Способ исследований годичных колец древесины Российский патент 2023 года по МПК G01N33/46 

Изобретение относится к технике выявления и измерения механических свойств древесины внутри отдельных годичных колец. Клеточная структура древесины формируется и адаптируется к условиям окружающей среды, реагирует на изменяющиеся факторы жизнедеятельности: солнечный свет, тепло, влагу и питательные вещества. Поэтому изучение годовых колец древесины позволит дать экологическую оценку процесса роста и развития изучаемого растущего дерева. Известны различные способы анатомических исследований, основанных на различии физических показателей отдельных частей годичного кольца и морфологической неоднородности древесины.

Стандартные методы определения механических свойств древесины и оценки ее качества предполагают проведение разрушающих испытаний или измерение твердости. Применяют также тестирование внутренней структуры неразрушающими акустическими, рентгеновскими, инфракрасными термографическими, ядерно-магнитно-резонансными методами. Механические характеристики структурных элементов древесины в нано- и микрошкале исследуют, как и в других материалах, методами нано-/микромеханического тестинга, чаще всего с помощью атомно-силовых микроскопов и наноиндентометров.

Известен способ ультразвукового испытания древесины растущего дерева на кернах (патент RU №2327342, МПК A01G 23/00, заявл. 25.05. 2006). Сущность способа заключается в том, что при проведении испытания древесины растущего дерева на кернах включают взятие кернов древесины, отделение от керна рабочей части для ультразвуковых измерений. Ультразвуковые измерения проводят по всей длине рабочей части керна путем последовательного отрезания годичных слоев, начиная с конца рабочей части керна со стороны периферии ствола дерева, затем полученные значения скорости ультразвука располагают по шкале времени, начиная с момента начала роста дерева по годичным слоям, отсчитывая их от сердцевины к периферии ствола дерева с последующим выявлением статистических закономерностей динамики скорости ультразвука в ходе роста и развития дерева, характеризующей качество древесины, и прогнозированием динамики скорости ультразвука. Полученные точные результаты позволяют диагностировать текущее состояние древесного организма и затем проанализировать физиологические процессы, происходящие в момент взятия керна в стволе дерева. И по нескольким деревьям можно судить о качестве древостоя. Вместе с тем этот процесс достаточно трудоемкий и может быть использован только на небольших лесных массивах.

Известен микрофотометрический способ (Ваганов Е.А., Спиров В.В., Тресков И.А. Фотометрический анализ структуры годичных слоев древесины хвойных деревьев. - Известия Сибирского отделения АН СССР, серия биологических наук, 1972 г., №5, Вып.1) исследования структуры древесины, наиболее близкий к предлагаемому. В основе способа лежит определение поверхностной пористости древесины путем регистрации диффузно- отраженного света от поверхности образца. Стандартный образец перед измерением дополнительно обрабатывают на санном микротоме (поперечный разрез) и высушивают до стационарной влажности. Микрофотометрический способ реализуют с помощью прибора однолучевого сканирующего микрофотометра отраженного света, в котором использован принцип освещения узким (щелевым) зондом микроучастка сканируемого образца и регистрации диффузно-отраженного света от него. На получаемой фотометрической кривой минимум отражения приходится на участок поздней древесины, а максимум - на участок ранней древесины. Этот результат является следствием изменения поверхностной пористости в пределах годичного слоя.

Недостатки фотометрического способа определяются качеством обработки образца перед измерением нарушения ортогональности элементов структуры образца и поверхности образца, нарушения ориентации поверхности относительно оптической оси прибора при сканировании, деформирования и завальцовывания структуры древесины, механических повреждений поверхности образца.

Существенное влияние оказывает изменение цвета древесины, не связанное с регулярным вегетационным циклом. Кроме того, интенсивность отраженного света резко падает с повышением влажности образца. Указанные обстоятельства служат причиной невозможности измерения углов наклона плоскости годичных слоев вследствие неточного радиального выреза образца, что приводит к ошибкам в определении размеров годичных слоев при их сравнении и структуры древесины в целом.

