Радиоволновая влагометрия лесоматериалов

Одной из возможностей транспортировки продукции лесной промышленности, а именно брёвен, является морской (речной) транспорт. При пересечении границы, для начисления таможенных платежей, необходимо точное определение веса перемещаемых брёвен. Загрузка (вес груза) определяется по усадки судна.

В свою очередь вес брёвен будет зависеть от их влагосодержания. Последнее регламентируется и указывается в сопроводительных документах на перевозимый груз. Таким образом, перед таможенными органами ставиться задача в определении истинного значения влагосодержания брёвен. Одним из основных путей решения этой задачи является использование современных методов неразрушающего контроля (НК).

Методы НК позволяют автоматизировать измерения влажности. Большинство влагомеров позволяет проводить измерения без разрушения контролируемого объекта, чем достигается экономия материала, а также возможность повторения измерения на одном и том же участке объекта контроля при проверке результата измерения.

Проведём оценку влияния влагосодержания древесины на её вес (массу). Для этого рассмотрим некоторые зависимости. Воспользуемся формулами смеси и выбирим одну из них.

В качестве математических моделей смесей служат зависимости, связы­вающие какую-либо физическую величину n-фазной смеси с теми же физическими величинами и объёмными концентрациями отдельных компонентов.

Так как нас интересует плотность смеси, формула имеет вид:

, (9)

где: δ – объёмная концентрация воды, ρ_n – плотность воды, ρ₀ – плотность древесины.

Из справочника возьмём значения плотности: ρ_n = 1,0 г/см³, ρ₀ = 0,5 г/см³. Рассчитаем по (9) значения плотности при изменении δ от 0 до 0,35. Полученные значения сведём в таблицу 4. Примем за начальную влажность δ =0,35. Тогда изменение массы для разного значения влагосодержания будет представлен в 3-ем столбце таблицы.

Таблица 4.

Влагосодержание δ	Плотность смеси ρ, г/см3	“Прирост массы”, %
	0,5
0,05	0,525	28,6
0,1	0,55	22,7
0,15	0,575	17,4
0,2	0,6	16,7
0,25	0,625
0,3	0,65	3,8
0,35	0,675

 

Как мы видим, при соответствующем высушивании древесины происходит, происходит “прирост” массы.

Физические принципы, положенные в основу радиоволнового контроля отражаются выражениями.

Диэлектрическая проницаемость диэлектриков:

e* = e¢ – je² , (10)

e¢ = e; e² = s /w; tgd = e²/e¢= s /we,

где: s - проводимость, w - круговая частота приложенного поля.

e* = e ·(1– j tgd), (11)

Таким образом, для влажных материалов диэлектрическая проницаемость характеризуется комплексной величиной (11).

Использование СВЧ-излучения для измерения влажности основано на изменении постоянной распространения и коэффициента затухания электромагнитной волны в линии передачи или свободном пространстве. При прохождении микрорадиоволн через материал - диэлектрик происходит их затухание и задержка фазы, величина которых определяется из формул:

Dа = a·d, (12)

(13)

где: a - коэффициент затухания; b - фазовая постоянная; Dj - сдвиг (задержка) фазы; d - толщина материала; l - длина волны.

Таким образом, измеряя фазовый сдвиг и уменьшение амплитуды микрорадиоволн при помощи СВЧ-устройств, можно контролировать изменение диэлектрических параметров, обусловленное изменением влажности материала.

С учётом того, что при контроле древесины (брёвен), необходимо иметь зону контроля, по площади не больше 5 мм², используем аппаратуру 8-ми миллиметрового диапазона. Для данного диапазона с уменьшением длины волны численное значение e¢ снижается, a e² возрастает, поэтому целесообразно контролировать изменение как действительной, так и мнимой части диэлектрической проницаемости. Отсюда, в основу для построения приёмно-излучательного тракта СВЧ-измерителя влажности (влагомера) используем устройство, регистрирующее фазу и интенсивность (амплитуду) электромагнитных колебаний при одностороннем доступе к контролируемому изделию.

Принцип действия радиоволнового влагомера основан на взаимо­действии электромагнитного излучения СВЧ-диапазона с древесиной и регистрации сигнала, вызванного изменением диэлектрических характеристик древесины вследствие изменения в ней массовой доли влаги. Прибор за счёт различной настройки осущест­вляет режим амплитудного или фазового измерения. В первом случае информационным параметром является амплитуда, во втором – фаза волны провзаимодействовшей с древесиной.

Структурная схема влагомера приведена на рис. 6. Влагомер выполнен в виде двух составных частей: датчика 1 и электронного блока 2. Работа прибора производится в соответствии со структурной схемой (рис. 6) следующим образом. Источник излу­чения датчика 1 получает необходимое напряжение от блока пита­ния и модуляции излучателя 3 и вырабатывает электромагнитные ко­лебания, промоделированные меандром.

СВЧ-излучение от датчика направляется на контролируемый объект 4 и эталонный образец (с нулевой влажностью) 5, отраженные от них части излучения взаимодействуют между собой. Ре­зультат взаимодействия, а именно информация о влагосодержании в виде электрического сигнала выделяется на детекторе датчика. Далее электрические сигналы от детектора подаются в усилительно-согласующий блок 6 , и далее в блок об­работки 7 , где в автоматическом режиме производится его обработ­ка и выделение сигнала, который поступает в блок индикации 8 и регистрируется на цифровом табло.

4

2

 

Рис. 6. Структурная схема влагомера

1– датчик, 2 – электронный блок, 3 – блок питания и модуляция СВЧ-генератора, 4 – контролируемы объект, 5 – эталонный образец, 6 – усилительно-согласующий блок, 7 – блок обработки, 8 – блок индикации.

СВЧ-датчик служит для анализа состояния контролируемого материала и выработки сигнала пропорционального изменению состо­яния материала (см. рис. 7).

 

 

 

●

 

Рис. 7. СВЧ-датчик

1 – генератор СВЧ, 2 – подвижный короткозамыкатель, 3 – двойной волноводный тройник, 4 – аттенюатор, 5 – камера с эталонным образцом 6, 7 – подвижный короткозамыкатель, 8 – фазовращатель, 9 – антенна, 10 – объект контроля, 11 – детектор с подвижным короткозамыкателем 12.

 

Датчик включает в себя СВЧ-тракт (рис. 7), состоящий из ге­нератора 1, двойного волноводного тройника 3, аттенюатора 4, эталонного образца 6, полупроводникового диода (детектора) 7, фазовращателя 8 и подвижных короткозамыкателей.

Исследования, проведенные на образцах древесины и результаты последующей математической обработки результатов измерений, подтверждают наличие связи между диэлектрической проницаемостью и процентным содержанием влаги в древесине. Эта связь имеет линейный характер и выражена соответствующим корреляционным уравнением. Таким образом, определяя диэлектрическую проницаемость, можно судить о содержании влаги в древесины и принимать решение о необходимости её высушивания.