Способ определения коэффициента диффузии в массивных изделиях из ортотропных капиллярно-пористых материалов

Авторы патента:

G01N27/26 - путем определения электрохимических параметров; путем электролиза или электрофореза (определение коррозионной стойкости G01N 17/00; путем разделения на составные части с использованием адсорбции, абсорбции или подобных процессов или с использованием ионного обмена, например хроматографии G01N 30/00; иммуноэлектрофорез G01N 33/561; электрохимические процессы и аппараты вообще B01J; стандартные элементы H01M 6/28)

G01N13/00 - Исследование поверхностных или граничных свойств, например смачивающей способности; исследование диффузионных эффектов; анализ материалов путем определения их поверхностных, граничных и диффузионных эффектов; исследование или анализ поверхностных структур в атомном диапазоне

Владельцы патента RU 2739749:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный технический университет" (ФГБОУ ВО "ТГТУ") (RU)

Изобретение относится к способу определения коэффициента диффузии в массивных изделиях из ортотропных капиллярно-пористых материалов, заключающемуся в создании в исследуемом образце равномерного начального содержания распределенного в твердой фазе растворителя, приведении плоской поверхности образца в контакт с источником дозы растворителя, импульсном увлажнении в заданном направлении исследуемого ортотропного материала по прямой линии движущимся источником растворителя постоянной производительности, выполнении электродов гальванического преобразователя в виде прямолинейных отрезков и размещении их с обеих сторон линии импульсного увлажнения на прямых, параллельных линии импульсного увлажнения и расположенных на одинаковом заданном расстоянии от нее, измерении изменения во времени ЭДС гальванического преобразователя, причем импульсное воздействие осуществляют дозой растворителя, рассчитываемой по формуле: , где ρ₀ - плотность исследуемого образца в сухом состоянии; U_p - равновесная концентрация растворителя в исследуемом образце при контакте с насыщенными парами растворителя при заданной температуре; r₀ - расстояние между электродами гальванического преобразователя и линией воздействия дозой растворителя на поверхность контролируемого изделия; L - длина линии импульсного воздействия; а моменты времени τ₁ и τ₂ фиксируют при достижении равных значений сигнала гальванического преобразователя в окрестности значения 0.8 Е_p, где Е_p - ЭДС гальванического преобразователя при концентрации U_p. 1 ил., 1 табл., 20 пр.

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 конструкциях, а также в пищевой, химической и других отраслях промышленности. Ортотропные материалы характеризуются существенным различием свойств в перпендикулярных направлениях, например, вдоль и поперек волокон.

Известен способ определения коэффициента диффузии растворителей в массивных изделиях из капиллярно-пористых материалов (патент РФ 2492457, МПК¹¹ G 01N 27/26, G 01N 13/00, 10.09.2013, Бюл. № 25.). В массивном изделии из капиллярно-пористых материалов, имеющего по крайней мере одну плоскую поверхность (например, цементные или гипсовые плиты), создают равномерное начальное распределение растворителя. Затем производят импульсное точечное соприкосновение плоской поверхности исследуемого изделия с источником растворителя, после чего гидроизолируют эту поверхность, располагают электроды гальванического преобразователя на этой поверхности по концентрической окружности относительно точки подачи дозы растворителя, измеряют изменение во времени ЭДС гальванического преобразователя и рассчитывают искомый коэффициент диффузии по установленной зависимости.

Недостатками этого способа являются низкая точность определения коэффициента диффузии растворителей в изделиях из ортотропных материалов вследствие неадекватности используемого математического описания процесса массопереноса в массивном изделии при точечном импульсном воздействии из-за существенного различия свойств материала в различных направлениях; отсутствие возможности определения коэффициента диффузии в различных направлениях ортотропного капиллярно-пористого материала, например, древесины вдоль и поперек волокон.

