Mir_elektroniki_Datchiki_-_Sharapov_2012

Глава 17. Датчики влажности

Кондуктометрический метод

Влагосодержащие материалы, являясь в сухом виде диэлектриками с удельным объемным сопротивлением сv = 1010—1015 ом·см и выше, в результате увлажнения становятся электропроводными. Величина сv понижается до 10-2—10-3 ом·см. Удельное сопротивление изменяется, следовательно, в зависимости от влажности в чрезвычайно широком диапазоне, охватывающем 12—18 порядков.

По данным [22], зависимость электрического сопротивления R от влагосодержания u (в процентах) выражается показательной функцией:

где А — постоянная, определяемая размерами объекта измерения и содержанием в нем солей; n — показатель, зависящий от структуры и природы испытуемого вещества (8 Ѕ n Ѕ 17).

Надо полагать, что выражение 17.6 справедливо для измерений на постоянном или низкочастотном токе.

Неоднородность диэлектрика, наличие в нем влаги сказывается не только на величине удельной проводимости, но и на качественных особенностях электропроводности: на ‘ее зависимости от напряженности электрического поля и температуры. Проводимость таких материалов не является чисто ионной. Электропроводность твердого материала определяется электролитами, растворенными в воде; эти электролиты содержатся главным образом в самом материале. При этом характер зависимости удельной электропроводности материала от содержания влаги определяется распределением влаги в нем, зависящим в свою очередь от пористой структуры материала, формы пор, их размеров и характера распределения.

Диапазон измерения ограничен областью гигроскопичности материалов.

Диэлькометрический метод

В диэлькометрическом методе чаще всего используются средневолновый и коротковолновый (f = 0,3Χ30 Мгц) диапазоны частот или сверхвысокие частоты (СВЧ). В первом случае геометрические размеры датчиков и других элементов измерительных цепей значительно меньше длины волны и их можно рассматривать как системы с сосредоточенными параметрами. При измерениях в области дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн приходится рассматривать системы с распределенными параметрами. Практически существует также промежуточная область частот. Предельной частотой для систем с сосредоточенными параметрами можно считать 100 Мгц. (Более подробно см. п. 20.5.1.)

Поведение диэлектрика в электромагнитном поле характеризуется макроскопическими величинами комплексных диэлектрической е* и магнитной м* проницаемостей. У влажных материалов, не содержащих ферромагнетиков, величина м* Ј м0 (магнитной проницаемости пустоты) и их электрические свойства в слабых переменных электрических полях можно описать двумя параметрами, связанными с е*. При измерениях влажности используются следующие пары величин:

17.2.Методы измерения влажности твердых тел и жидкостей

—вещественная е9 и мнимая е99 составляющие комплексной диэлектрической проницаемости е* = е9 ­ j е99;

—диэлектрическая проницаемость е и тангенс угла диэлектрических потерь tg д;

—диэлектрическая проницаемость е и удельная проводимость (точнее, ее активная составляющая) у.

Диэлектрическая проницаемость е и tgд воды зависят от частоты (табл. 17.1) и агрегатного состояния.

Таблица 17.1. е и tg д воды

Диэлектрическая проницаемость льда составляет величину е Ј 3. Диэлектрическая проницаемость твердых и жидких веществ находится в

пределах от 1 до 10.

Наличие влаги оказывает большое влияние на поляризацию неоднородных диэлектриков сложного состава, какими являются влажные материалы.

Схема замещения емкостного датчика влажности показана на рис. 17.2.

Рис. 17.2. Схемы замещения емкостного датчика влажности: а — полная схема; б — упрощенная схема

На этой схеме: r — активное сопротивление электродов; L — паразитная индуктивность датчика; С1 = С + Сэ — равна сумме рабочей и паразитной емкостей датчика и емкости электронной поляризации; С2 — емкость, создаваемая остальными видами поляризации; R1 — сопротивление сквозному току; R2 — эквивалентное сопротивление различных видов потерь.

При работе на частотах ниже 25—30 мГц роль индуктивного сопротивления незначительна и индуктивность L можно исключить из схемы; можно также пренебречь сопротивлением r, так как обычно r << R. Схема сводится к схеме замещения исследуемого материала. Если объединить в ней все емкости, а суммарное сопротивление потерь обозначить через R, получим упрощенную параллельную схему (рис. 17.2, б), состоящую из емкости С без потерь, шунтированной активным сопротивлением R.

Микроволновые или СВЧ-влагомеры подробно рассмотрены в гл. 20.

