СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ИСПЫТАНИЯ ГОДИЧНЫХ СЛОЕВ РАСТУЩЕГО ДЕРЕВА И ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ Российский патент 2004 года по МПК A01G23/00 A01G23/02 G01N33/46 

Изобретение относится к способам экологического и технологического мониторинга ультразвуковыми свойствами древесины в растущем и заготовленном состоянии. Оно может быть использовано в инженерной экологии, а также в лесном хозяйстве при сертификации качества лесных насаждении по учетным деревьям, отводе участков леса под ландшафтное обустройство территории и для обоснования рубок ухода за лесом, а также в условиях лесозаготовок и первичной деревообработки при сертификации круглых и пиленых лесоматериалов.

Известен способ ультразвукового геоконтроля с помощью ультразвукового прибора УК-прогноз сети (см. данные в Internet: http://sclence.msmu.ru/01/instruments/2/302.htm, разработанный научным центром МГГУ). Прибор геоконтроля предназначен для оценки структуры, свойств и состояния горных пород в массиве и обломах. Он схож с нашим техническим решением по возможностям проведения многопараметровых ультразвуковых измерений с индикацией импульсов в геологических материалах с повышенным затуханием в условиях помех.

Недостатком способа является то, что он не предназначен для мониторинга деревьев и лесоматериалов и определения качества древесины по годичным слоям, а предполагает испытание каменных материалов на наличие трещин.

Известен также способ ультразвукового испытания древесины на стандартных образцах, полученных от растущих деревьев после их валки, механической разделки и последующей обработки распиловкой и фрезерованием, размерами 20×20×300 мм (последний размер вдоль волокон), включающий закрепление образца, закрепление наклейкой ферромагнитных пластинок в виде пъезоэлементов 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, экологическом мониторинге и также в самом лесном хозяйстве и на лесозаготовках.

Таким образом, необходим новый способ испытания годичных слоев растущего дерева, который бы позволил точно и быстро определять состояние дерева, а также лесоматериалов при их хранении, и при этом позволил бы проводить исследования на протяжении длительного времени и в разные сезоны одного года несколько лет.

Технический результат - повышение точности и оперативности измерений свойств растущих деревьев (и лесоматериалов при хранении) по годичным слоям.

Этот технический результат достигается тем, что в растущем дереве или лесоматериале в испытуемом месте выполняется по крайней мере одно отверстие, в отверстие вставляется многоканальный датчик с разъемом для подсоединения электромагнитного возбудителя.

Отверстие выполняется сверлением по радиусу ствола или ветви растущего дерева и лесоматериала, а многоканальный датчик в виде цилиндра из органического стекла и наклеенными по бокам двумя рядами пъезоэлементов вставляется в отверстие посредством клея, например жидкого стекла.

Для повышения точности измерений за счет исключения интерференции волн в самом датчике выполняются два отверстия, параллельные друг другу, в продольном или поперечном сечении ствола или ветви растущего дерева или лесоматериала, например бревна, находящегося в условиях долговременного хранения в штабеле.

Сущность технического решения заключается в том, что в ходе экологического мониторинга растущему дереву наносится рана только один раз и в образованное углубление в виде цилиндрического отверстия вставляется датчик с элементами измерения параметров волн ультразвука. Причем датчик (или два) находятся постоянно в дереве (в его стволе или крупной ветви), а измерения выполняют путем подключения разъемов измерительного ультразвукового прибора.

Объект измерения при повторных наблюдениях меняется по своим свойствам, например по влажности, поэтому многократные измерения (например, по часам суток, по суткам вегетационного периода, по неделям хранения пиловочника или резонансных кряжей в штабеле и пр.) позволяют измерять и находить закономерности динамики значений свойств древесины, причем по одним и тем же группам годичных слоев и на одном и том же месте растущего дерева.

Таким образом, одно и то же учетное дерево или бревно становится частью общего прибора, характеризующего динамику влияния окружающей это дерево или хранящееся бревно среды на физико-механические свойства древесины по отдельным годичным слоям.

