Способ определения влажности изделий из твердых материалов
Владельцы патента RU 2408880:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский политехнический университет" (RU)
Изобретение относится к измерительной технике. Способ контроля влажности изделий из твердых материалов заключается в том, что контролируемое изделие подвергают механическому воздействию с помощью ударного устройства с нормированной силой удара, регистрируют генерируемый изделием электромагнитный сигнал, с помощью Фурье-преобразования определяют амплитудно-частотную характеристику электромагнитного сигнала, из которой определяют амплитуду основного максимума. Затем сравнивают определенную таким образом величину с предварительно установленной градуировочной зависимостью, связывающей влажность изделия с амплитудой спектрального максимума электромагнитного сигнала, по результатам сравнения определяют влажность изделия. Заявленное изобретение направлено на повышение точности определения влажности изделий из твердых материалов. 2 ил., 1 табл.
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам определения влажности твердых материалов посредством приложения ударных нагрузок, и может найти применение для определения влажности изделий из твердых материалов, например из бетона.
Известен кондуктометрический способ определения влажности (Берлинер М.А. Измерение влажности. - М.: Энергия, 1973, с.52-54; Лапшин А.А. Электрические влагомеры. - М.: Госэнергоиздат, 1960, с.15-20), основанный на изменении электрического сопротивления материалов при изменении их влажности. Влагосодержащие материалы, являясь в сухом виде диэлектриками, в результате увлажнения становятся проводящими. Удельное сопротивление влажных материалов изменяется в зависимости от содержания влаги в чрезвычайно широком диапазоне, охватывающем 9-12 порядков. Такой широкий диапазон может негативно сказывается на точности данных измерителей, особенно сложно кондуктометрическими измерителями влажности контролировать материалы при малых влажностях, когда электрическое сопротивление очень велико и мешающие факторы вносят в него большую погрешность.
Известен диэлькометрический способ измерения влажности (ГОСТ 21718-84 Материалы строительные. Диэлькометрический метод измерения влажности), основанный на корреляционной зависимости диэлектрической проницаемости материала от содержания в нем влаги при положительных температурах. Для измерения влажности строительных материалов или изделий диэлькометрическим методом применяют диэлькометрические влагомеры, отвечающие требованиям ГОСТ 25611-83. Основными недостатками является небольшая глубина зоны контроля, влияние состояния поверхности на результаты измерения и высокая погрешность измерения в области малых значений влажности.
Задачей изобретения является повышение точности определения влажности изделий из твердых материалов.
Поставленная задача решена за счет того, что в способе определения влажности изделий из твердых материалов контролируемое изделие подвергают механическому воздействию с помощью ударного устройства с нормированной силой ударного возбуждения. Измеряют электромагнитный сигнал и с помощью Фурье-преобразования рассчитывают амплитудно-частотную характеристику электромагнитного сигнала, из которой определяют амплитуду основного спектрального максимума. Затем сравнивают амплитуду основного спектрального максимума с установленной градуировочной зависимостью, связывающей амплитуду основного спектрального максимума с влажностью, и по результатам сравнения определяют влажность изделия.
Следовательно, новизна предлагаемого изобретения заключается в том, что для определения влажности используют амплитуду основного спектрального максимума электромагнитного сигнала, регистрируемого из материала при его ударном возбуждении.