Известен «Способ исследования структуры древесины» (см. патент RU №2073239, МПК G01N 33/46, заявл. 29.06.1993). Сущность данного способа заключается в изготовлении образца цилиндрической формы с образующей, ориентированной поперек годичных слоев древесины, облучении образца световым потоком, направленным перпендикулярно оси образца, приеме и регистрации распределения интенсивности светового потока вдоль образца, по которому определяют строение годичных слоев и судят о структуре древесины. Причем контролируют величину максимума в регистрируемом распределении интенсивности прошедшего через образец излучения, дополнительно ориентируют образец относительно направления светового потока путем поворота вокруг оси до достижения пикового значения максимума в распределении интенсивности прошедшего через образец излучения, фиксируют найденное положение образца и при фиксированном по углу поворота положении образца фотометрируют световой поток, прошедший через образец, вдоль образующей цилиндрической поверхности образца. Кроме того, образец дополнительно ориентируют относительно направления светового потока путем сдвига в направлении, перпендикулярном направлению светового потока и одновременно оси образца, на заданную величину, в пределах радиуса образца, дополнительно фотометрируют световой поток, прошедший через образец, вдоль образующей цилиндрической поверхности образца, определяют линейный сдвиг распределения интенсивности фотометрированных световых потоков до и после сдвига образца, по нему определяют угол наклона плоскости годичного слоя к плоскости, проходящей через ось образца параллельно направлению светового потока, а по соотношению максимумов в распределениях интенсивности фотометрированных световых потоков до и после сдвига образца судят о пористости древесины. Также образец дополнительно поворачивают на 180° относительно фиксированного положения образца, соответствующего пиковому значению максимума интенсивности в распределении интенсивности, дополнительно фотометрируют световой поток, прошедший через образец, вдоль образующей цилиндрической поверхности образца, определяют линейный сдвиг распределения интенсивности фотометрированных световых потоков до и после поворота образца и по нему определяют угол наклона плоскости годичного слоя к плоскости, перпендикулярной оси образца. Несмотря на простоту существующих способов, прямые анатомические исследования годичных колец сопряжены с высокой трудоемкостью, обусловленной многостадийными этапами подготовки, получения результатов и их обработки. Использование проникающих излучений сопряжено с их вредным влиянием на организм человека. Оборудование, необходимое для этих целей, как правило, стационарное, используется в лабораторных условиях, дорогостоящее, не позволяет проводить оперативные исследования в полевых условиях без нарушения жизнедеятельности древостоя.

К наиболее близкому аналогу, принятому за прототип, следует отнести способ микрофотометрических исследований годичных колец древесины, включающий регистрацию отраженного света, характеризующего выявление и измерение морфологической неоднородности древесины (см. патент RU № 2477473, МПК G01N 33/46, A01G 23/00, заявл. 2013). Согласно способу микрофотометрических исследований годичных колец древесины, включающему регистрацию отраженного света, характеризующего выявление и измерение морфологической неоднородности древесины, при этом исследования осуществляют с помощью оптического эндоскопа путем его перемещения по отверстию, просверленному по центру ствола дерева в радиальном направлении с предварительно подготовленной внутренней поверхностью отверстия. Внутреннюю образующую поверхность отверстия после сверления подвергают шлифованию с последующей пропиткой контрастным составом и исследования проводятся визуально, либо путем записи рефлектограммы на регистрирующем приборе.

Способ включает регистрацию отраженного света, характеризующего выявление и измерение морфологической неоднородности древесины. Исследования осуществляют с помощью оптического эндоскопа путем его перемещения по отверстию, просверленному по центру ствола дерева в радиальном направлении с предварительно подготовленной внутренней поверхностью отверстия. Предложенный способ дает возможность точно определить возраст дерева, обеспечить безопасность проводимых работ и получить информацию о состоянии древесины.

Основным недостатком известного способа является высокая трудоемкость исследований, обусловленная, помимо всего, отсутствием мобильного оборудования.

Задачей данного изобретения является снижение трудоемкости исследований, обеспечение безопасности проводимых работ, использование мобильного оборудования, обеспечивающего проведение полного объема работ и получение необходимой информации. При обеспеченности полным комплектом мобильного (автономного) оборудования исследования проводятся в кратчайшие сроки, а информация с помощью Интернета может передаваться оперативно по назначению.

