Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований 9
1.1. Понятие объема, актуальность вопроса измерения объема 9
1.2. Методы измерения объема. Российские и зарубежные стандарты 12
1.3. Поштучные методы измерения объема 14
1.4. Групповые методы измерения 21
1.4.1. Геометрический метод измерения 22
1.4.2. Гидростатический метод определения объема... 23
1.4.3. Фотометрический метод определения объема 24
1.4.4. Весовой метод определения объема 25
1.5. Сводная таблица методов измерения объема. Области применения, погрешности 25
1.6. Методы определения массы лесоматериалов 26
1.7. Обзор методов определения влажности лесоматериалов 28
1.8. Выводы. Цели и задачи исследований 30
2. Исследование характеристик древесины и их роль в весовом методе учета 33
2.1. Различие характеристик по породам и элементам деревьев... 33
2.2. Технология весового метода учета 35
2.3. Связь плотности и влажности древесины 38
2.4. Алгоритм пересчета веса в объем и вывод поправочного коэффициента 44
2.5. Выбор метода определения влажности 46
2.6 Исследование электрофизических свойств древесины. Пове
дение диэлектрика в электрическом поле конденсатора 52
Выводы по разделу 59
3. Результаты эксперимента по определению влажности бревна 61
3.1. Методика проведения эксперимента 61
3.2. Результаты экспериментальных исследований 63
3.2.1. Определение распределения влажности по сечению 68
3.2.2. Математическая модель распределения влажности в ядровой породе древесины 90
3.3. Выводы по разделу 93
4. Разработка средств определения влажности круглых лесоматериалов 94
4.1. Метрологические аспекты влажности 94
4.1.1. Дополнительные погрешности. Способы их компенсации. 97
4.1.2. Основная погрешность. Способ уменьшения- 100
4.2. Разработка схемы измерителя влажности круглых лесоматериалов 100
4.2.1.. Мостовая схема 100
4.2.2. Резонансная схема на электрическом контуре 102
4.2.3. Автогенераторная схема 104
4.3. Выбор типа датчика 106
4.4. Выбор оптимальной частоты генератора 109
4.5. Разработка принципиальной схемы измерителя влажности 111
4.6. Конструктивные особенности измерителя влажности 121
4.7. Градуировка прибора 123
4.8. Выводы по разделу 124
5. Результаты проверочного эксперимента по определению объема древесены весовым мето дом 126
5.1. Методика проведения эксперимента 126
5.2. Результаты эксперимента 127
5.3. Вероятностные расчеты по экспериментальным данным 133
5.4. Выводы по разделу 139
Основные выводы и рекомендации 141
Литература
- Методы измерения объема. Российские и зарубежные стандарты
- Алгоритм пересчета веса в объем и вывод поправочного коэффициента
- Определение распределения влажности по сечению
- Разработка схемы измерителя влажности круглых лесоматериалов
Введение к работе
Актуальность темы. Вопрос точности измерения круглых лесоматериалов становится все более актуален с ростом объемов поставок древесины внутри страны, при экспортно-импортных взаимоотношениях, а так же с ростом цен на древесину.
Существующие в настоящее время способы измерения объемов не дают точных результатов. Кроме того, различные страны используют разные стандарты.
Весовой метод учета, хотя и узаконен в стандартах, не имеет конкретной технологии применения, удовлетворяющей требования предприятий лесной отрасли. Возможно, это вызвано некоторым недоверием к косвенным измерениям в целом. Так же не существует полной теоретической базы этого метода, хотя она необходима для составления технологии и рекомендаций.
Объем древесины - это наиболее трудно измеряемая величина. В условиях больших потоков древесины требуется быстрая и точная оценка ее объема.
В работе теоретически и экспериментально обосновывается актуальность применения весового метода учета лесоматериалов, а так же возможность повышения его точности при условии введения дополнительных поправочных коэффициентов. Поэтому тема работы является актуальной.
