Микроволновый термовлагометрический метод и устройство контроля влажности строительных материалов

Актуальность темы

Контроль качества строительных материалов заключается в проверке соответствия их характеристик установленным требованиям. В производстве широко применяют неразрушающий контроль, позволяющий проверить качество продукции без нарушения ее целостности и использования по назначению. При этом особая роль в повышении эффективности производства и улучшении качества продукции отводится автоматическим средствам измерения.

В строительстве от влажности зависят основные свойства строительных материалов: теплофизические, теплозащитные и прочностные характеристики строительных сооружений и конструкций, их долговечность, надежность и эксплуатационные качества.

В измерении влажности широкое распространение получили микроволновые (СВЧ) методы и устройства, теория которых достаточно хорошо разработана, а также из-за очевидных преимуществ: реализация неразрушающего контроляприемлемая точность измерениябезопасность из-за информативного взаимодействия маломощных микроволновых полей бегущих и стоячих волн с материалом, не сопровождающегося нагревом материала.

Однако практически все микроволновые методы и устройства обладают рядом недостатков:

— работают на одной (двух) стабилизированной частоте;

— неуниверсальные по виду и форме материала, чаще всего требуют индивидуальной тарировки по месту;

— во влагометрии строительных материалов не применимы двухапертурные методы свободного пространства на прохождение, резонаторные, волноводные и зондовые, позволяющие определять, в частности, только интегральную и среднюю влажности по зоне взаимодействия. Апертурные методы к тому же в реализации стационарны, громоздкие и дорогостоящие;

— одноапертурные методы на отражение пригодны не всегда, к тому же основной метод угла Брюстера позволяет определять только поверхностную влажность и не всегда имеются обоснования границ применимости методов отражения по толщине материала, отсутствуют согласования по волновым сопротивлениям — низкий коэффициент бегущей волны (КБВ) и КПД;

— в известных устройствах нет сопряжения взаимодействия микроволновых полей с материалом с возможностью их СВЧ-нагревапроцесс такого нагрева весьма информативен, дает возможность исследования, кроме влажности, совокупности других теплофизических характеристик материала, кинетики СВЧ-сушки, исследования термограмм. Сопряжение информативных возможностей маломощного взаимодействия полей с исследуемым материалом и процесса микроволнового нагрева обеспечивает одновременное измерение поверхностной влажности материала и влажности по объему взаимодействия не равных из-за нормального градиента влажности, обусловленного текущими процессами высушивания и увлажнения, т. е. необходимо измерение комплекса этих величин;

— на данный момент не исследованы информативные аспекты дисперсии диэлектрической проницаемости влажных материаловчастотные зависимости, необходимость оперативного сканирования влажности больших поверхностей;

— существует неразрешенный вопрос оптимизации выбора полосы рабочих частот.

Разрешение противоречий и задач, указанных выше, позволило разработать метод и реализующий его измерительный комплекс определения поверхностной влажности и влажности по объему взаимодействия с перспективой определения других теплофизических величин. Это стало возможным на основании теоретических и практических разработок термовлагометрического микроволнового метода.

Все приведенное выше определяет актуальность проведения исследований и разработок методов и устройств термовлагометрии строительных материалов.

Цель работы. Разработать бесконтактный неразрушающий микроволновый метод контроля поверхностной влажности и интегральной по объему материала влажности и реализующий его измерительно-вычислительный комплекс.

Методы исследования основаны на применении теории электродинамики, теории антенно-фидерных устройств, теории диэлектриков в микроволновых полях, математического моделирования и метрологии.

Научная новизна:

— разработаны физико-математические модели взаимодействия микроволновых полей с поверхностным слоем и внутренним объемом влажного материала;

— создан новый микроволновый термовлагометрический метод измерения поверхностной влажности и интегральной по объему материала влажности, в основу которого положено измерение температуры влажного материала при поглощении его локализованным минимальным объемом определенной и фиксированной дозы микроволнового излучения бегущей волны. Метод, в отличие от известных, позволяет без нарушения целостности исследуемых объектов и при одностороннем доступе к их поверхности определить указанный выше комплекс параметров с высоким быстродействием и точностью;

— разработана приемно-передающая волноводно-щелевая апертура, позволяющая реализовывать термовлагометрический метод, а также обеспечивающая минимальный объем взаимодействия с полной безопасностью от облучения из-за использования электронно-управляемой диаграммы направленности.