Положительный эффект заключается в том, что одноразовое поранение позволяет проводить долговременный экологический мониторинг территории, на которой произрастают учетные деревья или хранятся бревна, а также сертифицировать эти деревья, лесоматериалы и одновременно окружающую среду. Причем датчик вставляется в отверстие один раз и устраняет доступ вредителей к древесине. Это позволяет допустить, что отверстие и находящийся в нем датчик с пъезоэлементами не будут менять физиологический режим ствола или ветви дерева в на данном участке.

Предлагаемое техническое решение обладает существенными отличиями, новизной и положительным эффектом. Материалов, порочащих новизну данного изобретения, нами не обнаружено.

На фиг.1 изображен способ ультразвукового испытания древесины по годичным слоям, причем показан датчик с наклеенными на цилиндрический стержень двумя рядами пъезоэлементов, расположенных на диаметральных сторонах датчика, на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1, на фиг.3 - схема озвучивания нескольких годичных колец одной парой измерительных элементов внутри сечения ствола или крупной ветви дерева, а также сечения бревна, на фиг.4 - схема закрепления многоканального датчика на ветви или на стволе молодого деревца, на фиг.5 показана схема расположения двух многоканальных датчиков вдоль волокон на базовом расстоянии L, на фиг.6 показана схема распространения волн ультразвука от одного передатчика к множеству приемников вдоль волокон древесины, на фиг.7 - схема закрепления двух датчиков для измерения скорости ультразвука в тангенциальном направлении годичных слоев, на фиг.8 - схема измерения при одном передатчике и множества приемников.

Способ ультразвукового испытания годичных слоев растущих деревьев и лесоматериалов включает в себя следующие действия.

На учетном дереве, его ветви или даже корне, а также на лежащем в штабеле бревне, в зоне измерения 1, находящемся под корой 2, выполняется отверстие 3 сверлением. В отверстие вставляется датчик, выполненный цилиндрической формы с корпусом 4, например, из органического стекла. На внешнем торце корпуса установлен многоканальный разъем 5 для подсоединения датчика к ультразвуковому прибору. Сбоку корпуса приклеены пъезоэлементы 6, которые могут стать передатчиками 7 и приемниками 8. Это зависит от режима переключения на панели ультразвукового прибора.

Пъезоэлементы расположены на обеих сторонах симметрично, так, что они могут контактировать с группой соседних годичных колец. Если при изготовлении отверстия извлекается керн древесины, то возможна точная группировка годичных колец в зависимости от расположения датчика в отверстии. Размеры пъезоэлементов прямоугольной или круглой формы можно подобрать такие минимальные, чтобы обеспечить контакт только с одним годичным слоем значительной толщины (до 4-10 мм).

Как правило, для оценки качества годичных слоев заболонной древесины достаточно иметь по 3-4 пъезоэлемента по бокам корпуса из органического стекла, а для комплексного изучения динамики свойств по всему сечению ствола дерева необходим датчик длиной до 30 см с размещением до 10-15 пъезоэлементов на каждой стороне корпуса датчика. Таким длинным датчиком можно будет исследовать все сечение ветви или молодого деревца, выполнив сквозное отверстие.

При озвучивании одним датчиком на результаты измерений могут оказать влияние помехи, возникающие от распространения ультразвука через корпус самого датчика. Для еще большего повышения точности ультразвуковых измерений используются два одинаковых датчика, располагаемые в двух параллельных отверстиях. Расстояние L является базовым для измерения скорости ультразвука вдоль волокон (фиг.5) или в тангенциальном направлении (фиг.7). В последнем случае можно измерять распространение волн и по всему сечению, как это было показано на фиг.3.

Предлагаемый способ позволяет применять различные режимы измерения. При этом амплитуда и частота ультразвуковых волн могут быть измерены как отдельными парами передатчиков и приемников, так и их групп. Эти режимы позволяют разделить пъезоэлементы обеих сторон, что дает возможность снимать независимые экспериментальные данные. Наиболее информативным становится режим (фиг.6 и фиг.8), при котором от одного передатчика воспринимаются сигналы всеми приемниками. Это позволяет построить амплитудно-частотную характеристику по всем годичным слоям (или отдельных их групп) на базовом расстоянии L, то есть построить поле скоростей проникания ультразвука через отдельные соседние годичные слои по радиусу сечения годичных слоев.

