СПОСОБ РАННЕГО ВЫЯВЛЕНИЯ ГНИЕНИЯ ДРЕВЕСИНЫ ПАМЯТНИКОВ АРХИТЕКТУРЫ Российский патент 2023 года по МПК G01N33/46 

Область техники

Изобретение относится к области сохранения, использования и защиты объектов культурного наследия, а именно памятников архитектуры, и предназначено для выявления участков древесины памятников архитектуры подверженных гниению, для их своевременной реставрации.

Предшествующий уровень техники

Известен способ мониторинга биологических разрушений древесины памятников деревянного зодчества [Кистерная М.В. Система комплексного профилактического обслуживания памятников деревянного зодчества: научно-методические рекомендации / М.В. Кистерная, А.Ю. Любимцев. - Петрозаводск: Издательский центр музея-заповедника «Кижи», 2016. - 70 с.], включающий регулярное инспектирование технического состояния памятников деревянного зодчества, в ходе которого осуществляется визуальный осмотр внутренних помещений памятников, особое внимание уделяется таким помещениям, как подклеты, чердаки, участки возможных протечек атмосферной влаги. Пораженные гниением участки определяются по изменению цвета, запаха и структуры древесины. Недостатками данного способа являются: позднее выявление участка гниения древесины памятника архитектуры, вследствие того, что изменение цвета, запаха и структуры древесины можно определить только в конце начальной, или начале развитой стадий гниения древесины; низкая точность выявления гниения древесины памятника архитектуры, вследствие того, что визуальный осмотр памятника архитектуры чрезвычайно субъективен, в виду влияния человеческого фактора (восприятия цвета, запаха и структуры древесины).

Известен способ микологического обследования памятников культурного наследия [Богомолова Е.В. Микологические методы в обследовании объектов культурного наследия / Е.В. Богомолова // Обследование зданий и сооружений: проблемы и пути их решения: Материалы VII международной научно-практической конференции. - СПб: Изд-во Политехн. ун-та, 2017. - С. 30-37], включающий отбор 1-2 пробы древесины на каждые 100 кв. м площади конструкций (при площадях более 500 кв. м), а на малых площадях - не менее 5-6 проб на кровлю, и не менее 2-4 проб на каждый этаж здания (т.к. зараженность древесины дереворазрушающими грибами различных уровней может сильно отличаться), руководствуясь равномерностью отбора и обязательным наличием хотя бы 1-2 проб с каждой группы конструктивных элементов (например, стропила, мауэрлат, стойки, прогоны, подкосы и т.д.). Каждая проба включает в себя хотя бы нескольких граммов образца (или нескольких квадратных сантиметров по площади). Далее взятые пробы исследуют методом прямого микроскопирования с применением специфических красителей или методом проращивания во влажных камерах на наличие дереворазрушающих грибов. Недостатками данного способа являются: большие трудозатраты на выявление участка гниения древесины памятника архитектуры; отсутствие возможности получать данные в реальном времени; низкая точность выявления гниения древесины памятника архитектуры, вследствие того, что очаги поражения гнилью могут располагаться хаотично, и не всегда будут обнаружены при выборочном вскрытии.

