Способ определения коэффициента диффузии в листовых ортотропных капиллярно-пористых материалах

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при исследовании процессов массопереноса и определении коэффициентов диффузии растворителей в ортотропных капиллярно-пористых материалах в бумажной, легкой, строительной и других отраслях промышленности. Способ определения коэффициента диффузии растворителей в листовых ортотропных капиллярно-пористых материалах заключается в том, что в исследуемом листовом материале создают равномерное начальное содержание распределенного в твердой фазе растворителя, затем исследуемый материал помещают на плоскую подложку из непроницаемого для растворителя материала, гидроизолируют верхнюю поверхность материала, в начальный момент времени осуществляют импульсное увлажнение исследуемого материала по прямой линии движущимся источником растворителя постоянной производительности в заданном направлении ортотропного материала, электроды гальванического преобразователя выполняют в виде прямолинейных отрезков и располагают их с обеих сторон линии импульсного увлажнения на прямых, параллельных линии импульсного увлажнения, расположенных на одинаковом заданном расстоянии от нее, при этом импульсное воздействие осуществляют дозой растворителя, рассчитываемой по формуле

G≈2,3hLρ0Upxc,

а моменты времени τ1 и τ2 фиксируют при достижении равных значений сигнала гальванического преобразователя в окрестности значения 0.9 Ер, где h - толщина исследуемого материала; L - длина полосы импульсного воздействия; ρ0 - плотность исследуемого образца в сухом состоянии; Up - равновесная концентрация растворителя в исследуемом образце при контакте с насыщенными парами растворителя при заданной температуре; хс - расстояние между электродами гальванического преобразователя и линией воздействия дозой растворителя на поверхность контролируемого изделия; Ер - значение сигнала гальванического преобразователя при концентрации Up. Техническим результатом является повышение точности контроля и снижение затрат времени и средств на проведение исследований. 1 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при исследовании процессов массопереноса и для определения коэффициентов диффузии растворителей в ортотропных капиллярно-пористых материалах 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. G01k N 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. Недостатком 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 №2677259, G01N 15/082, G01N 15/0826, G01N 27/26, G01N 2013/003, 16.01.19, Бюл. №2), 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, фиксировании моментов времени τ1 и τ2, при которых достигаются одинаковые значения сигналов гальванического датчика Е1 и Е2 из диапазона (0,7-0,9) Ее соответственно на восходящей и нисходящей ветвях кривой изменения сигнала во времени при условии достижения в эксперименте максимума сигнала гальванического датчика Emax, составляющего 0,75-0,95 от максимально возможного значения данного сигнала Ee, соответствующего переходу растворителя из области связанного с твердой фазой исследуемого материала в область свободного состояния, и расчете искомого коэффициента диффузии по установленной зависимости. Причем, если после нанесения импульсного воздействия максимальное значение сигнала гальванического преобразователя Emax наблюдается за пределами диапазона (0,75-0,95)Ее, то ожидают снижение сигнала преобразователя до начального значения, а затем осуществляют новое импульсное воздействие увеличенной или уменьшенной дозой растворителя, причем эту процедуру повторяют до вхождения максимального значения сигнала преобразователя в указанный диапазон, после чего рассчитывают искомый коэффициент диффузии.

Недостатками этого способа являются невысокая точность, причинами которой являются:

1. Низкая чувствительность применяемого преобразователя при недостаточной или завышенной дозе вносимой влаги при импульсном воздействии. При измерении коэффициента диффузии по данному способу существует большая вероятность того, что получаемые в эксперименте кривые изменения сигнала гальванического преобразователя во времени крайне затруднительно использовать для определения искомого коэффициента диффузии, т.к. эти изменения могут находиться на начальном участке статической характеристики гальванического преобразователя в области малых концентраций с нестабильным сигналом (фигура 1, кривая 4) или на конечном участке статической характеристики в области высоких концентраций с крайне низкой чувствительностью преобразователя или в области свободного состояния растворителя в капиллярно-пористом теле, где чувствительность вообще отсутствует (фигура 1, кривая 1).

