Способ ультразвукового испытания древесины растущих деревьев

 

Изобретение относится к способам экологического мониторинга территории свойствами растущих деревьев и может быть использовано в инженерной экологии, а также в лесной области при сертификации древесины на корню, ландшафтном обустройстве территории и обосновании мер по уходу за лесом. На стволе или ветви растущего дерева с двух его боков выполняют пазы с торцами, которые параллельны друг другу и соосно расположены симметрично относительно продольной оси ствола или ветви. Изобретение повышает точность экологического мониторинга изменения свойств древесины в растущем состоянии. 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к способам экологического мониторинга территории свойствами растущих деревьев и может быть использовано в инженерной экологии, а также в лесной отрасли при сертификации древесины на корню в ходе лесоустройства, отводе участков леса под ландшафтное обустройство территории и для рубок ухода за лесом.

Известен способ ультразвукового испытания древесины на стандартных образцах размерами 20•20•300 мм (последний размер вдоль волокон), включающий закрепление образца, наклейку ферромагнитных пластинок на соответствующих местах образца древесины по ГОСТ 16483.31-74, включение электромагнитного возбудителя, изменение частот колебания для приведения образца в резонансное состояние (см., например, книгу: Уголев Б.Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения. -М.: МГУЛ, 2001, с. 131).

Недостатком является высокая трудоемкость изготовления стандартных образцов прямоугольного сечения, одноразовость испытания растущего дерева, что не позволяет применить этот способ в инженерной экологии и экологическом мониторинге.

Известен также способ ультразвукового испытания древесины растущих деревьев с использованием кернов по патенту 2144185, включающий взятие керна, измерение его параметров и уточнение значения свойств древесины с учетом поправок.

Недостатком является то, что в ходе экологического мониторинга территории через изменения свойства древесины растущего дерева затруднено долговременное слежение из-за повторного поранения дерева.

При этом с одного дерева возможно извлечь не более 12-15 кернов древесины, так как каждое бурение ранит живое дерево. Дерево само, отклоняясь на раны, меняет свойства древесины. Кроме того, с одного и того же места на дереве практически невозможно извлечь несколько кернов, а это повышает погрешность измерения различных свойств древесины в растущем состоянии, экологические измерения становятся неточными.

Таким образом, необходим новый способ, позволяющий нанести рану только один раз, а замеры свойств через скорость ультразвука проводить многократно и долгое время в процессе экологического мониторинга.

Технический результат - повышение точности экологического мониторинга изменением свойств древесины в растущем состоянии.

Этот технический результат достигается тем, что на стволе или ветви растущего дерева выполняются с двух его боков пазы с торцами, параллельными друг другу и симметрично расположенными относительно оси дерева.

Пазы выполняются в виде поверхности цилиндра, например с помощью торцовой фрезы, с диаметром, большим диаметра датчиков ультразвукового прибора.

Между торцами пазов формируется слой древесины, достаточный для измерения времени прохождения ультразвука. Для существующих типов переносных ультразвуковых приборов этот слой должен быть толщиной не менее 20 мм.

На молодых деревьях, имеющих малые диаметры ствола и сучьев, пазы выполняются в виде угловых насечек цилиндрической или иной формы, торцы которых выполняются с размерами, обеспечивающими размещение датчиков ультразвукового прибора.

Маркировка учетного дерева выполняется на поверхности паза. Для хранения пазы могут быть закрыты пробками.

Сущность изобретения заключается в том, что измерения ультразвуковым прибором переносятся непосредственно на растущее дерево, что значительно повышает оперативность и точность экологического мониторинга измерениями динамики свойств древесины в растущем состоянии.

Сущность технического решения заключается также в том, что в ходе экологического мониторинга растущему дереву наносится рана только один раз и образованные пазы позволяют выполнять многократные замеры, например в течение суток, лунного цикла, сезона, вегетационного периода, а также выявить многолетние циклические закономерности изменения свойств древесины в растущем состоянии.

Важным является то, что объект измерения при повторных наблюдениях геометрически не меняется, а измерение свойств древесины в зоне замера возможно учесть поправочными коэффициентами по результатам наблюдения, полученных от момента изготовления пазов до перехода свойств древесины в зоне замеров в стабильное состояние.

Таким образом, учетное дерево является хорошим биоиндикатором экологического состояния с учетом запаздывания ответных физиологических реакций древесного растения на различные естественные (температура и влажность воздуха, солнечный свет, уровень грунтовых вод и пр.) и искусственные (вредные химические вещества, гниль, вредители, способы лесоводственных воздействий и пр.) раздражители.

При хорошем обращении с пазами для ультразвуковых измерений с момента их изготовления экологический мониторинг возможен вплоть до полного старения учетного дерева как биологического индикатора экологических и технологических (в лесном хозяйстве) условий.