Основная погрешность, возникающая при переводе массы в объем возникает из-за разной плотности древесины и изменения ее влажности в зависимости от различных естественных факторов, а так же в процессе транспортировки и хранения древесины. Поэтому основной акцент в работе поставлен на исследовании распределения влажности в круглых лесоматериалах, разработке измерителя влажности круглых лесоматериалов и определении значения поправочного коэффициента на основании показаний измерителя.
Цель работы. Повышение эффективности весового метода учета круглых лесоматериалов путем введения теоретически и экспериментально определенного коэффициента коррекции по влажности; разработка переносного прибора измерения влажности в диапазоне 20-200%.
Научная новизна работы:
1. Определен характер распределения влажности по длине и поперечно
му сечению круглых лесоматериалов, при этом установлено:
средняя влажность в любом поперечном сечении круглых лесоматериалов является величиной постоянной,
для определения величины средней влажности, определяющими являются значение влажности в заболонной части древесины и соотношение геометрических параметров ее ядровой и заболонной зон.
Построена математическая модель распределения влажности в древесине, позволяющая аналитически определить значение влажности в любой точке объема хлыста (сортимента) и используемая при известных параметрах в верхнем и нижнем отрубе: радиуса и влажности ядровой зоны, радиуса и влажности заболонной зоны.
Сформулированы, обоснованы и математически описаны основные закономерности диэль ко метрического метода измерения влажности древесины в диапазоне от 20 до 200% применительно к осуществлению процесса весового метода учета.
Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена методика определения коэффициента коррекции по влажности при пересчете массы в объем при учете ядровой древесины.
Разработаны и обоснованы функциональные и конструктивные параметры средств измерения влажности древесины на основе использования ди-элькометрического метода, позволяющие усовершенствовать процесс весового способа учета лесоматериалов.
Результаты работы, выносимые на защиту:
Определен характер распределения влажности в древесине ядровых пород.
Построена математическая модель распределения влажности, которая связывает геометрические параметры учитываемых лесоматериалов с их влажностью и позволяющая повысить точность расчетов при переводе массы древесины в объем.
Разработан метод измерения влажности древесины в диапазоне 20-200%, основанный на использовании диэлектрических свойств древесины.
Усовершенствована методика механизма введения поправок и учета погрешностей при измерении объема древесины.
Разработана технология осуществления весового метода учета с использованием предлагаемых средств измерения влажности древесины; конструкция переносного прибора измерения влажности.
Достоверность научных исследований обеспечивается обоснованными упрощениями, принятыми при моделировании весового метода учета; сходимостью результатов теоретических исследований и экспериментальных данных; современными средствами научных исследований и средствами обработки экспериментальных данных, базирующимися на положениях теории вероятности, математической статистики и теории электрического поля.
Значимость для теории и практики:
Для теории имеют значение:
характер распределения влажности по длине и поперечному сечению круглых лесоматериалов;
математическая модель распределения влажности в ядровых породах;
теоретическое обоснование диэлькометрического метода для измерений влажности в диапазоне 20-200%.
Для практики имеют значение:
методика применения коэффициента коррекции по влажности при весовом методе учета;
метод измерения влажности древесины в диапазоне 20-200%
конструкция переносного прибора измерения влажности в диапазоне 20-200%
Основные положения диссертации и отдельные ее разделы были заслушаны и получили одобрение на:
- ежегодных научно-технических конференциях СПбГЛТА в 2001-2005 г г.
Реализация работы. Результаты работы в части разработки измерителя
влажности реализованы на ряде деревообрабатывающих предприятий: ЗАО «ЗСК «ИНКОН» (прил. 13), ООО «Рос Инвест Групп» (прил. 14), ООО «Трек» (прил. 15), ООО «Саункомплект» (прил. 16), ЧП «Павлов A.M.» (прил. 17).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, основных выводов и рекомендаций, списка литературы и приложений.
'*
Объем работы составляет 147страниц и включает 60 иллюстраций, 26 таблиц, список литературы 61 наименование, в том числе на иностранном языке 15.