Известен способ выявления гнили в неокоренных хлыстах или бревнах [Описание изобретения к патенту SU 177 133 «Способ выявления гнили» (Сергиенко Ю.К. Опубл.: 01.12.1965)], включающий зачистку бревен или хлыстов от коры в противоположных точках одного поперечного сечения, воздействие ультразвуком, измерение скорости его прохождения по диаметру и сравнение с табличной скоростью ультразвука в здоровой древесине той же породы при влажности ее выше предела гигроскопичности. Данный способ изначально не предназначен для выявления гниения древесины памятников архитектуры, но может быть применен для этих целей. Недостатками данного способа являются: позднее выявление участка гниения древесины памятника архитектуры, вследствие того, что изменение структуры древесины, а значит и скорости прохождения ультразвука, происходит только в конце начальной, или начале развитой стадий гниения древесины; высокие трудозатраты на выявление участка гниения древесины памятника архитектуры.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является способ определения вероятности развития дереворазрушающих грибов [Кистерная М.В. Оценка состояния древесины архитектурных памятников / М.В. Кистерная: автореф. дис. … канд. техн. наук. - Москва, 2000. - 24 с.], включающий измерение влажности древесины памятников деревянного зодчества в зонах со следами активности дереворазрушающих грибов и зонах повышенной влажности древесины; далее, в соответствие с динамикой изменения влажности древесины, деления зон на 3 категории: 1) безопасную (влажность древесины не более 20%), 2) зону вероятного развития гриба (влажность древесины 10-24%, осенью - до 30%), 3) аварийную (влажность древесины 30-55%); после чего в зонах возможного развития грибов (зонах №2 и 3) возрастным буравом высверливание каналов глубиной до 150 мм, и диаметром до 5 мм, и установку в которые небольших кусочков древесины; выдержку кусочков древесины в течение всего теплого периода; затем их извлечение и взвешивание. Потеря массы более 1% за время экспозиции указывает на существующую активность дереворазрушающих грибов. Недостатками данного способа являются: позднее выявление участка гниения древесины памятника архитектуры, вследствие большой длительности выдержки кусочков древесины (в течение всего теплого периода); высокие трудозатраты на выявление участка гниения древесины памятника архитектуры; большое механическое (разрушающее) воздействие на целостность памятника архитектуры, вследствие необходимости высверливание в древесине каналов для установки кусочков древесины.

Раскрытие технического решения

Техническим результатом изобретения является обеспечение раннего дистанционного выявление участка гниения древесины памятника архитектуры; повышение точности выявления гниения древесины памятника архитектуры; получение данных о содержании углекислого газа у поверхности древесины, содержании углекислого газа в воздухе и абсолютной влажности древесины в реальном времени; снижение трудозатрат на выявление участка гниения древесины памятника архитектуры; снижение механического (разрушающего) воздействия на целостность памятника архитектуры. Также данный способ является унифицированным, то есть может быть использован любым учреждением эксплуатирующим памятники архитектуры с наличием возможности проведения дистанционного измерения содержания углекислого газа у поверхности древесины, содержания углекислого газа в воздухе и абсолютной влажности древесины памятника архитектуры, и не требует привлечения узких специалистов в области древесиноведения или реставрации памятников архитектуры.

Технический результат достигается тем, что осуществляется дистанционное определение содержания углекислого газа у поверхности древесины, содержания углекислого газа в воздухе и абсолютной влажности древесины на основе сигнала от датчиков, размещенных на деревянных конструкциях памятника архитектуры, причем наличие гниения древесины оценивают по превышению содержания углекислого газа у поверхности древесины более чем на 26% содержания углекислого газа в воздухе, и превышению величины абсолютной влажности древесины более 22%.

Описание чертежей

Техническое решение пояснено на чертежах, где на фиг. 1 изображен прибор для измерения влажности древесины, содержания углекислого газа у поверхности древесины, влажности и температуры воздуха; на фиг. 2 - процесс измерения абсолютной влажности древесины влагомером Testo 606-2; на фиг. 3 и фиг. 4 - образцы элементов конструкций памятников архитектуры с установленными на них приборами для измерения влажности древесины, содержания углекислого газа у поверхности древесины, влажности и температуры воздуха; на фиг. 5 - график изменения содержание углекислого газа у поверхности древесины; на фиг. 6 - график изменения абсолютной влажности древесины.

Осуществление технического решения

Предлагаемый способ включает следующие операции: дистанционное определение содержания углекислого газа у поверхности древесины, содержания углекислого газа в воздухе и абсолютной влажности древесины на основе сигнала от датчиков, размещенных на деревянных конструкциях памятника архитектуры, и дальнейшую оценку наличия гниения древесины по превышению содержания углекислого газа у поверхности древесины более чем на 26% содержания углекислого газа в воздухе, и превышению величины абсолютной влажности древесины более 22%.

Ранее выявление участка гниения древесины памятника архитектуры обеспечивается за счет дистанционного измерения содержания углекислого газа у поверхности древесины, содержания углекислого газа в воздухе и абсолютной влажности древесины, и контроля превышения содержания углекислого газа у поверхности древесины более чем на 26% содержания углекислого газа в воздухе, и превышению величины абсолютной влажности древесины более 22%.

Повышение точности выявления гниения древесины памятника архитектуры обеспечивается за счет точности измерения содержания углекислого газа у поверхности древесины, содержания углекислого газа в воздухе и абсолютной влажности древесины.