Наиболее близким является способ определения коэффициента в массивных изделиях из ортотропных капиллярно-пористых материалов (патент РФ 2705655, МПК G 01N 13/00, 11.11.2019, Бюл. № 32). В массивном изделии из ортотропных капиллярно-пористых материалов, имеющего по крайней мере одну плоскую поверхность (например, цементные или гипсовые плиты), создают равномерное начальное распределение растворителя. Затем осуществляют импульсное воздействие на плоскую поверхность исследуемого изделия дозой растворителя по прямой линии в заданном направлении ортотропного материала движущимся источником растворителя постоянной производительности, выполняют электроды гальванического преобразователя в виде прямолинейных отрезков и располагают их с обеих сторон линии импульсного воздействия на прямых, параллельных линии импульсного воздействия и расположенных на одинаковом заданном расстоянии от нее, измеряют изменение во времени ЭДС гальванического преобразователя. Измерение коэффициента диффузии осуществляют при условии достижения в эксперименте максимума сигнала гальванического датчика E_max, составляющего 0,75 - 0,95 от максимально возможного значения данного сигнала E_р, соответствующего переходу растворителя из области связанного с твердой фазой исследуемого материала в область свободного состояния, фиксируют моменты времени τ₁ и τ₂, при которых достигаются одинаковые значения сигналов гальванического датчика E₁ и E₂ из диапазона (0,7 - 0,9) E_р соответственно на восходящей и нисходящей ветвях кривой изменения сигнала во времени, а расчет коэффициента диффузии производят по установленной зависимости. Причем, если после нанесения импульса дозой растворителя максимальное значение сигнала гальванического преобразователя E_max наблюдается за пределами диапазона (0,75 - 0,95) E_р, 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:

1. Невысокая точность, причиной которой является низкая чувствительность применяемого преобразователя при недостаточной или завышенной дозе вносимого растворителя 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 3) 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 массивных изделиях из ортотропных капиллярно-пористых материалов, имеющих по крайней мере одну плоскую поверхность, с существенными различием свойств материала в перпендикулярных направлениях (например, пиломатериал из различных сортов древесины), включающем создание в исследуемом образце равномерного начального содержания распределенного в твердой фазе растворителя (в том числе и нулевого), приведении плоской поверхности образца в контакт с источником дозы растворителя, импульсном увлажнении в заданном направлении исследуемого ортотропного материала по прямой линии движущимся источником растворителя постоянной производительности, выполнении электродов гальванического преобразователя в виде прямолинейных отрезков и размещении их с обеих сторон линии импульсного увлажнения на прямых, параллельных линии импульсного увлажнения, расположенных на одинаковом заданном расстоянии от нее, измерении изменения во времени ЭДС гальванического преобразователя и расчете искомого коэффициента диффузии по установленной зависимости.

В отличие от прототипа (патент РФ 2705655, МПК G 01N 13/00, 11.11.2019, Бюл. № 32) импульсное воздействие осуществляют дозой растворителя, рассчитываемой по формуле:

где ρ₀ - плотность исследуемого образца в сухом состоянии; U_p - равновесная концентрация растворителя в исследуемом образце при контакте с насыщенными парами растворителя при заданной температуре; r₀ - расстояние между электродами гальванического преобразователя и линией воздействия дозой растворителя на поверхность контролируемого изделия; L - длина линии импульсного воздействия; а моменты времени τ₁ и τ₂фиксируют при достижении равных значений сигнала гальванического преобразователя в окрестности значения 0.8 Е_p, где Е_p - ЭДС гальванического преобразователя при концентрации U_p.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем: к плоской поверхности массивного изделия с равномерным начальным распределением растворителя прижимается зонд с импульсным линейным источником массы и расположенными с обеих сторон от линии импульсного воздействия на прямых, параллельных линии импульсного воздействия, и на одинаковом заданном расстоянии от нее электродов гальванического преобразователя в виде прямолинейных отрезков.

Зонд имеет прямолинейный паз, в котором размещают линейный импульсный источник растворителя. После подачи импульса дозой растворителя источник 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 - дозы растворителя (мгновенного «увлажнения» линии поверхности изделия) фиксируют изменение ЭДС гальванического преобразователя во времени.

Для обеспечения контроля коэффициента диффузии растворителя в различных направлениях ортотропного материала линию импульсного воздействия ориентируют в заданном направлении материала (например, при исследовании пиломатериала – вдоль и поперек волокон древесины). При этом обеспечивается однонаправленный массоперенос в нужном направлении, не искаженный массопереносом в перпендикулярном к исследуемому направлении. За счет этого повышается точность контроля.

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

Середина диапазона (1) для капиллярно-пористых материалов наблюдается в окрестности значения концентрации растворителя:

Изменение концентрации растворителя на расстоянии r₀ от источника описывается уравнением:

где W - мощность «мгновенного» источника массы, подействовавшего в начале координат , вычисляемая как отношение дозы растворителя (подведенной к контролируемому изделию) к длине линии импульсного воздействия L; D - коэффициент диффузии растворителя; ρ₀ - плотность абсолютно сухого исследуемого материала; τ - время.

Коэффициент диффузии растворителя связан соотношением:

где τ_max - время, соответствующее максимуму на кривой U(r₀, τ) изменения влагосодержания на расстоянии r₀от источника.

