книги из ГПНТБ / Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств учебник

Поэтому кривые, характеризующие зависимость сопротивления от

электрическая проницаемость е и тангенс угла диэлектрических потерь tg б твердых капиллярно-пористых и жидких веществ, относящихся с точки зрения физики диэлектриков к макроскопи­ чески неоднородным диэлектрикам, в большой степени зависят от их влажности. Связь между этими величинами определяется комплексной диэлектрической проницаемостью

e* = e ' - / e ' = B ' ( l - / t g 6) = e ' - / - £ - ,

wt0

где е' — активная составляющая диэлектрической проницае­ мости;

е" — коэффициент диэлектрических потерь;

к— электропроводность;

е0 — абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума; со — круговая частота приложенного электрического поля.

Очевидно, что и емкостный преобразователь, заполненный вла­ госодержащим веществом, должен характеризоваться комплекс­ ной электрической емкостью, численные значения которой зависят от влажности материала.

Связь между измеряемыми параметрами исследуемого веще­ ства (е, tg б) и влагосодержанием можно получить из расчета

440

должно в значительной степени влиять на величину комплексной

*

Из выражения для ев можно получить связь между измеряе­

мыми значениями диэлектрической проницаемости ев влажного материала, тангенсом угла диэлектрических потерь влажного ма­ териала tg 6В и влагосодержанием W, входящим в ем, Дер и тр:

Дер

ев — 8М

1+ оЛ 2 ;

ДЕрСОТр

tg бв =

^ + “2'tp )+ Aep

Подставляя значения ем, Дер и тр, выраженные через пара­ метры сухого материала и воды, в формулы для определения ди­ электрической проницаемости ев и тангенса угла диэлектрических потерь tg 6р влажного материала, получим связь между влаго­

441

содержанием W и измеряемыми параметрами емкостного преобра­ зователя:

эквивалентной емкости преобразователя, которая определяется диэлектрической проницаемостью влажного материала.

На рис. 307 приведена резонансная схема влагомера с резким

срывом генерации в генераторе, стабилизированном по частоте кварцем.

Прибор состоит из генератора, собранного на лампе Л1. Коле­ бательный контур генератора, находящийся в анодной цепи, со­ стоит из катушки индуктивности L, переменных конденсаторов: градуировочного Сг, подстроечного Сп и емкостного преобразова­ теля Сх, заполненного анализируемым материалом.

При ^возникновении высокочастотных колебаний, вследствие подстройки конденсаторов Ср или Сп, анодный ток лампы Л1

442

резко уменьшается. В то же время из-за сеточных токов на сетке лампы возникает отрицательный потенциал относительно катода. Высокочастотные колебания возникают, когда собственная

Измерение производится следующим образом. При пустом пре­ образователе Сх и максимальном значении Сг путем подстройки конденсатора Сп добиваются возникновения генерации. Затем преобразователь Сх заполняется анализируемым материалом и с помощью конденсатора Сг вновь добиваются возникновения гене­ рации. Разность двух отсчетов Сг дает величину, пропорциональ­ ную диэлектрической проницаемости или влажности материала. Для определения влажности различных сред пользуются градуи­

ровочными графиками или таблицами, составляемыми для каж­ дого из материалов.

Диапазон измерения влажности 4—40%, чувствительность из­

мерения <j 0,001, собственная частота кварца 1,88 МГц.

Лампа Л 2 является выпрямителем, а сопротивление Яф и конден­ саторы Сф образуют П-образный фильтр выпрямленного напряже­ ния. Для уменьшения влияния изменения электропроводности контролируемого материала на точность измерений преобразова­ тель Сх шунтируется сопротивлением R3. Изолировать электроды преобразователя от анализируемого материала нецелесообраз­ но, так как это значительно снижает чувствительность схемы. Преобразователь соединяется с измерительной схемой прибора коаксиальным кабелем.

