Способ измерения коэффициента диффузии влаги в капиллярно-пористых листовых материалах

Изобретение относится к области исследования диффузионных эффектов, а именно к области измерения коэффициента диффузии влаги в капиллярно-пористых материалах. Способ измерения коэффициента диффузии влаги в капиллярно-пористых листовых материалах заключается в том, что исследуемый листовой материал помещают на плоскую подложку из влагонепроницаемого материала, в начальный момент времени осуществляют импульсное точечное увлажнение поверхности исследуемого материала. Затем с постоянным шагом во времени регистрируют значения сигнала гальванометрического датчика влагосодержания. После определяют максимальное значение сигнала E_max. При этом размещенный на подложке исследуемый образец накрывают пластиной из влагонепроницаемого материала, в центре которой высверлено сквозное отверстие для подачи влаги. На определенном расстоянии от центра этого отверстия размещают электроды гальванометрического датчика влагосодержания с известной градуировочной характеристикой и непосредственно перед моментом импульсного точечного увлажнения исследуемого образца регистрируют начальное значение сигнала датчика Е₀, испытания заканчивают, когда текущее значение сигнала гальванометрического датчика влагосодержания после достижения максимального значения E_max снизится до величины Е≤Е₀+0,6(E_max-Е₀). После завершения эксперимента на каждом временном шаге вычисляют соотношение , равное отношению разности между текущим значением сигнала гальванометрического датчика влагосодержания Е и начальным значением сигнала Е₀ к разности между максимальным значением сигнала и начальным значением сигнала Е₀. Затем фиксируют два момента времени, соответствующих значениям соотношения α=0,48 и α=0,62, а значения искомого коэффициента диффузии определяют по формулам:

; ;

где - коэффициент диффузии, определяемый в момент времени τ′, соответствующий α=0,48; - коэффициент диффузии, определяемый в момент времени τ″, соответствующий α=0,62; r₀ - координата размещения датчика локального влагосодержания; z' - больший корень уравнения z·exp(1-z)=α при α=0,48; z” - меньший корень уравнения z·exp(1-z)=α при α=0,62; причем в качестве средней величины коэффициента диффузии принимают значение .

Технический результат изобретения - повышение точности и быстродействия измерения коэффициента диффузии влаги в капиллярно-пористых материалах. 3 ил.

 

Изобретение относится к области исследования диффузионных эффектов, а именно к области измерения коэффициента диффузии влаги в капиллярно-пористых материалах.

Известен способ измерения коэффициента диффузии [Авторское свидетельство СССР №834459, кл. G01N 13/00, 1981], заключающийся в том, что в образце, находящемся под действием постоянного напряжения, регистрируют акустическую эмиссию и по времени достижения максимума пика интенсивности акустической эмиссии судят о коэффициенте диффузии.

К недостаткам этого способа относится трудоемкость и необходимость наличия аппаратуры для регистрации акустической эмиссии.

Известен способ измерения коэффициента диффузии [Авторское свидетельство СССР №1117491, кл. G01N 13/00, 1984], заключающийся в последовательном удалении параллельных слоев контролируемой толщины с поверхности исследуемого плоского образца и измерении после каждого удаления температуропроводности образца в направлении диффузии импульсным методом.

Недостатками этого способа являются большая длительность и трудоемкость эксперимента.

Наиболее близким техническим решением является способ измерения коэффициента диффузии полярных растворителей в тонких изделиях [Беляев М.П., Беляев В.П. Неразрушающий экспресс-контроль коэффициента диффузии полярных растворителей в тонких изделиях // Вестник ТГТУ. - 2008. - Т.14, №1, с.41-47], заключающийся в том, что на поверхности исследуемого листового материала фиксируют выносной зонд с импульсным источником массы и электродами потенциометрических датчиков, расположенными на концентрических окружностях на различных расстояниях от точки импульсного воздействия. После подачи импульса массы фиксируют изменение ЭДС потенциометрических преобразователей во времени. Измерительное устройство автоматически игнорирует показания датчиков, ЭДС которых достигает критического значения E_max. Определяют время τ_m достижения максимума на кривой изменения ЭДС ближайшего к импульсному источнику из оставшихся потенциометрических преобразователей. Коэффициент диффузии рассчитывают по формуле , где r₀ - расстояние от источника массы до электрода потенциометрического преобразователя.

