РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА. 2006, том 51. № 4. с. 461-466
^ РАДИОФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ И ПЛАЗМЕ
УДК 528.813 + 621.371
ВЛИЯНИЕ ОБЪЕМНОЙ ВЛАЖНОСТИ И ФАЗОВОГО СОСТАВА ВОДЫ НА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ В МИКРОВОЛНОВОМ ДИАПАЗОНЕ ©2006г. А.Н.Романов
Поступила в редакцию 05.09.2002 г. . -q.- . j .
Экспериментально исследовано влияние объемной влажности на диэлектрические свойства древесины. Выявлены общие закономерности и различия в поведении диэлектрических характеристик t древесины разных пород (береза, тополь, ель, лиственница). Установлено, что в древесине выделяется не менее трех категорий воды, различающихся по своим диэлектрическим свойствам. Найдено, что влажностные зависимости диэлектрических свойств древесины до термической обработки и после нее различаются. Для описания диэлектрических характеристик влажной древесины применена ■ рефракционная модель.
ВВЕДЕНИЕ
Исследование диэлектрических свойств древесины в микроволновом диапазоне является основой для разработки высокоэффективных технологий дистанционного зондирования лесных и растительных покровов с целью их физических и биологических параметров и получения информации о состоянии "живого вещества'", как важнейшего компонента биосферы.
Результаты экспериментальных исследований диэлектрических характеристик древесины, осуществленных разными авторами с 1950 по 1993 гг.. обобщены в работе [1]. Приведенные в ней данные показывают, что диэлектрические свойства древесины в частотном диапазоне от 102 до 1011 Гц зависят от плотности, породы дерева, термодинамической температуры. Для описания действительной части комплексной диэлектрической проницаемости (КДП) е|.ух абсолютно сухой древесины, состоящей из древесинного вещества с ^ и плотностью рд и воздуха с е' = 1, в диапазоне изменения общей плотности древесины реух от 0.3 до 1.0 г/см1 предложено использовать формулу Лоэнга, имеющую вид [1]
«ух)Ш = 1 +(рсух/рд)(£д)ш-
Влияние р на е' влажной древесины, исследованное на частоте 50 Гц, проявляется линейным образом и может быть описано формулой е' = 1 + ар, где а - коэффициент, зависящий от влагосодержания <2 = Мв/Мсух, где /V/,,, Мсух - массы воды и сухой древесины [1].
Помимо (), значительное влияние на диэлектрические свойства древесины оказывает фазовый состав влаги. И если влияние <2 проявляется в увеличении численных значений диэлектричес-
ких характеристик древесины с повышением влагосодержания, то влияние фазового состава заключается в изменении самого вида влажностных зависимостей и появлении на них изломов или участков, характеризующих изменение поведения диэлектрических параметров древесины. Это связано с тем, что вода в древесине, различающаяся по фазовому составу, имеет разные диэлектрические свойства.
Так, на частоте 50 Гц для лиственницы с плотностью р = 0.62, на влажностной зависимости е'СИ7) наблюдается излом при Q = 30%, который может быть связан с изменением фазового состава древесной влаги и появлением в ней новой фазы, видимо, древесного сока, содержащего растворенные минеральные и органические вещест-ва [1].
Различие диэлектрических характеристик разных фаз воды позволило использовать диэлектрический метод для оценки содержания в древесине воды, относящейся по фазовому составу к капиллярно-конденсационной (связанной) и свободной [2, 3]. В работе [4] на основе изучения на частотах от 50 кГц до 10 МГц диэлектрической релаксации связанной воды, находящейся в древесине березы при температуре от -150 до +20°С, было установлено, что е' древесины при возрастании 0 от 0 до 5% изменяется слабо, при дальнейшем возрастании в диапазоне 5...20% увеличивается тем быстрее, чем выше температура древесины. Из приведенных экспериментальных данных следует, что диэлектрический метод может быть использован для разделения связанной воды на moho- (Q < 5%) и полимолекулярную (5% < Q < 20%).
Однако следует отметить, что экспериментальные данные, приведенные в [1-4], получены при исследовании диэлектрических параметров древесных образцов, изготовленных из высушен-
462
РОМАНОВ
ной древесины, а затем повторно увлажненной. Между тем диэлектрические свойства свежей древесины и древесины высушенной, а затем вторично увлажненной могут не совпадать.
В данной работе приведены результаты исследований на частоте 1.11 ГГц диэлектрических характеристик древесины березы, тополя, ели и лиственницы. Для сравнения приведены влажностные зависимости древесины лиственницы, прошедшей термическую обработку. В качестве исследуемых древесных образцов использовались срезанные ветки деревьев.
Изготовленный из ветки образец длиной 3.7 см и диаметром ] .5 см, очищенный от коры и с удаленной сердцевиной, помещали в коаксиальный волновод, длиной 3.7 см, диаметры внешнего и внутреннего проводников 1.6 и 0.7 мм соответственно. При этом диаметр удаленной сердцевины ветки равнялся диаметру внутреннего проводника. Добивались полного заполнения объема волновода древесиной, с таким расчетом, чтобы образец туго входил в пространство между внешним и внутренним проводниками. При этом от момента срезания ветки до начала измерений проходило не более двух часов.