Положительный эффект заключается в том, что одноразовое поранение позволяет проводить долговременный экологический мониторинг территории, на которой произрастают учетные деревья. При этом возможно применение существующих типов переносных ультразвуковых приборов, например типа УК-14П, УК-14ПМ и другие. У них диаметр датчиков достигает 25 мм. Поэтому торцовая фреза, с помощью которой формируется цилиндрический паз, должна иметь диаметр 28-30 м (с наибольшей стороны косо усеченного цилиндра). Такие раны не наносят вреда крупным и средним деревьям. А по этим пазам легко можно найти само учетное дерево, маркировка которого может быть выполнена на внутренней поверхности цилиндрического паза. Причем в наиболее ответственных случаях, например в парках и заповедниках, эти пазы могут быть закрыты деревянными пробками.

Предлагаемое техническое решение обладает существенными отличиями, новизной и положительным эффектом. Материалов, порочащих новизну данного изобретения, нами не обнаружено. Такие исследования проводятся впервые и наш приоритет в них очевиден по предыдущим заявкам на предлагаемые изобретения.

На фиг. 1 приведена схема реализации предлагаемого способа на стволе растущего крупномерного дерева (в среднем и старом возрасте); на фиг.2 - сечение А-А по фиг.1; на фиг.3 - увеличенная схема измерения времени прохождения ультразвука на расстояние L датчиками ультразвукового прибора; на фиг. 4 - схема формирования неполного цилиндрического паза на тонкомерном дереве (молодом возрасте); на фиг.5 - сечение Б-Б по фиг.4; на фиг.6 - схема испытания ультразвуком древесины сучка на некотором расстоянии от его основания к основанию ствола; на фиг.7 - сечение В-В по фиг.6.

Способ ультразвукового испытания растущих деревьев включает в себя следующие действия.

На стволе 1 или ветви 2 растущего дерева с двух его сторон выполняются пазы 3, например цилиндрической формы. К торцам 4 пазов прижимаются датчики 5 ультразвукового прибора. По показаниям прибора определяется время прохождения ультразвука на расстоянии L по зоне 6 замеров. По скорости ультразвука оценивают состояние растущего дерева.

В связи с этим точность измерения будет выше, если будет соблюдаться параллельность торцов цилиндрических пазов, соосность их продольных осей, а также симметричность зоны замеров по сечению ствола или ветви дерева. Кроме того, обработка пазов торцовой фрезой позволяет получить высокую чистоту поверхности для контакта с датчиком ультразвукового прибора.

Между торцами цилиндрических пазов формируется слой древесины, образующий зону измерения. Причем этот слой должен иметь длину L, достаточную для измерения времени прохождения ультразвука. Для существующих типов переносных ультразвуковых приборов, чтобы исключить взаимное влияние датчиков (датчика и приемника при импульсном режиме ультразвуковых измерений), а также снизить погрешность измерения, этот слой длиной L зоны замеров должен иметь толщину не менее 20 мм. Такой размер все же достаточен, чтобы испытаниям подвергать сечение ствола или ветви с диаметром не менее 160-200 мм (при диаметре датчика около 25 мм).

На молодых деревьях с диаметром стволов 100 и более миллиметров, цилиндрический паз выполняется неполным, т.е. они имеют форму угловых насечек. При этом такие насечки возможно выполнить и вручную, например, с использованием стамески. Тогда паз получается не цилиндрической формы, а в виде многогранника с одной открытой стороной. Если изготовить к серединке ультразвуковым прибором специальные датчики диаметром 10-15 мм, то возможно применить данный способ на стволах диаметром 60 мм и более. Цилиндрический паз образуется, из-за расположения на периферии сечения ствола, с косым срезом. При этом, чем ближе общая ось двух пазов к краю сечения ствола или крупной ветви, то там точнее процесс ультразвукового испытания, так как ось пазов будет ближе к тангенциальному направлению годичных слоев.

На мелких сечениях ствола или ветви этого добиться не удается, поэтому возможно центрирование пазов относительно всего сечения (показано на фиг.7). Однако при этом процесс прохождения ультразвука значительно усложняется, так как будет неясен путь прохождения волн: или волны идут вдоль оси пазов по радиальному направлению волокон, или звук проходит по годичным слоям по окружности вокруг годичных слоев. В связи с этим схема измерения на периферии сечения (фиг.3) является наиболее предпочтительной.

Клеймение учетного дерева выполняется на поверхности паза, которая расположена в глубине ствола или ветви (для цельных деревьев на стволе пазы не выполняются).

Цилиндрическая форма паза (см. фиг.1 и фиг.4) позволяет заранее изготовить пробки, например с метками (номер учетного дерева), а после сеанса с ультразвуковых измерений (фиг.3) пазы могут быть закрыты этими пробками. Долговечность экологического мониторинга на одном учетном дереве значительно повысится.

Способ ультразвукового испытания древесины растущих деревьев реализуется, например, на стволе взрослого и крупного растущего дерева следующим образом.

Вначале выбираются учетные деревья, которые способны своим поведением характеризовать экологическое состояние территории. Затем на стволе 1 учетного дерева выбирается место для изготовления пазов. Например, для экологических измерений следует применять южную сторону, а для исключения влияний комлевой части ствола пазы следует располагать на высоте ствола не менее 1 м от корневой шейки. Чтобы данные были сопоставимы с результатами лесотаксационных измерений, лучше всего пазы располагать на 1,3 м, например в зоне 1,3-1,5 м.

