10.3. Вимірювання вологості

Вологість повітря, газів, твердих та сипких матеріалів необхідно

контролювати в ході різних технологічних процесів, а також під час зберігання продуктів в складських приміщеннях та холодильних камерах. Вміст вологи в будь-якому тілі або середовищі характеризується його абсолютною та

відносною вологістю.

Абсолютна вологість М_а газового середовища - це масова кількість (концентрація) водяної пари, що міститься в 1м³ газового середовища. Одиниці вимірювання абсолютної вологості: кг/м³ або г/м³.

Відносна вологість ψ газового середовища (або степінь його насичення) –

це відношення абсолютної вологості газового середовища М_а певного об’єму до масової концентрації (кількості) водяної пари, яка насичує це середовище за даної температури (М_н):

ψ = (М_а/М_н)ּ100%. (10.19)

Вміст вологи в твердих та сипких матеріалах характеризується вологовмістом U та вологістю W.

Вологовміст U - відношення маси вологи М в матеріалі до маси абсолютно сухого матеріалу М_с: U = М/М_с. (10.20)

Вологість W - відношення маси вологи М в матеріалі до маси вологого матеріалу М_в : W = М/М_в = М/(М_с + М). (10.21)

Вимірювання вологості повітря та газів проводиться, в основному, психрометричними, сорбційними методами та за точкою роси.

Для вимірювання відносної вологості газових середовищ найбільше розповсюдження дістав психрометричний метод (від грецьких слів: «psychros» - холодний та метр), який грунтується на використанні психрометричного ефекту, відкритого німецьким фізиком Ернстом Августом (звідси - психрометр Августа).

Суть ефекту у тому, що випаровування з поверхні зволоженого тіла і,як наслідок, ступінь його охолодження, тим інтенсивніші, чим менша відносна вологість газового середовища, де знаходиться тіло. При реалізації психрометричного методу вимірювання відносної вологості - порівнюються температури двох тіл – сухого та зволоженого.

Різниця температур сухого t_с та зволоженого t_в тіла, яка називається психрометричною різницею, є, таким чином, функцією від відносної вологості газового середовища: ψ =f(t_с - t_в) та визначається за виведеною

напівемпіричною формулою:

ψ = [ Р_в - А ּ Р ּ (t_с - t_в)] / Р_с, (10. 22)

де Р_в та Р_с - тиск пари, яка насичує контрольоване за вологістю газове середовище при температурах відповідно сухого t_с та вологого t_в тіла ( так званий - парціальний тиск); А – стала психрометра; Р – атмосферний (барометричний тиск в середовищі. Парціальний тиск (від латинського «partials» - частинний) - це тиск компоненту (пари) ідеальної газової суміші, яке компонент здійснював би, якщо він займав би весь об’єм суміші за даної температури.

При реалізації методу в психрометричному перетворювачі, в якості сухого та вологого тіл, використовують термометри опору, один із яких («вологий») зволожують за допомогою спеціальної гігроскопічної бавовняної тканини, кінець якої занурюють у посудину з дистильованою водою. Для створення стабільних умов випаровування, зволожене тіло (вологий термометр) має обдуватись, контрольованим за вологістю газовим середовищем (наприклад, оточуючим повітрям), з певною постійною швидкістю, яка повинна дорівнювати, як правило, 4 м/с.

Стала психрометра А залежить від конструкції психрометра, швидкості обдування зволоженого термометра газовим середовищем та тиску в ньому.

Значення психрометричної різниці залежить від температури газу в контрольованому середовищі, значення якої отримують за допомогою сухого термометра, а також від швидкості обтікання зволоженого тіла середовищем, вологість якого вимірюється.

Психрометричний метод покладений в основу побудови ряду автоматичних приладів для вимірювання вологості повітря та газів. Класичний спрощений варіант, що використовує в якості вторинного приладу автоматичний міст, приведений на рис. 4. Вимірювальна схема приладу (рис. 10.13) складається з двох мостів 1 і 2, для яких плечі R₁ й R₂ загальні. У плече одного моста включається "сухий" термометр R_tc, а в плече другого - "вологий" R_tb. Живляться мости від загального джерела живлення U_ж. У вимірювальній діагоналі «аb» мосту 1 виникає різниця потенціалів U_ab, що пропорційна температурі "сухого" термометра R_tc , а в діагоналі «ас» мосту 2 - U_ac, що пропорційна температурі "вологого" R_tb. Через те, що температура "сухого" термометра завжди більша за температуру "вологого", то й сигнал U_ab > U_ac . Їх різниця ΔU= U_ab - U_ac подається на вхід електронного підсилювача ЕП , підсилюється та керує рухом реверсивного двигуна РД. РД переміщує повзун реохорда R_p до тих пір, доки не настане рівновага системи. Шкала вимірювального приладу градуюється у відсотках відносної вологості.

