 1–5 кГц можно определять влажность древесины в диапазоне 8–10 % с очень малой погрешностью, порядка 0,3–0,4 % [66].

При влажности древесины около 30 % начинает появляться свободная влага. Включения этой влаги также представляют собой макродиполи, которые резко изменяют структурную поляризацию.

Необходимо иметь в виду, что соотношения между массой древесного вещества и объемом пустот для разных клеток древесины различны [115, 116]. В этом смысле древесина представляет собой вероятностную структуру, которую можно охарактеризовать законом распределения этого соотношения.

На сверхвысоких частотах коэффициент потерь ε″ изменяется за счет релаксационных процессов, происходящих непосредственно в воде [11, 61, 96, 120, 130]. Здесь необходимо иметь в виду, что собственно вода в обычном ее состоянии появляется в древесине только при влажности, которая превышает точку насыщения волокна. При малых влажностях молекулы воды сильно связаны с молекулами древесины и образуют гидратированные молекулы. Свойства этих молекул ближе к свойствам молекул древесины, а не к молекулам воды. При дальнейшем увлажнении новые молекулы воды присоединяются к гидратированным молекулам, в результате чего их энергия связи с древесиной ослабевает. Это приводит к постепенному изменению критической частоты ωкр, от значения, характерного для древесинного вещества, до значения, свойственного воде.

Плотность тока смещения iс определяется величиной относительной диэлектрической проницаемости ε′ древесины

iс = jωε0ε′E. (5.7)

При отсутствии древесины через тот же единичный объем протекает ток, плотность которого равна

iс0 = jωε0E, (5.8)

где ε0 – электрическая постоянная.

Отношение токов iс/iс0 численно равно относительной диэлектрической проницаемости ε′. В соответствии с теорией Дебая диэлектрическая проницаемость ε′ определяется выражением

(5.9)

На низких частотах, когда поляризация успевает полностью установиться при каждом изменении напряженности поля, диэлектрическая проницаемость древесины максимальна, так как определяется поляризацией всех диполей древесины. При больших влажностях на частотах 10–100 Гц за счет структурной поляризации она может значительно превышать диэлектрическую проницаемость воды, так как в последней нет, поляризации этого вида. Однако уже при частотах 150–200 Гц структурная поляризация уменьшается и величина ε′ приближается к обычным значениям [66].

При дальнейшем увеличении частоты диэлектрическая проницаемость уменьшается, причем абсолютное приращение ее растет с увеличением влажности. Сравнение выражений (5.5) и (5.9) показывает, что величины ε′ и ε″ связаны функционально, поэтому на очень высоких частотах метод диэлектрических потерь и емкостный метод имеют равные точности. Это объясняется тем, что с ростом частоты токи iп и iс растут, а ток сквозной проводимости iпр уменьшается и становится настолько малым по сравнению с током iп, что им можно пренебречь. На сверхвысоких частотах в области дисперсии диэлектрической проницаемости влагомеры, основанные на методе потерь, становятся более точными. Это объясняется возрастанием чувствительности влагомеров, основанных на методе диэлектрических потерь по сравнению с чувствительностью влагомеров, основанных на емкостном методе.

На частотах сантиметрового и миллиметрового диапазонов, когда длина волны становится соизмеримой с размерами макронеоднородностей древесины – размерами трещин, толщиной годовых слоев, неровностями поверхности, размерами частиц стружки, – точность контроля влажности ухудшается [98, 124, 125, 126]. На этих неоднородностях происходят отражение и рассеяние волны, в сильной степени начинает сказываться анизотропия древесины.

Учитывая, что критические частоты при малых влажностях древесины лежат в диапазоне 108–109 Гц [11], можно утверждать, что наибольшую точность влагомеры древесины будут иметь в диапазоне дециметровых волн. При этом размеры неоднородностей много меньше длины волны и не оказывают заметного влияния на распределение поля в древесине.

Поскольку контроль влажности происходит обычно при высокой и нестабильной температуре и погрешности от ее колебаний довольно значительны [118, 121], необходимо рассмотреть ее влияние на диэлектрические свойства древесины. Общая закономерность здесь состоит в том, что повышение температуры приводит к уменьшению вязкости воды (с ростом температуры молекулярные силы ослабевают). Это облегчает установление дипольной поляризации воды и увеличивает амплитуду колебаний диполя под действием напряженности. Такое облегчение, с одной стороны, должно уменьшать диэлектрические потери и увеличивать диэлектрическую проницаемость, но, с другой – происходящее увеличение амплитуды колебаний приводит к росту потерь, а установление поляризации затрудняется возрастанием тепловых колебаний молекул. Все это приводит к тому, что в зависимости от частоты поля диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь tgδ с повышением температуры могут как расти, так и уменьшаться.