С помощью быстровращающейся торцовой фрезы, установленной на переносном мотоинструменте, изготовляется паз 3 цилиндрической формы. Быстрое вращение фрезы позволяет получить чистую поверхность торца 4 паза. Аналогично другой паз симметрично выполняется с другой стороны дерева, причем для повышения точности соосности двух пазов может быть использован специальный кондуктор.

Два торца пазов располагаются параллельно друг другу на расстоянии L. При этом между пазами в стволе образуется зона 6 замеров. В ней присутствует кора дерева, поэтому этот слой будет функционировать в ходе дальнейшего роста и развития учетного дерева.

Для повышения качества поверхности торца 4, что обеспечивает хороший контакт с датчиком 5 ультразвукового прибора, вместо фрезы может быть шлифовальная головка. Для повышения качества контакта на датчик 5 со стороны торца 4 закрепляется кусок специального контактного материала, например кусок голубой изоляционной ленты (по данным наших опытов).

После изготовления пазов и шлифовки их торцов сразу же измеряют с помощью датчиков 5 (один из них датчик, а другой - приемник, они меняются функциями в импульсном режиме) время прохождения ультразвука, например как средние из 5 замеров. После этого вычисляют скорость ультразвука делением расстояния L на время.

Такие замеры проводят то тех пор, пока не наступит условно равновесное состояние зоны 6 по влажности древесины (из-за пазов часть древесины вокруг пазов будет высыхать). Чтобы снизить влияние атмосферных осадков и влажности воздуха, цилиндрические поверхности пазов можно покрасить, а сам паз закрыть пробкой. Причем на боковой поверхности паза и пробке наносят метки.

При последующих ультразвуковых измерениях открывают пробки, прижимают вручную датчики к торцу 4 и снимают показания ультразвукового прибора. Одновременно другими приборами измеряют различными гидрометеорологические и экологические показатели в пространстве обитания учетного дерева. Такие измерения возможно выполнить ежечасно, ежесуточно, в сезоне или на всем вегетационном периоде.

В процессе многолетних измерений (например, несколько тысяч замеров) происходит ухудшение торца 4 и порча древесины от торца на некоторую глубину. В этом случае повторно торцевой фрезой углубляют паз 3, например на 3-5 мм с обоих сторон, это приводит к некоторому снижению расстояний L зоны 6 замеров. Так возможно несколько циклов обновления пазов. Поэтому экологический мониторинг возможно продолжать до конца жизнедеятельности учетного дерева (до 50-75 и более лет).

Предлагаемый способ позволяет выполнять измерения показателей экологического состояния и сопоставлять их со скоростью ультразвука, изменяющего свое значение в зависимости от физиологического состояния учетного дерева. Статистическим моделированием динамики данных выявляются закономерности как процессов физиологии данного дерева, так и изменения экологического состояния территории.

Этот способ позволяет вести биоиндикации в ходе экологического мониторинга на десятки лет от момента изготовления пазов для измерения ультразвуковым методом. При этом возможно вести параллельно и электромагнитные измерения динамики свойств древесины растущего дерева.

Формула изобретения

1. Способ ультразвукового испытания древесины растущих деревьев, включающий выбор учетного дерева, измерение ультразвуковых параметров древесины, отличающийся тем, что на стволе или ветви растущего дерева с двух его боков выполняют пазы с торцами, параллельными друг другу и соосно расположенными симметрично относительно продольной оси ствола или ветви.

2. Способ ультразвукового испытания древесины растущих деревьев по п.1, отличающийся тем, что расстояния между торцами пазов в зоне замеров времени прохождения ультразвука принимается не менее 20 мм.

3. Способ ультразвукового испытания древесины растущих деревьев по пп.1 и 2, отличающийся тем, что пазы выполняются цилиндрической формы, например, с помощью торцовой фрезы, с диаметром, большим диаметра датчиков переносного ультразвукового прибора.

4. Способ ультразвукового испытания древесины растущих деревьев пп.1 и 2, отличающийся тем, что на молодых тонкомерных деревьях, имеющих малые диаметры ствола и ветви, пазы выполняются в виде угловых насечек некруглой формы, причем у пазов торцы выполняются с размерами, обеспечивающими размещение датчиков ультразвукового прибора.

5. Способ ультразвукового испытания древесины растущих деревьев по пп.1-3, отличающийся тем, что после ухудшения торцов из-за многократных измерений пазы углубляют навстречу друг другу на толщину слоя поврежденной древесины.

6. Способ ультразвукового испытания древесины растущих деревьев по п.1, отличающийся тем, что общую ось симметрично располагаемых относительно ствола или ветви пазов располагают ближе к периферии сечения ствола или ветви.

7. Способ ультразвукового испытания древесины растущих деревьев по п.1, отличающийся тем, что маркировку учетного дерева наносят на боковую поверхность паза.

8. Способ ультразвукового испытания древесины растущих деревьев по п.1, отличающийся тем, что для долгого хранения боковые поверхности пазов покрывают краской, а после проведения измерений пазы закрывают пробками, на которых нанесена маркировка.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7