Методы измерения объема. Российские и зарубежные стандарты
Методы измерения объема можно классифицировать по разным критериям. С точки зрения метрологии, как и большинство измерений, измерение объема можно проводить прямыми или косвенными методами. К прямым методам относятся: Водозамещение (Fluid displacement) Графический метод (Graphical method) Стандартный метод сечений (Standard sectional method) К косвенным методам относятся: Определение объема по таблицам Весовой метод Аналитический Интегрирование уравнений с учетом сбега
Такой вид классификации методов может быть интересен лишь для теоретических расчетов. Для производства не играет роли прямым или косвенным методом проводятся измерения. Поэтому этот момент не будет рассматриваться применительно к организации измерений.
Если обратиться к Российским стандартам, например РД 13-2-3-97 (методы измерения объема круглых лесоматериалов), то они подразумевают разделение методов на геометрический, весовой и гидростатический.
Так же методы измерения объема можно классифицировать как групповые и поштучные. Такая классификация наиболее удобна для лесозаготовителей, поставщиков.
На практике, при измерениях крупных партий бревен, пользуются и групповыми и совмещенными методами, что позволяет повысить точность измерений.
Спецификой лесной торговли некоторых стран предусмотрено использование мер объема лесоматериалов, не совпадающих с объемом древесины. В Швеции объем пиловочника определяют по объему вписанного цилиндра, который на 12-28 % меньше истинного. В Японии объем бревна считают равным квадрату верхнего диаметра, умноженного на длину. В Финляндии объем бревен вычисляют вместе с корой, в остальных странах, как правило, без коры.
В России принято вычислять объем по верхнему диаметру с помощью таблиц Крюденера, которые в настоящее время, с учетом корректировок сведены в ГОСТ 2708-75 "Лесоматериалы круглые. Таблицы объемов".
Однако, «Вычисление объема без учета фактического сбега бревен приводит к значительным погрешностям. Контрольными измерениями установлено, что объем сбежистых хвойных бревен, заготовленных на севере Карелии, таблица стандарта занижает на 11 %, а объем бревен из крупномерной ангарской сосны - завышает на 9 % . Другим недостатком таблиц стандарта является отсутствие математической модели (формулы) для вычисления объема» [1]. Другими словами, пользуясь данным методом, фактический объем не определить. Можно ввести поправки по районам произрастания, другим факторам, но это приводит к дополнительным трудозатратам, которые тоже могут не обеспечить необходимую точность.
Стандартной моделью бревна для большинства стран Европы считается цилиндр с диаметром, равным диаметру бревна на середине длины. В России вычисление объема с такой моделью - это метод срединного сечения, в Европе - метод Губера. С точки зрения точности определения фактического объема -он более точен, но измерение срединного диаметра не всегда возможно - необходимы лесные вилки и раскатка бревен в один ряд. Если известно среднее значение сбега, то объем бревен можно определить методом верхнего диаметра и среднего сбега. Нормальным считается сбег бревен, равный 1 см/м. Можно определить средний сбег в данной партии лесоматериалов, проведя выборочные поштучные измерения.
В настоящее время действуют следующие нормативные документы, применяющиеся как стандартные и регламентирующие порядок измерению объема круглых лесоматериалов: поштучные методы измерений объема круглых лесоматериалов по ГОСТ 2292-88, ГОСТ 2708-75, ОСТ 13-303-92, групповые методы по ОСТ 13-43-79, ОСТ 13-59-82, ТУ 13-2-1-95, ТУ 13-2-8-96, ТУ 13-2-10-96, ТУ 13-2-11-96, ТУ 13-2-12-96 и др.
Реально же для лесозаготовителей, лесоэкспортеров, лесопромышленников так и не разработаны четкие правила и рекомендации по измерению объема круглых лесоматериалов. Как пишет А.К. Курицын (ООО «Лесэксперт»): «В тупиковую ситуацию загоняются экспортеры и весьма вольными предписаниями о применении методов измерений объема круглых лесоматериалов. Групповой геометрический метод объявлен как основной метод определения объема круглых лесоматериалов в складочной мере отдельно для каждого штабеля" [1]. Причем для штабелей в вагонах и на автомобилях предписывается применять ОСТ 13-43-79, для штабелей на земле приведены конкретные коэффициенты полнодревесности без разделения по породам, сортиментам, но с разделением по группам диаметров, которое на практике не может соблюдаться. Не указано кто, когда и как установил эти коэффициенты. Для установления коэффициента полнодревесности в спорных случаях предписывается применять РД 13-2-3-97, а для поштучных измерений объема - более раннюю версию этого документа - OCT 13-303-92. Получается, что поштучные измерения объема партии по ГОСТ 2292-88 проводить нельзя, а при контроле качества этот стандарт нужно применять [1]».