2. Значительные затраты времени на экспериментальный подбор вносимых импульсных доз растворителя для каждого нового исследуемого материала и нового растворителя, обеспечивающий требуемый уровень выходной характеристики гальванического преобразователя.

Техническая задача предлагаемого технического решения предполагает повышение точности контроля и снижение затрат времени и средств на проведение исследований.

Техническая задача достигается тем, что в способе определения коэффициента диффузии растворителей в листовых ортотропных капиллярно-пористых материалах, заключающимся в том, что в исследуемом листовом материале создают равномерное начальное содержание распределенного в твердой фазе растворителя, затем исследуемый материал помещают на плоскую подложку из непроницаемого для растворителя материала, гидроизолируют верхнюю поверхность материала, в начальный момент времени осуществляют импульсное увлажнение исследуемого материала по прямой линии движущимся источником растворителя постоянной производительности в заданном направлении ортотропного материала, выполняют электроды гальванического преобразователя в виде прямолинейных отрезков и располагают их с обеих сторон линии импульсного увлажнения на прямых, параллельных линии импульсного увлажнения, расположенных на одинаковом заданном расстоянии от нее. 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.

В отличие от прототипа (патент РФ на изобретение №2677259, G01N 15/082, G01N 15/0826, G01N 27/26, G01N 2013/003, 16.01.19, Бюл. №2) импульсное воздействие осуществляют дозой растворителя, рассчитываемой по формуле:

G2≈2,3hLρ0Upxc,

а моменты времени τ1 и τ2 фиксируют при достижении равных значений сигнала гальванического преобразоватея в окрестности значения 0.9 Ер,

где h - толщина исследуемого материала; L - длина полосы импульсного воздействия; ρ0 - плотность исследуемого образца в сухом состоянии; Up - равновесная концентрация растворителя в исследуемом образце при контакте с насыщенными парами растворителя при заданной температуре; хс - расстояние между электродами гальванического преобразователя и линией воздействия дозой растворителя на поверхность контролируемого изделия; Ер - значение сигнала гальванического преобразователя при концентрации Up.

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 от 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.

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.

Для повышения точности необходимо, чтобы в моменты времени τ1 и τ2 измеряемое значение ЭДС находилось на участке статической характеристики, характеризующегося стабильным сигналом преобразователя и высокой чувствительностью к изменению концентрации. Исследования показывают, что данный участок статической характеристики соответствует изменению ЭДС преобразователя в диапазоне:

где Ер - сигнал преобразователя, соответствующий переходу растворителя из области связанного с твердой фазой исследуемого материала в область свободного состояния (максимальный сигнал на плато насыщения статической характеристики).

Сигнал гальванического преобразователя из диапазона (1) для капиллярно-пористых материалов наблюдается в окрестности значения концентрации растворителя:

На фигуре 1 представлены кривые изменения ЭДС при диффузии влаги поперек волокон бумаги толщиной 0,14 мм, плотностью в сухом состоянии 2,2×102 кг/м3 для хс=4 мм при различных значениях дозы импульса влаги. ЭДС преобразователя представлена в относительных единицах к максимально возможной ЭДС преобразователя Ер при заданной температуре контроля. С увеличением вносимой дозы этанола увеличивается достигаемое в хс значение максимума концентрации от кривой 4 к кривой 1. Исследования показывают, что значения моментов времени τ1 и τ2, соответствующие значениям ЭДС преобразователя из диапазона (1), надежно фиксируются (фигура 1, кривые 2, 3) при условии достижения в эксперименте максимума сигнала гальванического датчика из диапазона:

Изменение концентрации растворителя в капиллярно-пористом материале в зоне действия источника описывается функцией:

где U(x,τ) - концентрация растворителя в исследуемом изделии на расстоянии x от линейного источника импульса массы в момент времени τ; 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; ρ0 - плотность абсолютно сухого исследуемого материала; D - коэффициент диффузии; U0 - начальная концентрация растворителя в исследуемом материале в момент времени τ=0.