Недостатками данного способа являются невысокая точность измерения коэффициента диффузии и значительная длительность эксперимента из-за необходимости "опроса" большого количества датчиков и определения моментов достижения максимума на кривых изменения во времени ЭДС потенциометрических преобразователей.

Техническая задача изобретения - повышение точности и быстродействия измерения коэффициента диффузии влаги в капиллярно-пористых материалах.

Техническая задача достигается тем, что в способе измерения коэффициента диффузии влаги в капиллярно-пористых листовых материалах, заключающемся в том, что исследуемый листовой материал помещают на плоскую подложку из влагонепроницаемого материала, в начальный момент времени осуществляют импульсное точечное увлажнение поверхности исследуемого материала, затем с постоянным шагом во времени регистрируют значения сигнала гальванометрического датчика влагосодержания, определяют максимальное значение сигнала E_max, в отличие от прототипа размещенный на подложке исследуемый образец накрывают пластиной из влагонепроницаемого материала, в центре которой высверлено сквозное отверстие для подачи влаги, а на определенном расстоянии от центра этого отверстия размещают электроды гальванометрического датчика влагосодержания с известной градуировочной характеристикой и непосредственно перед моментом импульсного точечного увлажнения исследуемого образца регистрируют начальное значение сигнала датчика E₀, испытания заканчивают, когда текущее значение сигнала гальванометрического датчика влагосодержания после достижения максимального значения E_max снизится до величины E≤E₀+0,6(E_max-E₀), после завершения эксперимента на каждом временном шаге вычисляют соотношение , равное отношению разности между текущим значением сигнала гальванометрического датчика влагосодержания E и начальным значением сигнала E₀ к разности между максимальным значением сигнала E_max и начальным значением сигнала E₀, фиксируют два момента времени, соответствующих значениям соотношения α=0,48 и α=0,62, а значения искомого коэффициента диффузии определяют по формулам:

;

где - коэффициент диффузии, определяемый в момент времени τ′, соответствующий α=0,48;

- коэффициент диффузии, определяемый в момент времени τ″, соответствующий α=0,62;

r₀ - координата размещения датчика локального влагосодержания;

z′ - больший корень уравнения z·exp(1-z)=α при α=0,48;

z″ - меньший корень уравнения z·exp(1-z)=α при α=0,62;

причем в качестве средней величины коэффициента диффузии принимают значение

.

На фиг.1 представлена графическая иллюстрация способа.

Система состоит из исследуемого образца 1 и двух пластин: верхней 2 и нижней 3, изготовленных из влагонепроницаемого материала (оргстекла). Все образцы имеют форму дисков диаметром 50…100 мм. Толщина верхней и нижней пластин - 1…3 мм. В центре верхней пластины 2 высверливают сквозное отверстие 4 диаметром 0,8…1,5 мм для подачи влаги в образец, а на расстоянии 2…4 мм от центра этого отверстия размещают электроды 5′ и 5″ гальванометрического датчика влагосодержания 5.

Способ реализуется следующим образом.

На подготовительной стадии осуществляют определение градуировочной характеристики используемого в эксперименте гальванометрического датчика влажности листовых капиллярно-пористых материалов.

Исследуемый листовой материал 1 помещают между двумя влагоизолирующими пластинами 2 и 3.

Измеряют и регистрируют начальное значение E₀ сигнала гальванометрического датчика влагосодержания.

В начальный момент времени в отверстие верхней пластины 2 помещают каплю влаги известной массы.

С постоянным шагом во времени Δτ=1…5 с в моменты времени τ_i=Δτ·i, i=1, 2… измеряют и регистрируют значения E(τ_i) сигнала гальванометрического датчика влагосодержания.

По экспериментальным данным определяют максимальное значение E_max сигнала гальванометрического датчика влагосодержания.

Эксперимент прекращают, когда текущее значение сигнала гальванометрического датчика влагосодержания после достижения максимального значения E_max снизится до величины E(τ)≤E₀+0,6(E_max-E₀).