Глава 17. Датчики влажности

17.3.Датчики электрических влагомеров твердых и жидких тел

Датчики кондуктометрических и диэлькометрических влагомеров преобразуют электрические параметры твердых и жидких материалов (с, е, tg д) в электрическую величину: омическое сопротивление, емкость, активное, реактивное или полное сопротивление в цепи переменного тока. Чувствительный элемент датчика — это электродное устройство, состоящее из двух или нескольких электродов, соединенных электрически в две группы, или из одного электрода, образующего с поверхностью нулевого потенциала («землей») систему двух проводящих тел.

Датчики влажности можно классифицировать по ряду признаков:

1)метод измерения, для которого предназначен датчик;

2)агрегатное состояние и внешняя структура анализируемых материалов;

3)условия работы влагомера — датчики для непрерывных или дискретных измерений;

4)способ подвода материала к чувствительному элементу (проточные и погружные датчики).

По принятой классификации следовало бы раздельно рассмотреть датчики кондуктометрические и диэлькометрические. Однако выходная величина датчика зависит от схемы и параметров электрического измерительного устройства, в которое он входит, от рода и частоты тока в этом устройстве. Один и тот же преобразователь с исследуемым материалом в междуэлектродном пространстве можно рассматривать как омическое сопротивление, если измерение производится в цепи постоянного тока, или как конденсатор при измерениях переменным током повышенной частоты. Исключение составляют датчики некоторых типов, специфические только для одного из методов: либо кондуктометрического, либо диэлькометрического.

Так, например, измеритель влажности древесины (рис. 17.3, а), основанный на измерении омического сопротивления участка древесины между двумя

электродами (изменяется краевая емкость датчика. Такие датчики именуют иногда конденсаторами с продольным или параллельным «внешним» полем, в отличие от обычных конденсаторов, у которых «внутреннее» поле направлено поперек материала, находящегося между обкладками. «Односторонние» датчи-

17.3. Датчики электрических влагомеров твердых и жидких тел

ки измеряют проводимость и емкость слоев материала, близких к поверхности. Напряженность поля в материале является функцией расстояния от контролируемой поверхности. Расчет датчиков этого типа рассматривается в [6].

Конструкции датчиков

Датчики для жидкостей имеют наиболее простую конструкцию, так как в них без дополнительных приспособлений обеспечивается однородное заполнение междуэлектродного пространства. На практике нашли применение датчики цилиндрические, плоские и с внешним полем (только в диэлькометрических влагомерах). Цилиндрические датчики, состоящие из металлического корпуса, который служит наружным электродом, и коаксиального внутреннего цилиндрического электрода, отличаются простотой конструкции и удобством сопряжения с трубопроводом.

Плоские многопластинчатые датчики имеют несколько металлических параллельных пластин, скрепленных с помощью изоляторов. Увеличивая число и площадь пластин и уменьшая зазор между ними, можно увеличить рабочую емкость и чувствительность датчика, например, для измерения низких влагосодержаний. Однако величина минимального зазора ограничена (это относится и к цилиндрическим датчикам) градиентом электрического поля, а также размерами дисперсных частиц. Ширина зазора должна превышать эти размеры не менее чем на два порядка. Кроме того, в плоских датчиках сложнее осуществить защитные покрытия электродов, в них возрастают утечки тока по поверхности изоляционных деталей, а при высокой влажности контролируемой жидкости возможно накопление воды в зазорах между электродами. Для контроля влажности диэлектрических жидкостей может быть использован проволочный датчик с высоким значением удельной емкости (см. рис. 8.2, в).

Датчики с внешними электродами выполняются чаще всего в виде сосуда (в проточных датчиках — отрезка трубы) из твердого диэлектрика, на внешней поверхности которого имеются электроды, большей частью кольцевые.

Датчики для сыпучих материалов

К сыпучим материалам относятся многочисленные дисперсные насыпные материалы. В зависимости от максимального размера (крупности) частиц их можно разделить на порошкообразные, зернистые и кусковые.

Основная проблема при выборе датчиков для работы с такими материалами связана с трудностью обеспечения постоянной плотности контролируемого продукта в полости измерительного преобразователя, особенно если измерения проводятся в потоке. Влияние плотности наиболее существенно для электрокондуктометрических датчиков. (На этом явлении работают угольные микрофоны!)

Приходится применять различные приемы для устранения или уменьшения этого влияния.