Учитывая (4), уравнение (3) для заданной точки контроля r= r₀ можно преобразовать к виду:

Из (5) с учетом (4) можно получить значение достигаемого максимума U_max при τ=τ_max:

Таким образом, учитывая необходимость получения максимума концентрации U_max в середине диапазона (1), с учетом (2), из (6) после вычисления констант получим выражение для оптимальной дозы импульсного воздействия:

На фигуре 1 в качестве примера представлены кривые изменения ЭДС преобразователя на расстоянии 4 мм при диффузии влаги поперек волокон цементно-волокнистой плиты толщиной 50 мм плотностью в сухом состоянии 1320 кг/м. куб. ЭДС преобразователя представлена в относительных единицах к максимально возможной ЭДС преобразователя E_р при заданной температуре контроля. Значения моментов времени τ₁ и τ₂ надежно фиксируются при ЭДС преобразователя E ≈ 0.8 E_р(фигура 1, кривая 2). В таблице представлены результаты 20 - кратных измерений коэффициента диффузии влаги в данном изделии.

Таблица. Результаты экспериментальных исследований коэффициента диффузии влаги в цементно- волокнистой плите

№ опыта	Момент времени τ₁, c	Момент времени τ₂, c	Коэффициент диффузии , м²/с	Математическое ожидание , м²/с	Абсолютная погрешность измерения м²/с	м⁴/с²
1	2113,8	6351,8	1,15		-0,18	0,0312
2	1856,9	6501,4	1,23		-0,10	0,0093
3	1854,8	6412,8	1,24		-0,09	0,0079
4	2005,2	6088,5	1,20		-0,12	0,0143
5	1554,6	4356,8	1,61		0,28	0,0793
6	2351,9	6145,5	1,09		-0,23	0,0535
7	1523,8	4872,6	1,55		0,23	0,0519
8	1613,8	5116,1	1,47		0,15	0,0214
9	2087,7	6501,2	1,15		-0,18	0,0321
10	1488,5	5312,9	1,52	1,32	0,20	0,0384
11	1844,8	4862,1	1,39		0,06	0,0041
12	2071,1	5996,3	1,19		-0,14	0,0182
13	1389,5	4875,1	1,64		0,32	0,0995
14	1896,4	5401,8	1,31		-0,02	0,0003
15	1766,7	4654,2	1,45		0,13	0,0158
16	2085,6	6022,9	1,18		-0,14	0,0202
17	2053,6	6084,4	1,19		-0,14	0,0186
18	1923,4	6125,6	1,23		-0,09	0,0086
19	1878,8	5443,6	1,31		-0,01	0,0002
20	1665,3	5562,3	1,40		0,07	0,0051

Расстояние от линейного источника дозы растворителя до расположения электродов гальванического преобразователя - 4 мм. Расчетное значение ЭДС, соответствующее моментам времени τ₁ и τ₂, приблизительно равно 0,8 E_e; E_max ≈ 0,85 E_e.

Погрешность результата измерения равна половине доверительного интервала и определялась следующим образом:

где - математическое ожидание случайной величины; t_α,_n - коэффициент Стьюдента при доверительной вероятности α и количестве измерений n; S_n - среднеквадратическая погрешность отдельного измерения:

Проведенные экспериментальные исследования показали, что случайная погрешность результата определения коэффициента диффузии влаги в цементно-волокнистой плите при двадцатикратных испытаниях ( при ) составляет 5,9 ≈ 6 %. Длительность эксперимента не превышала 120 минут.

Способ определения коэффициента диффузии в массивных изделиях из ортотропных капиллярно-пористых материалов, заключающийся в создании в исследуемом образце равномерного начального содержания распределенного в твердой фазе растворителя, приведении плоской поверхности образца в контакт с источником дозы растворителя, импульсном увлажнении в заданном направлении исследуемого ортотропного материала по прямой линии движущимся источником растворителя постоянной производительности, выполнении электродов гальванического преобразователя в виде прямолинейных отрезков и размещении их с обеих сторон линии импульсного увлажнения на прямых, параллельных линии импульсного увлажнения и расположенных на одинаковом заданном расстоянии от нее, измерении изменения во времени ЭДС гальванического преобразователя, отличающийся тем, что импульсное воздействие осуществляют дозой растворителя, рассчитываемой по формуле:

где ρ₀ - плотность исследуемого образца в сухом состоянии; U_p - равновесная концентрация растворителя в исследуемом образце при контакте с насыщенными парами растворителя при заданной температуре; r₀ - расстояние между электродами гальванического преобразователя и линией воздействия дозой растворителя на поверхность контролируемого изделия; L - длина линии импульсного воздействия; а моменты времени τ₁ и τ₂ фиксируют при достижении равных значений сигнала гальванического преобразователя в окрестности значения 0.8 Е_p, где Е_p - ЭДС гальванического преобразователя при концентрации U_p.