Обработку экспериментальных данных проводят следующим образом.

На зависимости влагосодержания U от времени τ (фиг.2) обозначаются координаты: некоторой точки (U′, τ′) и точки максимума (U_max, τ_max). Вводится соотношение:

При условии, что статическая характеристика датчика локального влагосодержания линейна E=kU+b, где E - выходной сигнал датчика локального влагосодержания, U - влагосодержание, k, b - параметры линейной зависимости, то соотношение (1) можно записать следующим образом

где E - сигнал датчика локального влагосодержания, соответствующий влагосодержанию U; E_max - сигнал датчика локального влагосодержания, соответствующий влагосодержанию U_max; E₀ - сигнал датчика локального влагосодержания, соответствующий начальному влагосодержанию U₀.

Учитывая, что одному значению α (фиг.2) соответствуют два момента времени τ′, τ″ (до и после максимума), формулы, позволяющие вычислить коэффициент диффузии a_m моментам времени τ′, τ″ при известном значении α, запишутся следующим образом:

где r₀ - координата размещения датчика локального влагосодержания; τ′, τ″ - моменты времени, соответствующие влагосодержанию U′ до наступления точки максимума (во время нарастания влагосодержания) и после (во время убывания влагосодержания); z′, z″ - соответственно больший и меньший корни уравнения

Среднеквадратическая погрешность косвенного измерения коэффициента диффузии в случае использования формулы (3) может быть определена по следующей зависимости

где δr - относительная погрешность измерения координаты расположения датчика локального влагосодержания; δτ' - относительная погрешность измерения момента времени τ'; δ(U_max-U₀) - относительная погрешность измерения локального влагосодержания.

Проведенные по формуле (6) расчеты показали, что в случае использования расчетной зависимости (3) относительная погрешность описывается кривой 1 на фиг.3, причем минимальное значение погрешности достигается при значении α=0,48.

При экспериментальном определении коэффициента диффузии можно воспользоваться формулой (4). В этом случае относительная погрешность заметно выше и представляется кривой 2 на фиг.3. При этом минимальная погрешность достигается при α=0,62.

Способ измерения коэффициента диффузии влаги в капиллярно-пористых листовых материалах, заключающийся в том, что исследуемый листовой материал помещают на плоскую подложку из влагонепроницаемого материала, в начальный момент времени осуществляют импульсное точечное увлажнение поверхности исследуемого материала, затем с постоянным шагом во времени регистрируют значения сигнала гальванометрического датчика влагосодержания, определяют максимальное значение сигнала E_max, отличающийся тем, что размещенный на подложке исследуемый образец накрывают пластиной из влагонепроницаемого материала, в центре которой высверлено сквозное отверстие для подачи влаги, а на определенном расстоянии от центра этого отверстия размещают электроды гальванометрического датчика влагосодержания с известной градуировочной характеристикой и непосредственно перед моментом импульсного точечного увлажнения исследуемого образца регистрируют начальное значение сигнала датчика Е₀, испытания заканчивают, когда текущее значение сигнала гальванометрического датчика влагосодержания после достижения максимального значения E_max снизится до величины Е≤Е₀+0,6(E_max-Е₀), после завершения эксперимента на каждом временном шаге вычисляют соотношение равное отношению разности между текущим значением сигнала гальванометрического датчика влагосодержания Е и начальным значением сигнала Е₀ к разности между максимальным значением сигнала E_max и начальным значением сигнала Е₀, фиксируют два момента времени, соответствующие значениям соотношения α=0,48 и α=0,62, а значения искомого коэффициента диффузии определяют по формулам:
;
;
- коэффициент диффузии, определяемый в момент времени τ′, соответствующий α=0,48;
- коэффициент диффузии, определяемый в момент времени τ″, соответствующий α=0,62;
r₀ - координата размещения датчика локального влагосодержания;
z′ - больший корень уравнения z·exp(1-z)=α при α=0,48;
z″ - меньший корень уравнения z·exp(1-z)=α при α=0,62,
причем в качестве средней величины коэффициента диффузии принимают значение
.