Результат интеллектуальной деятельности: Способ определения коэффициента диффузии растворителей в листовых ортотропных капиллярно-пористых материалах

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при исследовании процессов массопереноса и для определения коэффициентов диффузии растворителей в ортотропных капиллярно-пористых материалов в бумажной, легкой, строительной и других отраслях промышленности. Ортотропные материалы характеризуются существенным различием свойств в перпендикулярных направлениях, например вдоль и поперек волокон, в машинном и поперечном направлениях бумаги.

Известен способ определения коэффициента массопроводности и потенциалопроводности массопереноса (А.С. 174005, кл. G01kN421, 9₅₁, 1965), заключающийся в импульсном увлажнении слоя материала и измерении на заданном расстоянии от этого слоя изменения влагосодержания материала во времени. Коэффициент массопроводности вычисляется по установленной зависимости. Недостатками этого способа являются осуществление разрушающего контроля опытного образца при размещении датчиков во внутренних слоях исследуемого тела, большая трудоемкость метода при подготовке образцов, необходимость индивидуальной градуировки датчиков по каждому материалу.

Наиболее близким является способ определения коэффициента влагопроводности листовых ортотропных капиллярно-пористых материалов (патент РФ на изобретение №2497099, G01N 15/08, 27.10.2013, Бюл. №30), заключающийся в создании равномерного начального влагосодержания в исследуемом изделии, импульсном увлажнении исследуемого изделия по прямой линии движущимся источником влаги постоянной производительности в заданном направлении ортотропного материала, выполнении электродов гальванического преобразователя в виде прямолинейных отрезков и расположении их с обеих сторон линии импульсного увлажнения на прямых, параллельных линии импульсного увлажнения, и на одинаковом заданном расстоянии от нее, определении времени достижения максимума ЭДС гальванического преобразователя и расчете по нему искомого коэффициента влагопроводности по установленной зависимости.

Недостатками этого способа являются невысокая точность определения момента достижения максимума ЭДС, где производная сигнала преобразователя по времени близка к нулю, и наблюдается недостаточная чувствительность измеряемого параметра к изменению времени.

Техническая задача предлагаемого технического решения предполагает повышение точности измерения коэффициента диффузии растворителей в листовых ортотропных капиллярно-пористых материалах.

Техническая задача достигается тем, что способ определения коэффициента диффузии растворителей в листовых ортотропных капиллярно-пористых материалах включает создание в исследуемом образце равномерного начального содержания распределенного в твердой фазе растворителя, помещение исследуемого материала на плоскую подложку из непроницаемого для растворителя материала, гидроизоляцию верхней поверхности материала, импульсное увлажнение в заданном направлении исследуемого ортотропного материала по прямой линии движущимся источником растворителя постоянной производительности, выполнение электродов гальванического преобразователя в виде прямолинейных отрезков и размещение их с обеих сторон линии импульсного увлажнения на прямых, параллельных линии импульсного увлажнения, расположенных на одинаковом заданном расстоянии от нее.

В отличие от прототипа (патент РФ на изобретение №2497099, G01N 15/08, 27.10.2013, Бюл. №30) фиксируют два момента времени τ₁ и τ₂, при которых достигаются равные значения сигнала гальванического преобразователя соответственно до и после момента наступления максимума сигнала преобразователя, а расчет коэффициента диффузии производят по формуле:

где х₀ - расстояние между линией импульсного увлажнения и расстоянием до линии расположения электродов гальванического преобразователя.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем: исследуемый образец из листового ортотропного капиллярно-пористого материала с равномерным начальным распределением растворителя (в том числе и нулевым) помещают на плоскую подложку из непроницаемого для растворителя материала, например фторопласта. К поверхности образца прижимается зонд с импульсным линейным источником растворителя и расположенными с обеих сторон линии импульсного увлажнения на прямых, параллельных линии импульсного увлажнения, и на заданном расстоянии от нее электродов гальванического преобразователя в виде прямолинейных отрезков. Зонд имеет прямолинейный паз, в котором может перемещаться движущийся источник растворителя постоянной производительности. После подачи линейного импульса растворителя источник растворителя удаляется из зонда, прямолинейный паз герметизируется заглушкой, а сам зонд обеспечивает гидроизоляцию поверхности образца в зоне действия источника и прилегающей к ней области контроля распространения растворителя. После подачи импульса растворителя (мгновенного увлажнения линии поверхности изделия) фиксируют два момента времени τ₁ и τ₂, при которых достигаются равные значения сигнала гальванического преобразователя соответственно до и после момента наступления максимума сигнала преобразователя, рассчитывают коэффициент диффузии растворителя в исследуемом материале по установленной зависимости, что обеспечивает повышение точности контроля.