Получение данных о содержании углекислого газа у поверхности древесины, содержании углекислого газа в воздухе и абсолютной влажности древесины в реальном времени обеспечивается посредством датчиков, размещенных на деревянных конструкциях памятника архитектуры, которые измеряют и дистанционно передают данные посредством сигналов.

Снижение трудозатрат на выявление участка гниения древесины памятника архитектуры обеспечивается за счет того, что датчики размещаются на деревянных конструкциях памятника архитектуры на длительный период времени (до окончания их срока службы), а также за счет того, что они собирают данные дистанционно (без участия человека).

Снижение механического (разрушающего) воздействия на целостность памятника архитектуры обеспечивается за счет того, что для размещения датчиков на деревянные конструкции памятника архитектуры не требуется осуществлять механические воздействия (например, высверливать в них отверстия и т.п.).

Причиной гниения древесины является жизнедеятельность дереворазрушающих грибов. Дереворазрушающие грибы выделяют особые ферменты, под действием которых происходит разложение древесины, описываемое формулой [Кистерная М.В. Методика мониторинга биологических вредителей исторических построек / М.В. Кистерная, В.А. Козлов // Системный подход к сохранению памятников деревянного зодчества. Интернет-публикация kizhi.karelia.ru. [Электронный ресурс]. URL: https://kizhi.karelia.ru/library/sistemnyij-podhod-2017/1784.html (дата обращения: 01.10.2022)]:

С₆Н₁₀О₅+60₂ → 6CO₂+5H₂O.

Таким образом, в процессе гниения древесины происходит выделение углекислого газа и воды. Следовательно, содержание углекислого газа у поверхности древесины и влажность древесины постоянно увеличивается. В связи с чем, можно предположить, что увеличение содержания углекислого газа у поверхности древесины и увеличение влажности древесины является признаком возникновения процесса гниения древесины, позволяющего его выявить в начале зарождения.

Для подтверждения технического результата было проведено лабораторное исследование гниения древесины памятников архитектуры.

Для измерения содержания углекислого газа у поверхности древесины, влажности древесины, температуры и влажности воздуха был разработан и изготовлен специальный прибор в количестве 8 штук, состоящий из: 1 - контроллера с интегрированным модулем Wi-Fi (ESP32 DevKit V1 30pin), 2 - цифрового датчика измерения температуры и относительной влажности воздуха GY-SHT31-D (диапазон измерения температуры от -40 до 125°С, точность измерений температуры ± 0,01°С, диапазон измерения относительной влажности 0 до 100%, точность измерений относительной влажности 0,01%), 3 - аккумуляторных батарей, 4 - цифрового датчика измерения абсолютной влажности древесины GY-SHT31-D (диапазон измерения от 8,8 до 54,8%, точность измерений ± 1%), 5 - цифрового датчика измерения содержания углекислого газа в воздухе MH-Z19B (диапазон измерения от 0 до 5000 ppm, точность измерений ± 50 ppm) (фиг. 1). Для калибровки датчика абсолютной влажности древесины и контроля, измеряемых значений абсолютной влажности древесины, использовался влагомер Testo 606-2 (диапазон измерения от 8,8 до 54,8%, точность измерений ± 1%) (фиг. 2).

Принцип работы прибора следующий: датчики 2, 4 и 5 непрерывно измеряют данные о содержании углекислого газа, влажности древесины, температуре и влажности воздуха и передают их на контроллер 1, которые сохраняют эти данные и по локальной сети Wi-Fi через определенный интервал времени передают их на компьютер.

Принято различать три стадии гниения древесины: начальную, развитую и конечную [Кононов Г.Н. Миколиз древесины, его продукты и их использование. II. Биолого-морфологические процессы микологического разрушения древесины / Г.Н. Кононов, А.Н. Веревкин, Ю.В. Сердюкова, В.Д. Зайцев // Лесной вестник / Forestry Bulletin. - 2020. - Т. 24. №5. - С. 89-96.]. В соответствие с чем, для изучения процесса гниения древесины памятников архитектуры были подготовлены образцы элементов конструкций памятников архитектуры с разными стадиями гниения древесины (фиг. 3, фиг. 4): 1) гниение отсутствует (образцы №1 и 5), 2) начальная стадия гниения (образцы №2 и 6); 3) развитая стадия гниения (образцы №3 и 4). Образцы в конечной стадии гниения древесины не рассматривались, вследствие того, что на данной стадии структура древесины практически полностью разрушена.