Остается открытым вопрос и о едином, универсальном методе определения объема лесоматериалов на всех этапах лесозаготовительной и лесообрабатывающей деятельности, либо о приведении наиболее удобных методов к единому результату.
Алгоритм пересчета веса в объем и вывод поправочного коэффициента
Расчет объема партии лесоматериалов можно осуществлять по формулам (2.1) или (2.2). При этом поправочный или переводной коэффициент определяется экспериментально, по результатам выборочных измерений. Либо значения объема берутся из таблиц.
Ни в одном из перечисленных случаев не предусмотрено теоретической базы для определения переводного коэффициента. Из формулы (2.2), интересующий нас объем сухой древесины, практически равный объему древесины при влажности менее точки насыщения клеточных стенок (приблизительно 30%), равен:
Для реальных лесоматериалов в это выражение необходимо ввести коэффициент усушки и коэффициент, учитывающий остальные факторы. Выражая массу абсолютно сухой древесины из выражения 2.12, получаем: У,-К -К 10 ,пг, (2.27) где: К0- объем древесины при влажности 12%, м куб; К-- коэффициент усушки, К- коэффициент пропорциональности, р0- плотность древесины, W— средняя влажность, %. Исходя из формулы (2.27) для расчета объема нам требуется определить следующие параметры древесины: - Коэффициент К, значение которого на данном этапе считаем, что определяется из таблиц. В него может входить коэффициент, учитывающий объем коры, значение которого для хвойных пород при геометрических методах измерения объема представлены в [52], а также коэффициенты, связанные с районом произрастания. - Массу штабеля, вагонной (автомобильной) партии или пачки лесоматериалов, способы определения которой были приведены в разделе 2.3. - Среднюю влажность выборочно нескольких бревен из партии. Алгоритм расчета средней влажности будет окончательно определен после экспериментальных исследований.
Таким образом, на основе полученных зависимостей предлагается методика определения объема весовым методом с коррекцией по влажности, рис. 2.1,а. - с использованием формулы (2.27), рис. 2.1,6 - с использованием параметра относительной плотности (см. разд. 2,3). В обоих случаях основная величина, которую следует определить - средняя влажность хлыста (сортимента).
Из представленных на рынке влагомеров, наиболее широкое распространение получили приборы, основанные на кондуктометрическом, диэлько-метрическиом и комбинированном (комплексного сопротивления) методах.
Электрические и диэлектрические параметры древесины определяются влажностью, породой, температурой, а так же наличием и концентрацией микропримесей [2].
Рассмотрим электропроводность древесины, используемую при определении влажности древесины ко ндукто метрически ми влагомерами. Способность проводить электрический ток, как известно, находится в обратной зависимости от электрического сопротивления. Сформулируем основные свойства древесины относительно электропроводности: - Древесина является диэлектриком, для нее применимы методы изме рения сопротивлений твердых диэлектриков при постоянных напряжениях; - Электропроводность различных пород разная, но для всех пород справедливо правило, что измеренная вдоль волокон она в несколько раз больше, чем поперек волокон; - Повышение температуры приводит к уменьшению сопротивления древесины. Согласно данным Уголева [17], в среднем повышение температуры древесины на каждые 12 С вызывает снижение сопротивления примерно вдвое. - С повышением влажности древесины сопротивление уменьшается. Характер изменения сопротивления в зависимости от влажности представлен на рис. 2.1.