Коэффициент диффузии связан с моментом времени τmax достижения максимума концентрации растворителя Umax (и ЭДС гальванического преобразователя Emax вследствие монотонности его статической характеристики) на расстоянии х=хс следующим соотношением:

Примем для простоты U0=0. Учитывая (5), уравнение (4) для заданной точки контроля х=хс можно преобразовать к виду:

Из (6) с учетом (5) можно получить значение достигаемого максимума Umax при τ=τmax:

Расчетная формула для определения коэффициента диффузии имеет вид (патент РФ на изобретение №2677259, G01N 15/082, G01N 15/0826, G01N 27/26, G01N 2013/003, 16.01.19, Бюл. №2):

Среднеквадратическая оценка δD относительной погрешности определения искомого коэффициента диффузии при этом имеет вид:

где δхс=Δхсс - относительная погрешность определения координаты расчетного сечения; δτ1=Δτ/τ1 и δτ2=Δτ/τ2 - относительная погрешность определения моментов времени соответственно τ1 и τ2 (при условии равенства абсолютных погрешностей определения моментов времени Δτ2≈Δτ1≈Δτ.); - относительная погрешность измерения разности (τ21).

Анализ (9) показывает, что при прочих равных условиях доминантой является погрешность измерения разности

т.к. числитель выражения (абсолютная погрешность измерения момента времени) является константой. Поэтому для повышения точности определения искомого коэффициента диффузии необходимо использовать максимальное значение разности (τ21). Это достигается предпочтением в использовании кривой 2 (фигура 1) по сравнению с кривой 3. В этом случае разность (τ21) оказывается выше, следовательно, и точность определения коэффициента диффузии выше. При этом кривая 2 соответствует достижению Emax верхней границы диапазона (3), а для определения моментов времени τ1 и τ2 используются два одинаковых значения ЭДС преобразователя в окрестности верхней границы диапазона (1).

Таким образом, учитывая необходимость получения максимума концентрации Umax в окрестности значения (2), с учетом целесообразности использования верхних границ диапазонов (1) и (3), из (7) после вычисления констант получим выражение для оптимальной дозы импульсного воздействия:

В таблице 1 представлены результаты 20 - кратных измерений коэффициента диффузии влаги вдоль волокон бумаги толщиной 0.14 мм, плотностью в сухом состоянии 2.2×102 кг/м3. Расстояние от источника дозы растворителя до расположения электродов гальванического преобразователя - 4 мм.

J

Равновесная концентрация влаги Up при контакте с насыщенными парами воды в газовой фазе составляла 0.252 кг влаги на кг сухого материала. Рассчитанное по формуле (11) значение оптимальной дозы растворителя составило величину 6.4×10-6 кг. Моменты времени τ1 и τ2, определяли при одинаковых относительных значениях ЭДС преобразователя приблизительно равных 0,9 Ее; при этом Emax≈0.95Ee.

Погрешность результата измерения определялась как половина доверительного интервала следующим образом:

где - среднеквадратическая погрешность отдельного измерения;

- математическое ожидание случайной величины;

tα,n - коэффициент Стьюдента при доверительной вероятности α и количестве измерений n.

На основании данных таблицы 1 рассчитана погрешность результата измерения коэффициента диффузии влаги, которая составила 8.7%≈9%.

Способ определения коэффициента диффузии растворителей в листовых ортотропных капиллярно-пористых материалах, заключающийся в том, что в исследуемом листовом материале создают равномерное начальное содержание распределенного в твердой фазе растворителя, затем исследуемый материал помещают на плоскую подложку из непроницаемого для растворителя материала, гидроизолируют верхнюю поверхность материала, в начальный момент времени осуществляют импульсное увлажнение исследуемого материала по прямой линии движущимся источником растворителя постоянной производительности в заданном направлении ортотропного материала, выполняют электроды гальванического преобразователя в виде прямолинейных отрезков и располагают их с обеих сторон линии импульсного увлажнения на прямых, параллельных линии импульсного увлажнения, расположенных на одинаковом заданном расстоянии от нее, отличающийся тем, что импульсное воздействие осуществляют дозой растворителя, рассчитываемой по формуле:

G≈2,3hLp0Upxc,

а моменты времени τ1 и τ2 фиксируют при достижении равных значений сигнала гальванического преобразователя в окрестности значения 0.9 Ер, где h - толщина исследуемого материала; L - длина полосы импульсного воздействия; ρ0 - плотность исследуемого образца в сухом состоянии; Up - равновесная концентрация растворителя в исследуемом образце при контакте с насыщенными парами растворителя при заданной температуре; xc - расстояние между электродами гальванического преобразователя и линией воздействия дозой растворителя на поверхность контролируемого изделия; Ер - значение сигнала гальванического преобразователя при концентрации Up.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу и аппарату для оценивания рассеивающих свойств порошка. Способ оценивания рассеивающих свойств порошка включает следующие операции: порошок, подлежащий оцениванию, сбрасывают на поверхность жидкости, находящейся в емкости, создавая в емкости рассеяние порошка в форме пыли, и измеряют концентрацию пыли в воздухе внутри емкости посредством пылемера.

Устройство содержит корпус, защитный кожух, чувствительный элемент, устройство для обработки и передачи информации. Корпус выполнен цилиндрическим с продольным прямоугольным вырезом и с коническим наконечником на одном из его торцов, а с другой стороны содержит последовательно размещенные плоский круглый упор, выполненный с возможностью перемещения вдоль корпуса, устройство обработки и передачи информации и рукоятку для ввода в материал.

Изобретение относится к методам аналитического контроля и может быть использовано для определения количественного содержания высокодисперсного кремнезема в шликере на основе кварцевого стекла.

Изобретение может быть использовано в датчиках резистивного типа для обнаружения твердых частиц в потоке отработавших газов. Способ обнаружения твердых частиц в потоке отработавших газов заключается в том, что регулируют работу двигателя в соответствии с распределением твердых частиц на множестве пар электродов, расположенных внутри общего корпуса датчика твердых частиц.

Пылемер может быть использован для управления вентиляционным оборудованием, а также для определения общей доли респирабельной фракции пыли, вызывающей профессиональные легочные заболевания.

Изобретение относится к океанологическим исследованиям и предназначено для проведения исследований планктона путем фиксации исследуемого объема импульсами когерентного оптического излучения.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Система обнаружения твердых частиц в выпускном патрубке двигателя содержит первую, наружную трубу (210) и вторую, внутреннюю трубу (220).

Изобретение относится к области измерительной техники и касается модуля лазерного датчика для определения размера частиц для определения качества воздуха. Модуль содержит лазер, детектор, электрический возбудитель и блок оценки.

Изобретение относится к конструкции и использованию датчиков твердых частиц в отработавших газах. Целью изобретения является идентификация и отфильтровывание твердых частиц отработавших газов перед выпуском отработавших газов в атмосферу.

Изобретение может быть использовано в системах снижения выбросов двигателей внутреннего сгорания. Узел (200) датчика твердых частиц содержит две полностью перекрещивающиеся трубки (232) и (234), соединенные по текучей среде с внешней кольцевой трубкой (220).

Изобретение относится к исследованию коэффициента извлечения нефти в лабораторных условиях на основе данных, полученных при анализе образцов керна из месторождения, при использовании процесса парового дренажа.

Изобретение относится к способам и средствам определения физико-механических характеристик носителя или катализатора, в частности к способу определения показателя истираемости и к устройству для определения показателя истираемости носителя или катализатора.

Изобретение относится к устройствам для исследования физических свойств образцов керна горных пород в лабораторных условиях и может найти применение в геологии, горной и нефтегазодобывающей промышленности.