В ходе исследования на каждый образец элементов конструкций памятников архитектуры были установлены по 1 прибору, которые в течение 2 месяцев непрерывно дистанционно измеряли и сохраняли значения содержания углекислого газа у поверхности древесины, абсолютной влажности древесины, температуры и относительной влажности воздуха и по локальной сети Wi-Fi передавали измеренные данные на компьютер.

Для дальнейшей сравнительной оценки измеряемых данных 2 прибора также были установлены на открытом воздухе и измеряли содержания углекислого газа в наружном воздухе.

В ходе исследования были получены данные об абсолютной влажности древесины, температуре и относительной влажности воздуха, содержании углекислого газа у поверхности древесины и содержании углекислого газа в воздухе для трех групп образцов с разными стадиями гниения. Полученные данные были обработаны общепринятыми методами математической статистики. Результаты представлены на графиках (фиг. 4, фиг. 5).

Температура воздуха в течение исследования изменялась в интервале от 21,31 до 28,23°С. Относительная влажность воздуха изменялась в интервале от 40,66 до 55,07%.

Анализ результатов, представленных на фиг. 5, показывает, что содержание углекислого газа у поверхности древесины образцов №1 и 5 (гниение отсутствует) на протяжении всего исследования изменяется незначительно в интервале от 409 до 439 ppm, соизмеримым с содержанием углекислого газа в наружном воздухе (вне помещений) - от 401 до 416 ppm. Содержание углекислого газа у поверхности древесины образцов №2 и 6 (начальная стадия гниения) на протяжении всего исследования плавно растет от 514 до 777 ppm. К окончанию исследования рост составил около 51%. Содержание углекислого газа у поверхности древесины образцов №3 и 4 (развитая стадия гниения) на протяжении всего исследования значительно растет от 1897 до 3763 ppm. К окончанию исследования рост составил около 98%. Содержание углекислого газа у поверхности древесины образцов №2, 3, 4 и 6 на протяжении всего исследования значительно превышает значения содержания углекислого газа в наружном воздухе (вне помещений).

Минимальное содержание углекислого газа у поверхности древесины образцов, находящихся в начальной стадии гниения превышает среднее содержание углекислого газа в воздухе на 26%.

Анализ результатов, представленных на фиг. 6, показывают, что абсолютная влажность древесины образцов №1 и 5 (гниение отсутствует) на протяжении исследования изменяется незначительно в интервале от 18,4 до 19,6%, что соответствует абсолютной влажности воздушно-сухой древесины. Абсолютная влажность древесины образцов №2 и 6 (начальная стадия гниения) на протяжении исследования непрерывно растет от 22,0 до 32,5%. К окончанию исследования рост составил 48%. Абсолютная влажность древесины образцов №3 и 4 (развитая стадия гниения) на протяжении исследования также непрерывно растет от 28,5 до 54,6%. К окончанию исследования рост составил 92%.

Полученные результаты подтверждает заявленный технический результат изобретения.

Использование: для раннего выявления гниения древесины памятников архитектуры. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют дистанционное определение содержания углекислого газа у поверхности древесины, содержания углекислого газа в воздухе и абсолютной влажности древесины на основе сигнала от датчиков, размещенных на деревянных конструкциях памятника архитектуры, причем наличие гниения древесины оценивают по превышению содержания углекислого газа у поверхности древесины более чем на 26% содержания углекислого газа в воздухе и превышению величины абсолютной влажности древесины более 22%. Технический результат: повышение точности выявления гниения древесины памятника архитектуры. 6 ил.

Способ раннего выявления гниения древесины памятников архитектуры, включающий дистанционное определение содержания углекислого газа у поверхности древесины, содержания углекислого газа в воздухе и абсолютной влажности древесины на основе сигнала от датчиков, размещенных на деревянных конструкциях памятника архитектуры, причем наличие гниения древесины оценивают по превышению содержания углекислого газа у поверхности древесины более чем на 26% содержания углекислого газа в воздухе и превышению величины абсолютной влажности древесины более 22%.