Для этих материалов разработано много конструкций датчиков:

а) с произвольной засыпкой сыпучего материала; б) с самоуплотнением материала;

в) с принудительным уплотнением материала в междуэлектродном пространстве.

17.3. Датчики электрических влагомеров твердых и жидких тел

Рис. 17.5. Емкостные проточные датчики влажности сыпучего материла

с якорем вибратора 3. Козырек 5 защищает короткий конец камеры 6 от потока сыпучего материала.

Управляя амплитудой вибрации, выбирая конструктивные параметры камер (внутренние диаметры трубы 1 и камеры 6, зазор между дном чаши 2 и торцом трубы 1, разность по высоте колен камер 6 и др.), можно обеспечить «течение» многих сыпучих материалов через измерительную полость с постоянной насыпной плотностью.

Более того, для материалов, обладающих значительной сквозной электропроводностью, можно уменьшить ее влияние на результат измерения, используя явления, возникающие при вертикальной вибрации сыпучего продукта [3]. При движении якоря электромагнитного вибратора вверх, т.е. против направления действия силы тяжести, происходит уплотнение частиц сыпучего материала; при движении якоря вниз — разрыхление, и контакт между частицами уменьшается. При этом значительно снижается сквозная электропроводность сыпучего материала. Если измерение емкости проводить именно в интервале времени движения якоря вниз, то влияние сквозной проводимости уменьшается.

Из спектометрических способов измерения влажности наибольшее применение получил инфракрасный метод:

—для жидкостей путем измерения поглощения излучения в проходящем свете;

—для твердых и сыпучих материалов за счет измерения отраженного от их поверхности излучения.

Инфракрасный влагомер для прозрачных жидкостей может быть реализован по схеме, представленной на рис. 16.11. Только в абсорбционную камеру 2 вместо газа помещают контролируемую жидкость.

Избирательные полосы поглощения влагой инфракрасной радиации — 1,47 или 1,94 мкм.

Глава 17. Датчики влажности

17.4.Методы измерения влажности газов

17.4.Методы измерения влажности газов

Для количественной оценки влажности газов используется ряд характеристик, которые можно разделить на следующие группы [5, 6].

Характеристики, оценивающие концентрацию водяного пара

1.Абсолютная влажность а, т.е. масса водяного пара, содержащаяся в единице объема газа (в г/м3, мг/м3, мг/л). Абсолютная влажность имеет тот же физический смысл, что и плотность водяного пара сп.

2.Упругость или парциальное давление водяного пара е, выражаемое в единицах давления — в мм рт. ст или в миллибарах.

Характеристики влажностных отношений

1.Влагосодержание d, т.е. отношение массы водяного пара к массе сухого газа в том же объеме, выраженное в безразмерных единицах (г/г, кг/кг). Эту величину можно также рассматривать как отношение плотности водяного пара к плотности сухого газа в одинаковых условиях. Реже используется отношение массы водяного пара к массе влажного газа, именуемое удельной влажностью. Эта величина, обозначаемая q, выражается в тех же единицах, что и влагосодержание d.

2.Объемное влагосодержание х, равное отношению объема водяного пара к объему газа. Эту безразмерную величину можно выразить по отношению к объему сухого или объему влажного газа; в первом случае будем ее

обозначать через х0, во втором — х.

Влагосодержание и объемное влагосодержание используют для характеристики весьма малых содержаний водяного пара В этом случае удобной единицей измерения является миллионная доля (м.д. — международное обозначение ррт); 1 м.д. = 10-6 = 10-4 % = млн-1. В литературе эту едини-

цу измерения влагосодержания часто обозначают рртщ (м.д. массовая), а долю объемного влагосодержания — ppmх (м.д. объемная).

3.Молярная доля водяного пара S, равная отношению числа моль водяного пара к общему числу моль влажного газа.

Температура точки росы

Термодинамическая температура точки росы (льда) фв(фл) влажного воздуха при давлении Р и отношении смеси d есть температура, при которой влажный воздух, насыщенный по отношению к воде (льду) при том же давлении Р, имеет влагосодержание, равное данному отношению смеси d. Следовательно, точка росы (льда) равна температуре, которую примет влажный газ, если охладить его изобарически до полного насыщения по отношению к плоской поверхности воды (льда). При одном и том же состоянии влажного воздуха, у которого фл < 0 °С, точка росы всегда ниже точки льда (фв < фл).