Изобретение относится к пищевой промышленности. Предложен способ качественного и количественного определения антибиотиков тетрациклинового и пенициллинового ряда в молоке и молочных изделиях.

Устройство для электрохимического исследования трубчатых топливных элементов, способ подготовки к электрохимическому исследованию и способ исследования // 2735584

Использование: для исследований электрохимических устройств на основе высокотемпературных трубчатых керамических топливных элементов, в том числе и микротрубчатых твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ).

Комбинация электрофореза в геле и переноса с использованием проводящих полимеров и способ использования // 2723936

Группа изобретений относится к области биотехнологии. Предложен аппарат для электрофоретического разделения и блоттинга (варианты), система для электрофоретического разделения и блоттинга макромолекул, а также способ разделения и переноса макромолекул на мембрану для блоттинга после разделения.

Способ определения родственных примесей в 4,4'-(пропандиамидо)дибензоате натрия с методом капиллярного электрофореза // 2721908

Изобретение относится к способу определения родственных примесей в 4,4'-(пропандиамидо)дибензоате натрия, который осуществляют капиллярным зонным электрофорезом, включающем подготовку растворов сравнения - раствора родственных примесей: 4-аминобензойной кислоты и 4-(3-оксо-3-этоксипропаноил)амино)бензойной кислоты, и испытуемых растворов - субстанции и таблеток 4,4'-(пропандиамидо)дибензоата натрия, введение пробы в систему капиллярного электрофореза (гидродинамический ввод пробы, 210 мбар×с), проведение электрофоретического разделения с боратным буфером в качестве ведущего электролита (раствор натрия тетраборнокислого 10-водного концентрацией 50 ммоль/л, колонка кварцевая, общая длина колонки 60 см, эффективная длина колонки 50 см, внутренний диаметр 75 мкм, прилагаемое напряжение +20 кВ), спектрофотометрическое детектирование пиков при длине волны 270 нм и обработку результатов анализа.

Система и способ динамического измерения редокс-потенциала в течение химической реакции // 2719284

Использование: для динамического изменения химического потенциала электронов и редокс-потенциала в жидкости во время протекания химической реакции. Сущность изобретения заключается в том, что система для динамического измерения редокс-потенциала в электролите с ограниченным объемом включает погруженные в электролит и связанные с внешней цепью как минимум один электрод сравнения и как минимум один индикаторный электрод, при этом электрод сравнения выполнен с возможностью свободного обмена электронами с электролитом и имеет низкое значение импеданса по отношению к импедансу индикаторного электрода, электрод сравнения подключен к источнику постоянного напряжения или общему потенциалу «земли» и на него подается смещение напряжения от внешней цепи; при этом индикаторный электрод имеет высокое значение импеданса по отношению к импедансу электрода сравнения, препятствующее электронному обмену с раствором электролита, индикаторный электрод подключен к внешней цепи для измерения на нем потенциала; причем отношение импеданса измерительного электрода к импедансу электрода сравнения составляет не менее 5; при этом расстояние между электродом сравнения и индикаторными электродами не более 1 см, объем электролита составляет не более 10 см3 и сосуд, ограничивающий объем электролита, обеспечивает высокое значение импеданса электролит – нулевой потенциал «земли» по отношению к импедансу индикаторного электрода, с отношением не менее 5.

Устройство для обнаружения и распознавания аналитов в многокомпонентной среде и способ его изготовления // 2713099

Использование: для обнаружения и распознавания с высокой чувствительностью и селективностью летучих соединений в газообразной среде, а также растворенных соединений в водных растворах.

Лабильные линкеры для выявления биомаркера // 2712245

Группа изобретений относится к области аналитической химии. Раскрыт способ выявления присутствия или отсутствия целевой молекулы в образце, предусматривающий введение образца в контакт с молекулой, содержащей расщепляемый линкер, при этом указанный расщепляемый линкер специфически расщепляется в присутствии указанной целевой молекулы; загрузку указанного образца в устройство, содержащее нанопору; создание конфигурации устройства с возможностью пропускания каркаса, выбранного из нуклеиновых кислот, пептидной нуклеиновой кислоты (PNA), дендримеров, линеаризованных белков или пептидов, через указанную нанопору, расщепляемого линкера, содержащего первый домен, который связывается с указанным каркасом, и второй домен, который связывается с молекулярным грузом, тем самым образуя комплекс, и при этом устройство содержит датчик для измерения тока; и определение с помощью датчика, был ли расщепляемый линкер расщеплен путем выявления индивидуальной сигнатуры тока при транслокации указанного комплекса через нанопору.

