Результат интеллектуальной деятельности: Способ определения коэффициента диффузии растворителей в массивных изделиях из капиллярно-пористых материалов

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при исследовании процессов массопереноса в капиллярно-пористых материалах для определения коэффициентов диффузии растворителей в строительных материалах и изделиях, а также в пищевой, химической и других отраслях промышленности.

Известен способ определения коэффициента массопроводности и потенциалопроводности массопереноса (АС 174005, кл. G01kN 421, 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, невозможность определения коэффициента диффузии других растворителей, кроме воды, большая трудоемкость метода при подготовке образцов, необходимость индивидуальной градуировки датчиков по каждому материалу.

Наиболее близким является способ определения коэффициента диффузии растворителей в массивных изделиях из капиллярно-пористых материалов (патент РФ на изобретение №2492457, G01N 27/26, 15/08, 10.09.2013, бюл. №25), заключающийся в создании в исследуемом изделии равномерного начального содержания распределенного в твердой фазе растворителя, приведении плоской поверхности изделия в контакт с импульсным точечным источником растворителя, гидроизоляции этой поверхности, расположении электродов гальванического преобразователя на этой поверхности по концентрической окружности относительно точки импульсного воздействия, определении времени достижения максимума ЭДС гальванического преобразователя и расчете по нему коэффициента диффузии по установленной зависимости.

Недостатком 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 массивных изделиях из капиллярно-пористых материалов.

Техническая задача достигается тем, что в способе определения коэффициента диффузии в массивных изделиях из капиллярно-пористых материалов, имеющих по крайней мере одну плоскую поверхность (например, цементные или гипсовые плиты), включающем создание в исследуемом изделии равномерного начального содержания распределенного в твердой фазе растворителя, приведение плоской поверхности изделия в контакт с импульсным точечным источником растворителя, гидроизоляцию этой поверхности, расположение электродов гальванического преобразователя на этой поверхности по концентрической окружности относительно точки импульсного воздействия.

В отличие от прототипа (патент РФ на изобретение №2492457, G01N 27/26, 15/08, 10.09.2013, бюл. №25) фиксируют два момента времени τ₁ и τ₂, при которых достигаются равные значения сигнала гальванического преобразователя до и после момента наступления максимума сигнала преобразователя, а расчет коэффициента диффузии производят по формуле:

где r₀ - расстояние между электродами гальванического преобразователя и точкой воздействия дозой растворителя на поверхность контролируемого изделия.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем: к плоской поверхности изделия с равномерным начальным распределением растворителя (в том числе и нулевым) прижимается зонд с импульсным точечным источником дозы растворителя и расположенными на концентрической окружности относительно точки импульсного воздействия на изделие электродами гальванического преобразователя. После импульсной подачи дозы растворителя в точку на поверхности изделия зонд обеспечивает гидроизоляцию поверхности изделия в зоне действия источника растворителя и прилегающей к ней области контроля распространения диффузанта. После подачи импульса растворителя (мгновенного увлажнения точки на 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.

Процесс распространения растворителя в массивном изделии из капиллярно-пористых материалов (при условии, что минимальные размеры изделия относительно точки импульсного воздействия превышают 10 r₀, где r₀ - расстояние от источника до электродов гальванического преобразователя), после нанесения такого импульса описывается краевой задачей массопереноса в неограниченной среде при нанесении импульсного воздействия от точечного источника массы:

, τ>0, 0≤r<∞

U(r,0)=U₀; ; U(∞,τ)=U₀;

где U(r,τ) - концентрация растворителя на поверхности сферы радиусом г относительно точки импульсного подвода дозы растворителя к образцу в момент времени τ; D - коэффициент диффузии растворителя; δ(r,τ) - δ - функция Дирака; ρ₀ - плотность абсолютно сухого исследуемого материала; Q - количество жидкой фазы, подведенной из дозатора к плоской поверхности изделия исследуемого капиллярно-пористого материала; U₀ - начальная концентрация растворителя в исследуемом материале в момент времени τ=0.

В этом случае изменение концентрации растворителя в капиллярно-пористом материале в зоне действия источника описывается функцией:

Коэффициент диффузии может быть найден по известной формуле:

где τ_max - время, соответствующее максимуму на кривой U(r₀,τ) изменения концентрации на расстоянии r₀ от источника.

Расчетная зависимость для определения искомого коэффициента диффузии получена на основании следующих исследований. После импульсного воздействия дозой растворителя на заданном расстоянии r₀ от точечного источника наблюдается изменение концентрации в виде характерных кривых, имеющих восходящую ветвь от начала импульсного воздействия до момента τ_max и нисходящую ветвь, наблюдаемую после наступления момента τ_max. 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(r₀,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^*(r₀,τ₁) и U^*(r₀,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.