Поставленная задача решается способом исследований годичных колец древесины, включающим регистрацию, выявление и измерение механических свойств древесины, при этом исследования осуществляют с помощью многофункционального скретч-метода, заключающегося в царапании поверхности образца зондом определенной формы при заданной глубине его погружения и непрерывной регистрации нормальной P_n и латеральной P_l сил, действующих на зонд и характеризующих механические свойства древесины.

Согласно изобретению зонд может быть соединен с жестким нагружающим устройством, задающим с помощью вертикального привода фиксированную, но регулируемую глубину погружения d (от десятков мкм до единиц мм) и регистрирующим нормальную F_n и латеральную F_l компоненты силы сопротивления движению зонда параллельно поверхности, а также тем, что зонд может быть выполнен в виде индентора с углом в вершине 120° и радиусом закругления R=0,2 мм.

Способ позволяет количественно характеризовать механические свойства, а также определять ширину годовых колец в тестируемой древесине.

Далее описано применение предложенного способа для количественной характеризации механических свойств, а также для определения ширины годовых колец в тестируемой древесине.

Известно, что в большинстве пород деревьев механические свойства (например, эффективные значения микротвердости Н и модуля Юнга Е) в ранней и поздней древесине (РД и ПД), измеренные в любом годовом кольце роста, отличаются в несколько раз. Однако их измерение методом индентирования требует тщательной подготовки поверхности и больших затрат времени.

Суть скретч-метода заключается в царапании поверхности образца зондом определенной формы при заданной глубине его погружения и непрерывной регистрации нормальной P_n и латеральной P_l сил, действующих на зонд. Такой метод позволяет профилировать физико-механические свойства приповерхностных слоев материала с высоким разрешением (от сотых долей мкм, в зависимости от формы зонда и приложенной силы), а измерение занимает минуты времени.

Профиль изменения нормальной и латеральной силы в процессе движения зонда при скретчинге перпендикулярно годовым кольцам на поперечном срезе древесины способен отображать ее кольцевую структуру. Это дает возможность использовать методику скретчинга для определения ширины годовых колец и выявления доли РД и ПД в интересах дендрохронологии и дендроклиматологии, а также для оценки как локальных, так и интегральных механических свойств древесины и другого растительного сырья. Предложенный способ поясняется чертежами и графическими материалами:

1 – образец;

2 – зонд (индентор Роквелла);

3 – датчик силы;

4 – зависимости модуля Юнга Е от расстояния r;

5 – зависимости микротвердости Н от расстояния r;

6 – профиль нормальной силы F_n, соответствующий годам от 2007 до 2013 при заданной глубине погружения зонда d = 110 мкм;

7 – данные о ширине годовых колец w, полученных оптическим методом;

8 – данные о ширине годовых колец w, полученных скретч - методом;

9 – данные о ширине годовых колец w, полученных сканирующим НИ.

Для выяснения принципиальной возможности реализации метода скретчинга применительно к древесине были выполнены предварительные тестовые испытания структуры годовых колец роста сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) на пробном макете специализированного скретч-тестера.

На жесткой раме с направляющими длиной 750 мм была установлена подвижная каретка, имеющая возможность перемещения с помощью компьютерно-управляемого привода на шаговом электродвигателе. На каретке был установлен трехкоординатный датчик силы (модель LF303M-500kg-500kg-500kg) с разрешением 10 мН. Устройство работало как жесткое нагружающее устройство, задающее с помощью вертикального привода фиксированную, но регулируемую глубину погружения d (от десятков мкм до единиц мм) и регистрирующее нормальную F_n и латеральную F_l компоненты силы сопротивления движению зонда параллельно поверхности образца.

В качестве образца был подготовлен механически шлифованный поперечный спил древесины сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.), а зондом был выбран индентор Роквелла с углом в вершине 120º и радиусом закругления R=0,2 мм. Поверхность образца была подготовлена на шлифовальном станке таким образом, что под микроскопом была четко видна клеточная структура древесины. Шероховатость поверхности R_a составляла около 300 нм.