1 2

Рис.10.13. Схема електрична автоматичного мостового психрометра

Для вимірювання вологості твердих та сипких матеріалів в лабораторії застосовують ваговий метод, заснований на зважуванні проби до (М_в) та після (М_с) її висушування в спеціальних шафах до настання зрівноваженого стану з навколишнім середовищем, тобто, коли подальше висушування не приводить до зменшення маси проби. Метод дуже простий і точний але потребує багато часу.

В системах автоматичного контролю та управління технологічними

процесами, де необхідно постійно контролювати вологість сипких та твердих

матеріалів, найбільш поширені кондуктометричні та ємнісні вологоміри.

ПВП таких вологомірів є два електроди. Вони конструктивно виконуються у вигляді або двох пластин, або циліндричної трубки, що є зовнішнім електродом, з загостреним у вигляді голки внутрішнім електродом та ін.. Простір між електродами, які ізольовані один від одного, утворює вимірювальну комірку, де знаходиться контрольований за вологістю матеріал, який подається у комірку або порціями (дискретно), або безперервно.

У основу принципу дії кондуктометричних вологомірів покладена

залежність електричного опору між двома електродами (опору R_х

вимірювальної комірки) від вмісту вологи. Ця залежність в загальному вигляді має вигляд: R_х = A/W^k , (10.23)

де R_х – опір матеріалу, Ом; «А» та «к» - додатні постійні величини, що залежать від природи матеріалу та умов вимірювання.

Характеристика перетворення ПВП нелінійна і використовується її відносно лінійний відрізок з низькою та середньою вологістю від 15 до 30%. В якості вторинних приладів таких ПВП використовуються електронні та магнітоелектричні oмметри та автоматичні мости постійного струму.

На відміну від кондуктометричних ПВП, ємнісні ПВП використовують залежність ємності між електродами, які можна розглядати як дві обкладки конденсатора, від діелектричної проникності матеріалу, що в сою чергу залежить від його вологості. Ємність С плоского конденсатора дорівнює:

С = ε (S / d) , (10.24)

де ε - абсолютна діелектрична проникність між електродного простору, Ф/м;

S – площина електродів, м²; d – відстань між електродами, м.

Із формули видно, що при постійних розмірах конденсатора (вимірювальної комірки), отримуємо функціональну залежність: С = f(ε).

У ємнісних ПВП для визначення вологості сипких матеріалів, наприклад, зерна, використовується зміна діелектричної проникності продукту в залежності від його властивостей (вологості), складу та наявності домішок. Відомо, що діелектрична проникність багатьох речовин суттєво різна. Наприклад, для води ε_в = 81, для клейковини зерна - 2,6, а для більшості сухих речовин вона знаходиться в межах від 2 до 10. Таким чином, незначна зміна вологості

речовини визиває зміну її діелектричної проникності.

ПВП таких видів виготовляється у вигляді двох однакових пластин, які жорстко закріплені у корпусі із високоякісного ізоляційного матеріалу і які вводяться у вимірюване середовище. Так як відстань та площина пластин незмінні, то ємність між ними є лінійною функцією від діелектричної провідності середовища ε, яке знаходиться між пластинами.

Наприклад, у портативного ПВП для визначення вологості зерна, корпус виготовлено у вигляді ручки із матеріалу з високими ізоляційними властивостями, в якій розміщені два електроди у вигляді леза ножа. Останнє полегшує їхнє введення у сипке середовище, діелектрична проникність якого в свою чергу залежить від вологості. Вимірювання проводять на частотах в межах десятків кГц. В якості вимірювальних приладів в комплекті із ємнісними ПВП використовують автоматичні мости змінного струму, або прилади, що побудовані на спеціальних резонансних схемах.

[ 2, с.: 111…121; 8, с.: 117…120 ; 7, с.: 61…64]