Как видно из графика, рис. 2.1, при повышении влажности более точки предела насыщения, интенсивность изменения сопротивления падает, что объясняет снижение точности определения влажности электровлагомерами в области выше предела насыщения. График охватывает диапазон влажности от О до 40% - так называемый технологический диапазон. Это влажность, которую обычно определяют лесообрабатывающие предприятия. На лесозаготовительных этапах необходимости в определении влажности хлыстов и бревен в настоящее время нет. Соответственно, нет данных и о характере изменения электрических характеристик древесины в этом диапазоне. Судя по характеру зависимости, на данном этапе однозначно можно утверждать, что для использования кондуктометрического влагомера при определении средней влажности свежесрубленной древесины необходимо иметь прибор, имеющий несколько шкал для различных диапазонов
Определение распределения влажности по сечению
Для наиболее точного определения распределения влажности от центра бревна по радиусу для каждого из трех образцов (рис. 3.16) рассчитаем среднеквадратическое значение влажности по значениям влажности 10 долей с шагом 1см от середины.
Для расчетов требуется определить значения погрешностей. В нашем случае измерения носят косвенный характер-Суммарная погрешность определенной влажности складывается из приведенной погрешности прибора (Д\Л/пр) и косвенной случайной погрешности (AWcn), вытекающей из погрешности определения массы образцов.
Приведенную погрешность прибора рассчитаем как сумму погрешностей двух измерений массы, необходимых для расчета влажности. Возьмем максимальную относительную погрешность прибора как отношение абсолютной погрешности весов к минимальному значению измеренной массы образца массы. Это число будет постоянным для всех расчетов. Реально, при определении больших значений масс, относительная погрешность прибора становится меньше, но для упрощения расчетов нас удовлетворит принятая константа.
Относительная погрешность весов при определении массы до сушки равна: ДРшр = 0.02/3=0.00667, после сушки: ДР2„р = 0.02/2=0.01. Приборная погрешность определения влажности: Д\Л/пр = j APhip2+AP2np2 =0.012.
Случайную составляющую погрешности определения влажности, в соответствии с рекомендациями, данными в (19) будем считать так же, как для прямых измерений. AWcn txSacp, (3.2) где: t=2.3 - коэффициент Стьюдента для доверительной вероятности 0.95 и числа измерений n=9, Sa ср - среднеквадратичное отклонение результатов расчетов влажности. Результаты расчета для образца №1 приведены в табл. 3.4, для образца №2 - в табл. 3.5, для образца №3 - в табл. 3.6.
Для визуализации данных по длине и по радиусу бревна одновременно предлагается цветовая дифференциация по значениям влажности, показывающая лишь общий характер распределения влаги в бревне и не предназначенная для использования в расчетных целях. Эпюра распределения влаги по длине и радиусу бревна ели представлена на рис. 3.5 R, Рис. 3.5 Эпюра распределения влаги в бревне ели Переходные цвета обозначают, соответственно, переходные значения влажности. Для представления графика содержания влаги в бревне древесины в виде пригодном для расчетов необходимо составить матрицу значений влажности во всех точках продольного сечения. При этом необходимо определиться - для какой части дерева (или для всего дерева) строится матрица. Для такой матрицы потребуется большее количество образцов, взятых по высоте ствола.
На графиках, представленных на рис. 3.2, 3.3 и 3.4, кривой показана интерполяция данных эксперимента к функции Больцмана, проведенная инструментами программы Origin 6.1. Функция Больцмана была выбрана как наиболее близко повторяющая распределение влажности по радиусу, она может быть применена ко всем породам древесины, имеющим аналогичное распределение - с двумя ярко выраженными влажностными зонами. В общем случае функция Больцмана имеет следующий вид: где:- Aj - нижнее значение по оси Y, А; - верхнее значение по оси Y, Хо - значение х на середине подъема функции, Дх - ширина зоны подъема.
Коэффициенты функции Больцмана дают наглядное представление о распределении влаги по радиусу ядровой породы. Так, коэффициенты А, и А2 представляют собой среднее значение влажности в ядровой и заболонной зонах, соответственно, параметр Хо- средний радиус ядровой части, величина Дх- определяет неравномерность радиуса ядра.