Физическая сущность способа определения влажности твердых тел основывается на взаимосвязи амплитудно-частотных характеристик электромагнитного сигнала с влажностью материала. Проведенными ранее исследованиями установлено, что электромагнитный отклик при механоэлектрических преобразованиях является следствием возбуждения акустической волной источников сигнала, представляющих собой двойные электрические слои на границе разнородных материалов и пьезоэлектрические включения, входящие в состав мелкого и крупного заполнителя в бетоне, при котором возникает переменное электромагнитное поле (за счет изменения дипольного момента источников, их смещения относительно приемника и пьезоэффекта при деформировании пьезоэлементов), преобразуемое в электрический сигнал емкостным датчиком. Акустическая волна формируется в образце при его импульсном механическом возбуждении. В процессе высушивания влагонасыщенных образцов постепенно начинают более эффективно работать источники электромагнитного отклика, расположенные в объеме образца, из которого испарилась вода и где не происходит экранирования источников окружающим их влагонасыщенным пористым цементным камнем. В результате этого при высушивании образцов происходит возрастание амплитуды электромагнитного отклика. Электромагнитный сигнал, регистрируемый из случайно-неоднородного материала, является суперпозицией сигналов от отдельных источников механоэлектрических преобразований, равномерно распределенных по объему и поверхности образца. Проведенными ранее исследованиями (Фурса Т.В., Суржиков А.П., Осипов К.Ю. Разработка акустоэлектрического метода определения пористости диэлектрических материалов // Дефектоскопия, 2007, №2, с.27-34) показано, что роль поверхностных источников механоэлектрических преобразований в суммарном электромагнитном отклике примерно равнозначна в сравнении с внутренними источниками, поэтому состояние поверхности не оказывает влияния на регистрируемый электромагнитный сигнал.
Проведенные исследования показали, что влажность изделий оказывает существенное влияние на амплитуду электромагнитного сигнала. На Фиг.1 приведена зависимость влажности образца бетона (по массе) от амплитуды спектрального максимума электромагнитного сигнала. Зависимость, изображенная на Фиг.1, является градуировочной для определения влажности изделия.
На Фиг.1 приведена зависимость влажности бетона от амплитуды спектрального максимума электромагнитного сигнала.
На Фиг.2 приведена амплитудно-частотная характеристика электромагнитного сигнала, где показана амплитуда основного максимума спектра (А).
В таблице 1 приведены значения амплитуды электромагнитного сигнала из одного и того же образца бетона, зарегистрированные при различных значениях его влажности.
Градуировочную зависимость устанавливали следующим образом: образец тяжелого бетона размером (100×100×100) мм3 с заполнителем в виде гравия, изготовленного по ГОСТ 10180-90, помещался в воду на сутки, а затем производилось его многократное испытание при различных значениях влажности в процессе его высушивания. Испытания проводили следующим образом. Образец помещали на испытательный стол, на верхнюю поверхность образца устанавливали ударное устройство с нормированной силой ударного возбуждения. Сила ударного возбуждения составляла 30 Н. Измерительный датчик, представляющий собой металлическую пластину размером 100×100 мм, устанавливали параллельно боковой поверхности на расстоянии 3 мм от нее. С помощью измерителя электромагнитной эмиссии, совмещенного с ЭВМ (Гордеев В.Ф., Елисеев В.П., Малышков Ю.П., Чахлов В.Л., Кренинг М. Аппаратура для контроля качества неметаллических материалов и изделий по характеристикам электромагнитной эмиссии // Дефектоскопия. - 1994. - №4. - С.48-54), осуществляли с пульта управления автоматический запуск ударного устройства и регистрацию электромагнитного сигнала. Оцифрованные через интервал времени, равный 8 мкс, значения амплитуды сигнала поступали в оперативную память ЭВМ. По окончании измерений из полученных результатов формировали файл данных. Данные обрабатывались на ЭВМ с использованием стандартной программы "Origin 7.0 Professional", где с помощью Фурье-преобразования рассчитывали амплитудно-частотную характеристику электромагнитного сигнала, из которой определяли амплитуду его основного спектрального максимума (А) (Фиг.2). Затем таким же образом производили испытание при другом значении влажности образца бетона. Таким же образом производили измерения во всем выбранном диапазоне изменения влажности образца тяжелого бетона. Влажность образца определяли весовым методом согласно ГОСТ 12730.2-78. Полученные данные по влажности образца бетона и амплитуде основного спектрального максимума электромагнитного сигнала заносили в таблицу 1. На ЭВМ с помощью стандартной программы "Origin 7.0 Professional" проводили экспоненциальную аппроксимацию и получили искомую зависимость: влажность - амплитуда спектрального максимума электромагнитного сигнала (Фиг.1), которая для образцов тяжелого бетона размером (100×100×100) мм3 с заполнителем в виде гравия, изготовленного по ГОСТ 10180-90, описывается уравнением:
влажность=-0,033+5,37ехр(-23,25·амплитуда)+7,73ехр(-1,4·амплитуда).