Относительная влажность

Относительная влажность ц равна отношению действительной влажности газа к его максимально возможной влажности, соответствующей насыщению при данной температуре. Следовательно, величина ц характеризует степень насыщения газа водяным паром и в связи с этим находит применение во многих отраслях науки и техники. Величина абсолютной влажности при постоянной

Глава 17. Датчики влажности

относительной влажности является функцией температуры. Относительная влажность выражается в относительных единицах (0 Ѕ ц Ѕ 1) или в процентах (0 Ѕ ц Ѕ 100%). Ее можно вычислить с помощью различных рассмотренных выше характеристик влажности. Зарубежные фирмы используют запись: % RH (Relative Humdity — относительная влажность). Например, 10% RH.

Методам измерения влажности газов и воздуха посвящена обширная литература [5—9, 15—22],

В промышленных условиях для измерения влаги в газах нашли наибольшее распространение гигрометры, основанные на конденсационном, кулонометрическом и частотном методах.

Метод точки росы

При повышении количества водяных паров в газе при постоянной температуре или при понижении температуры при постоянном количестве паров через некоторое время происходит насыщение газа водяными парами. При дальнейшем понижении температуры водяной пар становится перенасыщенным, и избыточная влага конденсируется и выпадает в виде росы. Температура, при которой происходит насыщение водяных паров и конденсация влаги, называется точкой росы, а гигрометры, основанные на этом принципе, получили название конденсационных (рис. 17.9)

Рис. 17.9. Схема зеркального конденсационного гигрометра: 1 — источник света; 2 — зеркальце; 3 — фотоприемник; 4 — микропроцессор; 5 — датчик температуры; 6 — управляемый охладитель; 7 — цифровой индикатор

Всправочной литературе приведены таблицы соответствия влажности газа температуре точки росы.

Фиксируя температуру в момент помутнения отражающей поверхности зеркальца, можно однозначно определить абсолютное содержание влаги в газе.

Всовременных конденсационных гигрометрах вычислительные операции возложены на микропроцессор.

Конденсационный метод является одним из основных промышленных методов контроля влажности различных газов и позволяет измерять влажность газа в широком диапазоне давлений и температур.

Их достоинства:

—большие пределы измерений в широком диапазоне температур и давлений, охватывающем низкие отрицательные температуры и высокие давления;

17.4.Методы измерения влажности газов

—удовлетворительная точность во всем диапазоне измерений; выходная величина, консервативная по отношению к температуре анализируемого газа;

—возможность градуировки по температуре, а не по влажности.

К недостаткам можно отнести: сложность конструкции; уменьшение точности измерения с увеличением относительной влажности; зависимость результата измерения от характера и состояния загрязненной поверхности зеркальца [5, 6].

Для охлаждения конденсационного зеркала можно использовать дроссельные микрохолодильники или термоэлектрические охлаждающие устройства (полупроводниковые элементы Пельтье).

Известен ряд моделей гигрометров точки росы французской фирмы Alnor Instr. Agmel с диапазонами от ­80 до +90 °С, ­100н—+20 °С и ­100—+50 °С (тип НСР 2Р).

Автоматический гигрометр точки росы Agmel представляет собой измерительную камеру (рис. 17.10) с золоченым полированным зеркалом, охлаждаемым термоэлектрическим охлаждающим устройством на основе эффекта Пельтье [5, 6].

Рис. 17.10. Схема гигрометра Agmel: 1 — конденсационное зеркало; 2 — измерительная камера; 3 — осветительная лампа; 4 — фоторезистор; 5 — смотровое стекло; 6 — термодатчик; 7 — показывающий прибор; 8 — термоэлектрическое охлаждающее устройство; 9 — холодопровод; 10 — регулятор температуры

При выпадении на зеркале росы из анализируемого газа, протекающего над зеркалом с расходом 0,08—0,4 л/мин, рассеивается отраженный световой поток и засвечивает светочувствительный слой фоторезистора, при этом регулятор включает подогрев зеркала, температура которого измеряется термодатчиком и показывающим прибором.

Представляет определенный интерес конструкция датчика конденсационного гигрометра, используемого в установке «Иней» для автоматического контроля и регулирования влажности [9, 15]. В гигрометре имеются рабочие и сравнительные зеркала, причем рабочее зеркало припаяно непосредственно к термометру сопротивления, который в свою очередь припаян к холодному спаю двухкаскадного термоэлектрического полупроводникового охладителя. Отличительной особенностью этого термометра является использование щетки для периодической очистки зеркала, закрепленной на валу электродвигателя. Вал со щеткой проворачивается на 360°, после чего поясок вала посредством толкателя воздействует на конечный выключатель, отключающий электродвигатель.