Способ потенциометрического определения антиоксидантной емкости раствора // 2711410

Изобретение относится к области электрохимических методов анализа, в частности к анализу растворов на предмет определения суммарной антиоксидантной емкости. Изобретение касается способа определения антиоксидантной емкости раствора с использованием потенциометрического метода, в котором предварительно готовят исходный фосфатный буферный раствор, в который вводят систему, содержащую одновременно окисленную и восстановленную формы металла в составе комплексного соединения K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6], а оценку антиоксидантной емкости проводят по изменению окислительно-восстановительного потенциала раствора, измеренного между рабочим платиновым электродом и хлорид-серебряным электродом сравнения, зарегистрированным до и после введения в исходный раствор анализируемого вещества.

Способ определения концентрации аналита // 2706691

Изобретение относится к анализу биологических жидкостей различной природы. Способ определения концентрации аналита в образце содержит этапы, на которых: генерируют по меньшей мере один выходной сигнал из образца, причем выходной сигнал содержит часть, зависящую от концентрации аналита, и часть, которая не соответствует концентрации аналита, обусловленную по меньшей мере одной ошибкой; определяют по меньшей мере одну индексную функцию, причем по меньшей мере одна индексная функция относится к по меньшей мере одной ошибке по меньшей мере от одного параметра ошибки, при этом по меньшей мере одна ошибка представляет разность между концентрацией аналита и значением концентрации аналита, скомпенсированным выходным сигналом с помощью базовой корреляции, определенной из экспериментальных данных, измеренных базовым инструментом; и определяют концентрацию аналита в образце по меньшей мере из одного выходного сигнала, зависящего по меньшей мере от одной индексной функции.

Дифференциальный способ определения коэффициента диффузии молекул воды в газах // 2702135

Изобретение относится к области молекулярной физики, в частности к дифференциальным способам определения коэффициента диффузии молекул воды в газах. Дифференциальный способ определения коэффициента диффузии молекул воды в газах включает измерение силы тока в датчике влажности, размещенном в сосуде с водой, на расстоянии (х) от поверхности воды, соединенном в электрическую цепь с источником тока и измерительным устройством, отличается тем, что измерение силы тока проводят в сосуде с водой, в котором установлены два дополнительных датчика, с образованием системы из трех датчиков, находящихся в одномерном диффузионном процессе, при этом один дополнительный датчик размещен на расстоянии (х-Δх) от поверхности воды, другой на расстоянии (х+Δх) от поверхности воды, датчики системы соединены параллельно и подключены к источнику тока, каждый датчик подключен к собственному измерительному устройству, измерение силы тока в каждом датчике начинают проводить при изменении токов в датчиках во времени, при этом все датчики в цепи должны удовлетворять следующему условию - ток в каждом из датчиков при условии размещения их на одинаковом расстоянии от поверхности воды, должен быть одинаков, силу тока в каждом из трех датчиков измеряют одновременно, через рассчитанный экспериментальным путем интервал времени, повторно измеряют силу тока в датчике, размещенном на расстоянии (х) от поверхности воды, коэффициент диффузии рассчитывают по формуле ,где Δх - расстояние между датчиками; 1(t) - ток в датчике, размещенном на расстоянии (x-∆x) от поверхности воды, в момент времени t; 2(t) - ток в датчике, размещенном на расстоянии (x) от поверхности воды, в момент времени t; 3(t) - ток в датчике, размещенном на расстоянии (x+∆x) от поверхности воды, в момент времени t; 2(t+Δt) - ток в датчике, размещенном на расстоянии (x) от поверхности воды, в момент времени (t+Δt); - интервал времени, через который производится повторное измерение тока в датчике, размещенном на расстоянии (x) от поверхности воды.

Способ определения коэффициента диффузии растворителей в листовых капиллярно-пористых материалах // 2737065

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при исследовании процессов массопереноса и для определения коэффициентов диффузии растворителей в изделиях из листовых капиллярно-пористых материалов в бумажной, легкой, строительной и других отраслях промышленности.