Составим уравнения для расчета средней влажности бревна, применительно к образцам 1,2 и 3 с использованием экспериментальных данных и с использованием уравнения Больцмана. Во всех расчетах длину элемента бревна при выражении объема принимаем за единицу.
Для определения средней влажности бревна по экспериментальным данным воспользуемся следующей формулой: Vo tt где: V6 - объем условного цилиндрического элемента бревна единичной высоты, І - номер доли, Wi - влажность і - й доли, Vj - объем условного кольца бревна единичной высоты с влажностью W,.
Разработка схемы измерителя влажности круглых лесоматериалов
Выходной сигнал прибора, работающего по схеме «в» возникает в результате биений двух высокочастотных колебаний, создаваемых генератором переменной частоты П, в контур которого включен измерительный преобразователь и генератором фиксированной частоты Г2. Выходные напряжения генераторов подаются на смеситель, , на выходе которого возникает спектр комбинационных составляющих, среди которых имеется и полезный сигнал F=f1-f2, выделяемый фильтром низких частот.
Рассмотрев плюсы и минусы вышерассмотренных схем измерения, остановимся на а вто генератор ной схеме. К ее достоинствам при реализации поставленных задач можно отнести: 1) Практически линейная характеристика во всем диапазоне измерений. 2) Малое влияние активной составляющей сопротивления влажной древесины при правильном подборе частоты. 3) Относительная простота реализации схемы генератора. 4) Высокая помехоустойчивость.
При выборе типа датчика руководствуются следующими критериями: - снижение влияния мешающих факторов; - сохранение высокой чувствительности в широком диапазоне изменения влажности; -удобство применения при измерении влажности бревен. На практике используются следующие основные типы датчиков для автогенераторной схемы измерения: - Датчик одностороннего типа (рис. 4.14а) -Датчик двустороннего типа (рис. 4.146) - Датчик коаксиального типа (рис. 4.14в)
Датчик одностороннего типа имеет достаточно простую конструкцию. Он характеризуется достаточно большой зоной измерения и, при этом, коэффици ент влияния на показания ближних к датчику слоев материала гораздо выше, чем дальних, что может быть применимо только к материалам с равномерно распределенной влажностью.
Датчик двустороннего типа имеет достаточно сложную конструкцию. Обычно он используется при измерении влажности на потоке пиломатериалов. Для реализации задачи измерения влажности бревна на разной глубине единственный тип датчика, который нас устраивает - это датчик коаксиального типа, представленный на рис. 4.14, в.
К его достоинствам можно отнести и практически полное отсутствие влияния анизотропии древесины, установленное в результате эксперимента. Рассчитаем геометрические размеры датчика.
Диаметр внешней трубки выбираем из соображений удобства эксплуатации. Так как при измерении влажности бревен будет необходимо сверлить отверстия, то внешний диаметр датчика должен быть несколько меньше диаметра сверла. При диаметре сверла 8мм - минимально портящем лесоматериалы и не требующем больших усилий при выполнении отверстий диаметр трубки датчика, примем равным 6мм.
Диаметр внутреннего проводника рассчитывается из условия равенства волнового сопротивления датчика волновому сопротивлению окружающей среды (в данном случае -древесины). Это условие обеспечивает полное поглоще ниє энергии излучения генератора окружающей средой (бегущая волна). Отсутствие отраженной волны и обеспечивает максимальную чувствительность датчика. Абсолютного равенства нам не достичь, но при равенстве хотя бы порядков значений волновых сопротивлений уже наблюдается значительное повышение чувствительности датчика. Волновое сопротивление воздуха равно: гв = №- = 3770м. Волновое сопротивление древесины равно:
Как видно из формулы (4.4) - эта величина переменная, зависящая как раз от влажности, плотности, температуры и других параметров, от которых зависят диэлектрическая и магнитная проницаемости древесины. Магнитная проницаемость древесины мало отличается от единицы и вносит небольшой вклад в изменение значения волнового сопротивления. Диэлектрическая проницаемость древесины варьируется в достаточно широких пределах. В заданных пределах влажности, при частоте порядка 30 МГц ее значение составляет от 2 до 8.