Для обеспечения контроля коэффициента диффузии в различных направлениях ортотропного материала линию импульсного воздействия ориентируют в заданном направлении материала (например, при исследовании бумаги - в машинном или поперечном направлении). При этом обеспечивается однонаправленный массоперенос в нужном направлении, не искаженный массопереносом в перпендикулярном к исследуемому направлении.

Процесс распространения растворителя в плоском изделии из листового материала после нанесения линейного импульса при условии, что минимальные размеры линии импульсного воздействия превышают (20х₀+), а минимальные размеры плоскости изделия относительно линии импульсного воздействия превышают (20х₀+)×(20х₀+), где х₀ - расстояние от линии импульсного источника до прямой, на которой расположены электроды гальванического преобразователя, - суммарная длина электродов гальванического преобразователя и расстояния между ними, аналогичен распространению диффузанта в неограниченной среде при нанесении импульсного воздействия от плоского источника массы. При этом массоперенос может описываться краевой задачей:

где U(x,τ) - концентрация растворителя в исследуемом изделии на расстоянии х от линейного источника импульса массы в момент времени τ; D - коэффициент диффузии; - дельта-функция Дирака; ρ₀ - плотность абсолютно сухого исследуемого материала; W - мощность «мгновенного» источника растворителя, подействовавшего в начале координат х=0, вычисляемая как отношение количества растворителя к произведению длины полосы импульсного воздействия L на толщину h исследуемого материала; U₀ - начальная концентрация растворителя в исследуемом материале в момент времени τ=0.

В этом случае изменение влагосодержания в зоне действия источника описывается функцией:

При толщине листового материала h<10 х₀ коэффициент диффузии может быть определен по расчетному соотношению:

где τ_max - время, соответствующее максимуму на кривой U(x₀, τ) изменения концентрации на расстоянии х₀ от линейного источника.

Расчетная зависимость для определения искомого коэффициента диффузии получена на основании следующих исследований. После импульсного воздействия дозой растворителя на заданном расстоянии х₀ от линейного источника наблюдается изменение концентрации в виде характерных кривых, имеющих восходящую ветвь от начала импульсного воздействия до момента τ_mах и нисходящую ветвь, наблюдаемую после наступления момента τ_mах. При этом одинаковые значения концентрации U^*, достигаемые в моменты времени τ₁ и τ₂ соответственно на восходящей и нисходящей ветвях кривой изменения концентрации во времени, могут быть определены из выражения (1) с учетом (2):

Деление (3) на (4) приводит к следующему выражению:

Из (5) получено

Из (6) с учетом (2) получено расчетное выражение для определения искомого коэффициента диффузии:

Для определения искомого коэффициента диффузии в предлагаемом способе измерению в моменты времени τ₁ и τ₂ подлежит не концентрация U(x₀,τ), а связанная с ней ЭДС применяемого гальванического преобразователя в отсутствие предварительно найденной в результате градуировки статической характеристики. В связи с тем, что статическая характеристика имеет монотонный характер, имеется однозначная связь ЭДС преобразователя и концентрации растворителя, что позволяет определять моменты времени τ₁ и τ₂, соответствующие двум равным значениям U^*(x₀,τ₁) и U^*(x₀,τ₂), в момент достижения равных значений ЭДС.

За счет выбора одинаковых значений ЭДС преобразователя, соответствующих моментам времени τ₁ и τ₂, на участках кривой изменения выходной характеристики преобразователя с достаточно высокой чувствительностью к изменению времени обеспечивается повышение точности определения данных моментов времени и искомого коэффициента диффузии.