1.4 Микроволновые методы контроля влажности сыпучих материалов

Сфера исполь­зования микроволновых влагомеров в промышленности и сельском хозяйстве с каждым годом расширяется. Они находят применение в тех областях и для тех материалов, которые являются традиционными для электровлагометрии. В некоторых случаях, например в хлопковой промышленности для измерения влажности кип хлопка и других сходных продуктов производства, они являются единственно возможными.

Имея в виду выбор типа микроволнового датчика для решения проблемы влагометрии среднедисперсных материалов с относительной влажностью до 15% , рассмотрим вначале возможные схемы построения микроволновых датчиков – первичных преобразователей влажности в электрический сигнал.

Анализ допустимых волноводных и диэлектрических структур, пригодных для применения в качестве первичного РИП, позволяет схематически представить возможные технические решения в виде таблицы на рис. 1.4.

Классифицировать микроволновые сенсоры прежде всего необходимо по режиму работы : режим прохождения электромагнитной волны через образец – режим отражения. Затем по типу электродинамической структуры : волноводная – резонаторная. Каждый из указанных может быть разбит на два больших подкласса : открытая структура – закрытая структура. Таким образом, упрощенные схемы всех рассмотренные выше разновидностей сенсоров размешены на рис. 1.4.

Приведем результаты сравнительного анализа характеристик микроволновых методов (и соответствующих первичных РИП) влагометрии твердых и жидких материалов.

Наиболее распространен метод поглощения. Просто­та технических решений, достаточно высокая чувствительность и широкий динамический диапазон, низкая погрешность измерений, невысокая стоимость элементов СВЧ тракта в наиболее распространенном 3-см диа­пазоне длин волн.

Как указано в [ 6, 7 ], более 80% всех СВЧ влагомеров, построены по этому прин­ципу. Однако, весьма существен­ный недостаток таких влагомеров – сильная темпера­турная зависимость параметра преобразования. В связи с этим приходится применять довольно сложные схемы температурной коррекции. Самым неблагоприятным слу­чаем является контроль влажности среднедисперсных материалов, у которых знак температурной ошибки за­висит от влагосодержания. Если для дискретных влаго­меров это затруднение удается обойти, то для поточных приходится сужать динамический диапазон по влажно­сти, что не всегда удобно.

Волноводные и резонаторные схемы датчиков позволяют получить более высокие значения чувствительности при амплитудно-фазовых методах измерений. На рис. 1.5 представлены функциональные схемы волноводной и резонаторной систем измерений.

Следует отметить, что для фазового (волноводного) и резонаторного методов получения промежуточных констант влажности необходимо предварительно определять величины  и  сухих (обезвоженных материалов).

Рисунок 1.4 – Классификация микроволновых сенсоров, используемых для влагометрии материалов

а) б)

Рисунок 1.5 – Волноводная (а) и резонаторная (б) схемы построения

измерительных систем влажного материала

Анализ известных технических решений в области электровлагометрии показал, что наиболее перспективны микроволновые системы влагометрии несмотря на то, что они более сложны в изготовлении и эксплуатации и не лишены определенных ограничений. Например, применение резонаторных методов дает очень хорошие результаты, однако ограничено областью малых влагосодержаний. В то же время применение двухпараметрических методов в СВЧ-влагометрии сыпучих сельскохозяйственных материалов позволяет существенно повысить точность измерения влажности за счет учета влияния плотности (коэффициента заполнения). Эти методы, однако, эффективны при сравнительно небольших колебаниях плотности (в пределах 2,5–3 раз) и относительно узком диапазоне изменения влагосодержания. Дальнейшее повышение точности измерения влажности возможно за счет комбинации СВЧ-методов с другими физическими методами.