Изобретение относится к области исследования физических свойств горных пород и может быть использовано при разработке нефтяных месторождений. Способ заключается в том, что образцы керна, насыщенные керосином с остаточной водой, устанавливают в кернодержатель фильтрационной системы, создают заданные термобарические условия, прокачивают керосин в объеме 3–4 объемов пор образца, в передвижной обогревательной системе с помещенным в нее пробоотборником с пробой нефти создают термобарические условия, аналогичные установленным в кернодержателе, замещают керосин на нефть посредством подключения передвижной обогревательной системы в гидравлическую схему фильтрационной установки, определяют коэффициент проницаемости, устанавливают пластовую температуру, пластовое давление и горное давление, установку модернизируют путем подключения пробоотборника с передвижной обогревательной системой, в которую помещают пластовую пробу нефти, перед подключением в гидравлическую схему фильтрационной установки перемешивают её качанием в ручном режиме с контролем температуры и давления в пробоотборнике для максимальной гомогенизации флюида, начало процесса формирования твердых фаз парафинов и асфальтенов регистрируют по резкому уменьшению коэффициента проницаемости.

Изобретение относится к установкам для определения зависимости физических свойств горных пород от форм и видов связи насыщающей их воды и может быть использовано в нефтяной геологии.

Изобретение относится к установкам для определения зависимости физических свойств горных пород от форм и видов связи насыщающей их воды и может быть использовано в нефтяной геологии.

Изобретение относится к способу и системе определения величины пористости, связанной с органическим веществом, в скважине или в продуктивных пластах. Техническим результатом является создание усовершенствованного способа оценки величины пористости, связанной с органическим веществом геологического материала.

Изобретение относится к способу и системе определения величины пористости, связанной с органическим веществом, в скважине или в продуктивных пластах. Техническим результатом является создание усовершенствованного способа оценки величины пористости, связанной с органическим веществом геологического материала.

Изобретение относится к нефтяной промышленности и может быть использовано для определения газового фактора нефти, а также дебитов нефти и воды нефтяных скважин. Технической задачей предлагаемого способа является обеспечение возможности измерения дебитов нефти, воды и газа при различных содержаниях свободного газа в измеряемой продукции, в том числе при его полном отсутствии.

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.

Группа изобретений относится к области биотехнологии. Предложен способ анализа поведения веществ in vitro, устройство для анализа поведения молекул, а также средство для испытания вещества in vitro.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при исследовании процессов массопереноса и определении коэффициентов диффузии растворителей в ортотропных капиллярно-пористых материалах в бумажной, легкой, строительной и других отраслях промышленности. Способ определения коэффициента диффузии растворителей в листовых ортотропных капиллярно-пористых материалах заключается в том, что в исследуемом листовом материале создают равномерное начальное содержание распределенного в твердой фазе растворителя, затем исследуемый материал помещают на плоскую подложку из непроницаемого для растворителя материала, гидроизолируют верхнюю поверхность материала, в начальный момент времени осуществляют импульсное увлажнение исследуемого материала по прямой линии движущимся источником растворителя постоянной производительности в заданном направлении ортотропного материала, электроды гальванического преобразователя выполняют в виде прямолинейных отрезков и располагают их с обеих сторон линии импульсного увлажнения на прямых, параллельных линии импульсного увлажнения, расположенных на одинаковом заданном расстоянии от нее, при этом импульсное воздействие осуществляют дозой растворителя, рассчитываемой по формуле G≈2,3hLρ0Upxc,а моменты времени τ1 и τ2 фиксируют при достижении равных значений сигнала гальванического преобразователя в окрестности значения 0.9 Ер, где h - толщина исследуемого материала; L - длина полосы импульсного воздействия; ρ0 - плотность исследуемого образца в сухом состоянии; Up - равновесная концентрация растворителя в исследуемом образце при контакте с насыщенными парами растворителя при заданной температуре; хс - расстояние между электродами гальванического преобразователя и линией воздействия дозой растворителя на поверхность контролируемого изделия; Ер - значение сигнала гальванического преобразователя при концентрации Up. Техническим результатом является повышение точности контроля и снижение затрат времени и средств на проведение исследований. 1 ил., 1 табл.

Наверх