Способ ультразвукового испытания годичных слоев, например, растущих деревьев, реализуется следующим образом.

После визуального осмотра древостоя выбирают учетное дерево, на котором, например, на высоте 1,3 м, выбирают зону измерения 1 и высверливают отверстие 3. Лучше всего для многолетнего экологического мониторинга отверстие высверлить в сентябре-ноябре месяце, чтобы датчик мог “врасти”, и замеры после плотной посадки корпуса 4 с пъезоэлементами 6 в годичных слоях древесины будут точными. При необходимости корпус обмазывают жидким стеклом (силикатным клеем), что позволяет применять предлагаемый способ с хорошим контактом между пъезоэлементами и высыхающей древесиной (при испытании годичных слоев бревен, например резонансной древесины для изготовления музыкальных инструментов).

Так можно изучать на растущих деревьях динамику свойств древесины групп годичных слоев, приходящихся на один пъезоэлемент, а затем сопоставлять скорость ультразвука с изменением параметров окружающей среды (температуры и влажности воздуха, влажности и базисной плотности древесины самого дерева в зоне измерения и пр.).

С реализацией предлагаемого способа появляется практическая возможность точного сопоставления значений дендрометрических показателей с измеренными в это же время значениями климатических и метеорологических параметров. Поэтому экологический и технологический виды мониторинга совмещаются, так как удается измерять изменение свойств древесины по годичным слоям. Это позволяет изучать деревья как в естественных или иных условиях, например, при сильном загрязнении атмосферы выбросами от химических предприятий, так и через поведение живой (растущее дерево) или мертвой (бревна в штабеле в процессе хранения) древесины удается распознавать поведение окружающей природной среды.

Положительный эффект заключается в том, что, один раз нанеся одно отверстие в дереве, на протяжении многих лет имеем наиболее полную информацию о биологическом состоянии дерева в разные фазы его развития. Это существенно повышает точность измерений, причем по одним и тем же группам годичных слоев на стволе или ветви растущего дерева.

Предлагаемый способ позволяет выполнять измерения показателей экологического состояния дерева (территории) и сопоставлять их со скоростью ультразвука, изменяющего свое значение в зависимости от физиологического состояния учетного дерева. Причем динамические измерения можно выполнять в любое время года, в том числе и зимой, так как прибор подсоединяется разъемами по типу бытовых приборов к торцам датчиков, размещенных в деревьях.

Изобретение может быть использовано в инженерной экологии, а также в лесном хозяйстве при сертификации качества лесных насаждений по учетным деревьям, отводе участков леса под ландшафтное обустройство территории и для обоснования рубок ухода за лесом, а также в условиях лесозаготовок и первичной деревообработки при сертификации круглых и пиленых лесоматериалов. В растущем дереве или лесоматериале в испытуемом месте выполняют по крайней мере одно отверстие. В отверстие вставляют многоканальный датчик с разъемом, к которому при необходимости подсоединяют ультразвуковой прибор. Это позволит повысить точность и оперативность измерений свойств растущих деревьев и лесоматериалов (при хранении) по годичным слоям. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ ультразвукового испытания годичных слоев древесины растущих деревьев и лесоматериалов, включающий выбор на древесине места для испытания и определение состояния древесины с использованием ультразвукового прибора с датчиками, отличающийся тем, что в испытуемом месте выполняют, по крайней мере, одно отверстие, в которое устанавливают многоканальный датчик с разъемом, к которому при необходимости подсоединяют ультразвуковой прибор.2. Способ ультразвукового испытания годичных слоев древесины растущих деревьев и лесоматериалов по п.1, отличающийся тем, что отверстие выполняют сверлением по радиусу ствола или ветви растущего дерева или лесоматериала, а многоканальный датчик цилиндрической формы с корпусом из органического стекла с наклеенными по бокам двумя рядами пьезоэлементов устанавливают в отверстие посредством клея, например жидкого стекла.3. Способ ультразвукового испытания годичных слоев древесины растущих деревьев и лесоматериалов по п.1, отличающийся тем, что выполняют два отверстия, параллельные друг другу, в продольном или поперечном сечении ствола, или ветви растущего дерева, или лесоматериала, например бревна, находящегося в условиях долговременного хранения в штабеле.