В качестве примера осуществления предлагаемого способа приведем испытание образца тяжелого бетона размером (100×100×100) мм3 с заполнителем в виде гравия, изготовленного по ГОСТ 10180-90. После окончания процесса твердения (28 дней) в условиях камеры нормального твердения, где поддерживалась температура 18±2°C и влажность 95%, образец находился в комнатных условиях в течение 3 дней. Испытание проводили следующим образом. Образец помещали на испытательный стол, на верхнюю поверхность образца устанавливали ударное устройство с нормированной силой ударного возбуждения. Сила ударного возбуждения составляла 30 Н. Измерительный датчик, представляющий собой металлическую пластину размером 100×100 мм, устанавливали параллельно боковой поверхности образца на расстоянии 3 мм от нее. С помощью измерителя электромагнитной эмиссии, совмещенного с ЭВМ (Гордеев В.Ф., Елисеев В.П., Малышков Ю.П., Чахлов В.Л., Кренинг М. Аппаратура для контроля качества неметаллических материалов и изделий по характеристикам электромагнитной эмиссии // Дефектоскопия. - 1994. - №4. - С.48-54), осуществляли с пульта управления автоматический запуск ударного устройства и регистрацию электромагнитного сигнала. Оцифрованные через интервал времени, равный 8 мкс, значения амплитуды сигнала поступали в оперативную память ЭВМ. По окончании измерений из полученных результатов формировали файл данных. Данные обрабатывались на ЭВМ с использованием стандартной программы "Origin 7.0 Professional", где с помощью Фурье-преобразования рассчитывали амплитудно-частотную характеристику электромагнитного сигнала, из которой определяли амплитуду его основного спектрального максимума (А) (Фиг.2). Амплитуда спектрального максимума электромагнитного сигнала для данного образца бетона оказалась равной 0.97. Полученную амплитуду сравнивали с предварительно установленной зависимостью (Фиг.1), по которой определяли влажность в %. Величина прогнозируемой влажности для данного образца оказалась равной:
-0,033+5,37ехр(-23,25·0,97)+7,73ехр(-1,4·0,97)=1.95%.
Истинную влажность определяли весовым способом. Для чего измеряли массу влажного образца, затем образец был высушен в сушильном шкафу до постоянной массы по ГОСТ 12730.2-78 и измерена масса сухого образца. Истинная влажность образца оказалась равной 1.87%. Следовательно, относительная погрешность определения влажности с использованием предложенного способа составила 4.3%.
Для сравнения было проведено определение влажности этого же образца с использованием влагомера строительных материалов ВСКМ-12У. Величина влажности в этом случае для данного образца оказалась равной 2.2%. Т.е. погрешность определения влажности с использованием ВСКМ-12У оказалась равной 15%.
Таким образом, изобретение повышает точность определения влажности изделий из твердых материалов.
| Таблица 1. | ||
| Способ контроля влажности изделий из твердых материалов. | ||
| № п/п | Амплитуда спектрального максимума, отн.ед. | Влажность, % |
| 1 | 0,024 | 10,6 |
| 2 | 0,054 | 8,4 |
| 3 | 0,124 | 7,2 |
| 4 | 0,23 | 5,6 |
| 5 | 0,29 | 4,8 |
| 6 | 0,7 | 2,8 |
| 7 | 0,9 | 2,3 |
| 8 | 1,25 | 1,3 |
| 9 | 1,15 | 1,5 |
| 10 | 2,06 | 0,4 |
| 11 | 2,6 | 0 |
Способ определения влажности изделий из твердых материалов, заключающийся в том, что контролируемое изделие подвергают механическому воздействию с помощью электромеханического ударного устройства с нормированной силой ударного возбуждения, регистрируют генерируемый изделием электромагнитный сигнал, с помощью Фурье-преобразования определяют амплитудно-частотную характеристику электромагнитного сигнала, из которой определяют амплитуду основного максимума, сравнивают полученную величину с предварительно установленной градуировочной зависимостью, связывающей влажность изделия с амплитудой спектрального максимума электромагнитного сигнала, по результатам сравнения определяют влажность изделия.