Практическая ценность. На основании предложенного метода разработан измерительно-вычислительный комплекс с математическим, программно-алгоритмическим и метрологическим обеспечением для определения поверхностной влажности и влажности по объему взаимодействия, использующий разработанные апертурные преобразователи с управляемой диаграммой направленности.

Реализация результатов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований диссертационной работы апробированы и рекомендованы к внедрению и в практику контроля влажности строительных материалов в ООО «Строй-Премьер», при выполнении НИР по контролю влажности антенных обтекателей по теме заданной главкомом ВВС в ТВАИИ, в учебном процессе ТГТУ.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались на Школе-семинаре молодых ученых «Метрология, стандартизация, сертификация и управление качеством продукции» (Тамбов, 2003), IV Всероссийском с международным участием научно-практическом семинаре «В мире неразрушающего контроля и диагностики материалов, промышленных изделий и окружающей среды» (Санкт-Петербург, 2003), 3-й международной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (Москва, 2004), VII Всероссийской научно-технической конференции «Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического моделирования» (Тамбов, 2004), Пятой Международной теплофизической школе «Теплофизические измерения при контроле и управлении качеством» (Тамбов, 2004), Международной конференции «Наука на рубеже тысячелетий» (Тамбов, 2004).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе получено положительное решение на заявку на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, списка используемых источников, работа изложена на 182 страницах, содержит 85 рисунков, 4 таблицы и 62 наименования библиографического указателя. Автор благодарит доктора технических наук, профессора Д. А. Дмитриева и кандидата технических наук П. А. Федюнина за консультации при работе над диссертацией.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

1. Разработана приемно-передающая волноводно-щелевая апертура, позволяющая реализовывать метод измерения поверхностной влажности и по объему взаимодействия влажности, работающая в диапазоне длин волн от 0,015 до 0,02 м и обеспечивающая минимальный объем взаимодействия с полной безопасностью от облучения из-за использования электронно-управляемой диаграммы направленности.

2. Разработана, реализована и исследована информационно-измерительная система определения влажностных параметров строительных материалов, обеспечивающая реализацию нового термовлагометрического метода со следующими данными на примере красного кирпича: УП е [0,05 -т- 0,3] объемной влажностипогрешность измерения УП = 8%, У = 5%. Система позволяет без тарировки по месту измерять влажность болыиераз-мерных строительных материалов.

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований прошли испытания и приняты к использованию в строительных организациях и внедрены в практику контроля влажности антенных обтекателей по теме заданной главкомом ВВС в ТВАИИ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Проведенный литературный обзор и информационный анализ показали, что отсутствуют микроволновые методы, позволяющие с большой оперативностью и достоверностью измерять влажностные характеристики боль-шеразмерных строительных изделий при одностороннем доступе к их поверхности.

2. Разработаны физико-математические модели взаимодействия микроволновых полей с поверхностным слоем и внутренним объемом влажного материала.

3. Разработан новый метод микроволновой термовлагометрии, состоящий в том, что: а) с помощью частотноуправляемой специально организованной апертуры определяют поверхностную влажность по длине волны генератора Хг при условии реализации интегральной диаграммы направленности (ДН) (диаграммы Брюстера) по минимуму отраженной мощности Ротрб) измеряют интегральную влажность с учетом объема взаимодействия по изменению температуры I исследуемых материалов и изделий.

4. Разработана приемно-передающая волноводно-щелевая апертура, позволяющая реализовывать метод измерения поверхностной влажности и по объему взаимодействия влажности, работающая в диапазоне длин волн от 0,015 до 0,02 м и обеспечивающая минимальный объем взаимодействия с полной безопасностью от облучения из-за использования электронно-управляемой диаграммы направленности.

5. Разработан, реализован и исследован измерительно-вычислительный комплекс определения влажностных параметров строительных материалов, обеспечивающий реализацию нового термовлагометрического метода со следующими данными на примере красного кирпича: е [0,05.0,3] объемной влажностипогрешность измерения ЛУП = 8%, = 5%- при I = 0.40 °С. Комплекс позволяет без тарировки по месту измерять влажность болыиеразмерных строительных материалов.

6. Результаты теоретических и экспериментальных исследований прошли испытания и приняты к использованию в строительных организациях и внедрены в практику контроля влажности.