Влажность изменяли путем выпаривания воды из образца. Для этого образец помещали в сушильный шкаф и выдерживали 3...5 мин при температуре 200°С. После извлечения из шкафа образец оставляли остывать до температуры окружающей среды. Измерения проводили до полного удаления воды из древесины, что соответствовало абсолютно сухому состоянию. Весь цикл измерений занимал 5...6 ч. Высокая температура требовалась для ускорения процесса сушки, а также для удаления из древесины прочно связанной воды и гидратированной молекулами растворенных веществ.
Для количественного описания содержащейся в образцах влаги использовалась величина объемной влажности, выраженная в объемных долях и определяемая из соотношения W = MJV, где Мв = Мпл я - Мсух {Мвл д, Мсух - масса влажной древесины, V - объем контейнера, занимаемый образцом. Эксперименты проводились при температуре 24 ± 1 °С. Описание экспериментальной установки и методики измерений электродинамических параметров приведены в [5, 6].
, 1. ИЗМЕНЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
СВОЙСТВ ВЛАЖНОЙ ДРЕВЕСИНЫ
Как следует из приведенных на рис. la-г графиков влажностных зависимостей n(W) (7) и к( W) (2), экспериментально установленных для древесины березы, тополя, ели и лиственницы, общие закономерности в поведении диэлектрических
свойств, наблюдаемые для исследованных пород, заключаются в нелинейном возрастании величин пике увеличением \¥. Существующие различия заключаются в том, что на зависимостях п(Щ (/) и к(1У) (2) для лиственных пород наблюдается один излом, а для хвойных - два. При этом не исключается, что отсутствие второго излома для березы и тополя может быть связано не с особым поведением диэлектрических свойств этих пород, а с недостатком воды в самой древесине на момент измерений.
В общем случае установленные зависимости могут быть интерполированы следующими линейными соотношениями:
п
< =
А 1 +A2W, A3 + A4W, Л5+Л61У,
В1 + B2W, B3 + B4W, B5 + B6W,
w< wlt Wj<W< w2, w2<w,
w< wlt
w, < w< w2, w,< w,
(1)
(2)
где И7,, ИЛ - значения объемных влажностей, соответствующих точкам излома на зависимостях п(\¥) и к(И0, А\ ...Л6, В1...В6 - эмпирические коэффициенты, численные значения которых для исследованных древесных пород приведены в табл. 1.
Существование изломов на зависимостях п(\¥) и К(Щ связано с тем, что вода в древесине в результате взаимодействия с древесинным веществом оказывается неодинаковой по своим диэлектрическим свойствам, это позволяет выделить в ней отдельные фазы. Согласно [7, 8] находящаяся в древесине вода входит в состав живой клетки, накапливаясь в цитоплазме и клеточных вакуолях, содержится в набухающих стенках клетки и заполняет межклеточные полости сосудов и капилляров, по которым транспортируется от корней к листьям.
Так как в проведенном эксперименте влажность древесины изменяли путем выпаривания воды из образца, то из древесины первоначально удалялась вода, находящаяся в крупных межклеточных полостях и проводящих каналах (И/> ИЛ), затем из стенок клетки (\¥2 > > ) и в последнюю очередь из полости самой клетки
Из сравнения зависимостей, приведенных на рис. 1а-г для разных пород, видно, что для сухой древесины значения п0 и к0, рассчитанные из соотношений (1) и (2) при \¥= 0. незначительно различаются, что, видимо, обусловлено различием плотностей сухих древесных образцов. Более значительные различия наблюдаются для увлажнен-
18!!-
Рис. 1. Зависимости показателей преломления п (1) и поглощения к (2) от объемной влажности для березы (а), тополя (б), ели (в) и лиственницы (г).
ной древесины и обусловлены как влиянием растворенных в воде веществ, компонентный состав и массовые доли которых зависят от породы дерева, так и связыванием молекул воды нерастворимой частью древесины за счет физической адсорбции.
Для всех исследованных пород установлено, что во влажностном интервале 0 < ]¥ < И7, скорость возрастания значений п и к древесины выше, чем в интервале Wl < ]¥< Из этого можно сделать вывод о том, что диэлектрические характеристики внутриклеточной воды, являющейся осмотически связанной, значительно выше, чем для воды, запасенной в стенках клетки и относящейся к категории физически связанной. Подобный факт подтверждается результатами исследований древесины методом ЯМР, на основе которых было установлено, что вода, находящаяся в полости клетки, обладает большей подвижностью, нежели вода, находящаяся в стенке клетки [7].
2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ДРЕВЕСИНЫ
Интерполяция зависимостей п(Щ и к( №0 прямыми линиями является указанием на то, что для описания диэлектрических характеристик влажной древесины может быть использована рефракционная модель [9], записанная в следующем виде [5]:
п = £ У/,,
к =
(3)
(4)
где п и пг к и к, - показатели преломления и поглощения смеси и /-компоненты. И7, - объемная доля /-компоненты (в отн. ед.).
464 -г.^г- РОМАНОВ -
Таблица 1. Численные значения коэффициентов А1 ...А6, В1 ...56
Коэффициенты Береза Топ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.