На фиг. 1 представлен профиль нормальной силы F_n при движении зонда со скоростью 5 мм/с через несколько десятков годовых колец при d = 270 мкм. Аналогичный осциллирующий характер имеют и зависимости F_l(r).

Так как механические свойства древесины в слоях РД и ПД существенно отличаются, то возможно определение ширины годовых колец ws по расстоянию между соседними максимумами, минимумами или точками на полувысоте фронта на графиках F_n(r) или F_l(r). Принципиально результаты не отличались друг от друга. В последующем для определенности величину ws измеряли по последнему критерию, имеющему лучшую точность. Путем варьирования задаваемой глубины скретчинга установлено, что для использованного наконечника Роквелла оптимальной с точки зрения отношения сигнал/шум и пространственного разрешения метода определения границ годовых колец является d ≈ 100 мкм. Для достижения большего разрешения необходимо использовать зонд с меньшим радиусом кривизны в вершине и меньшую величину d.

На фиг. 2 представлено сравнение профилей Н и Е, полученных с помощью наноиндентирования при P_max = 500 мН, и профиля силы F_n при d = 110 мкм, полученного скретч-методом. Все они отражают вариации физико-механических свойств древесины на участке из семи годовых колец, соответствующих 2007-2013 годам. Из рисунка видна корреляция между Н, Е и Fn. Отношение максимальной и минимальной величины Fn составляло в разных годовых кольцах от 3 до 5, что приблизительно соответствует отношению Н и Е в РД и ПД.

На фиг. 3 представлена корреляция данных по ширине годовых колец, определенных методом наноиндентирования, скретчинга и оптическим методом, традиционно и наиболее часто применяемом в дендрохронологии для определения ширины годовых колец. Относительное отклонение значений w_s, полученных скретчингом, от w_o, полученных оптическим способом, не превышало 2%. Абсолютное среднеквадратическое отклонение ws составляло около 35 мкм, что сопоставимо с размером клетки в древесине сосны.

Скретч-метод с оптимизированной силой и формой зонда дает возможность определить ширину годовых колец с точностью, сопоставимой с точностью стандартного оптического метода. Это позволяет использовать относительно простой, менее трудозатратный метод скретчинга в дендрохронологии, получая при этом и дополнительную информацию о механических свойствах древесины.

Изобретение относится к области измерительной техники для определения свойств древесины, а именно к способу исследования годичных колец древесины. Предложен способ исследований годичных колец древесины, включающий регистрацию, выявление и измерение неоднородности древесины, отличающийся тем, что исследования осуществляют с помощью многофункционального скретч-метода, заключающегося в царапании поверхности образца зондом в виде соединенного с приводом индентора при глубине его погружения до 110 мкм и непрерывной регистрации нормальной Pn и латеральной Pl сил, действующих на зонд и характеризующих механические свойства древесины. Вышеописанный способ позволяет снизить трудоемкость исследований, обеспечить безопасность проводимых работ, использовать мобильное оборудование, обеспечивающее проведение полного объема работ и получение необходимой информации. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ исследований годичных колец древесины, включающий регистрацию, выявление и измерение неоднородности древесины, отличающийся тем, что исследования осуществляют с помощью многофункционального скретч-метода, заключающегося в царапании поверхности образца зондом в виде соединенного с приводом индентора при глубине его погружения до 110 мкм и непрерывной регистрации нормальной Pn и латеральной Pl сил, действующих на зонд и характеризующих механические свойства древесины.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что зонд соединяют с жестким нагружающим устройством, задающим с помощью вертикального привода фиксированную, но регулируемую глубину погружения d от десятков до сотен мкм и регистрирующим нормальную Fn и латеральную Fl компоненты силы сопротивления движению зонда параллельно поверхности.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что из полученных зависимостей нормальной Pn и латеральной Pl сил от радиального смещения определяют ширину годовых колец.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что зонд выполняют в виде индентора с углом в вершине 120° и радиусом закругления R=0,2 мм.