Влагомеры, в которых используется принцип срыва колеба­ ний, могут применяться для материалов, удельное сопротивление которых не менее 0,5 -102 -ь2- 10а Ом-м. В этом случае, когда преобразователь заполняется материалом с меньшим удельным сопротивлением, колебательный контур имеет очень низкую до­ бротность и генерация может не возникнуть. Преимущество таких приборов состоит в том, что на их показания не влияет колебание напряжения источника питания.

Диэлектрическая проницаемость большинства веществ зависит от температуры, поэтому при измерении влажности в лаборатор­ ных условиях температура вещества поддерживается постоянной путем термостатирования преобразователя. В промышленных вла­ гомерах должна быть предусмотрена автоматическая темпера­ турная компенсация. Наиболее просто такая компенсация выпол­ няется путем подключения к преобразователю конденсатора с тем­ пературным коэффициентом, равным температурному коэффи­ циенту исследуемого материала, но с обратным знаком. Кроме того, температурная компенсация может быть осуществлена путем подбора размеров и материалов преобразователя с соответству­ ющими температурными коэффициентами с тем, чтобы измене­

443

кулы воды являются диполями и под влиянием переменного элек­ трического поля приходят в колебательное движение. Частота

ческой оптики (в частности, без учета отражений), введение плоско­ параллельного слоя толщиной L между источником и приемни­ ком с. в. ч. вызовет изменение выходного параметра преобразова­

теля:

L

Л£ = 1п4 д у = | «(ОЛ;

ивещественная составляющие волнового числа у =

=Р + /а, характеризующего условия распростра­ нения электромагнитного колебания.

Раскрывая зависимость между а, р и диэлектрическими по­ стоянными среды (е, tg б), можно составить уравнения для ослаб-

444

ления и фазового сдвига радиоволны, прошедшей через влажный материал:

(271)

(272)

Так как е и tg б воды в десятки раз больше, чем для сухого материала (кроме сегнетодиэлектриков и растворов электролитов), то, естественно, что с изменением содержания влаги в веществе резко меняются его диэлектрические постоянные; другими сло­ вами— ослабление и фазовый сдвиг являются функциями влаж­ ности.

Обычно величину ослабления выражают в децибелах:

афазовый сдвиг — в угловых градусах. Учитывая, что реальные влажные материалы неоднородны и что при взаимодействии радио­ волны с веществом возникают чисто волновые явления дифракции и интерференции, уравнения (271) и (272) не могут быть исполь­ зованы для расчетов выходной величины влагомера (т. е. А и Дер),

амогут служить лишь для объяснения принципа его работы. По­ этому при измерениях влажности с. в. ч. методом пользуются кри­ выми, получаемыми в процессе градуировки прибора.

На рис. 309 показаны блок-схемы наиболее распространенных разновидностей с. в. ч. влагомеров, работающих по принципу ослабления, и фазовых.

Генератор с. в. ч. 1 вырабатывает синусоидальные колебания строго фиксированной частоты, которые, с целью дальнейшего их усиления, модулируются прямоугольными импульсами, генери­ руемыми модулятором 2. С помощью передающей антенны 3 узкий пучок радиоволны направляется на образец 4 влажного материала. Прошедшая через него электромагнитная энергия улавливается приемной антенной 5, подается на измерительный аттенюатор 6

ипоступает на полупроводниковый диод 7, выделяющий сигнал низкой частоты, который усиливается усилителем низкой частоты 8

иизмеряется микроамперметром 9.

Процесс измерения состоит в следующем. В отсутствие влаж­ ного образца вводят аттенюатор на величину А х и добиваются определенного положения стрелки прибора 9. Вносят образец в измерительное пространство, уменьшают ослабление, вносимое аттенюатором, до величины А 2 при тех же показаниях прибора 9. Разность А х — А 2 = А, выраженная в децибелах, и будет равна ослаблению энергии во влажном материале. Пользуясь предвари­ тельно построенной зависимостью A (W7), где W — влажность ма­ териала, выраженная в процентах по отношению к массе влаж­ ного образца, можно определить величину W.

4 4 5

В отличие от описанного метода, в работе влагомера фазовых с. в. ч. (рис. 309, б) используется зависимость Дф (W), где Дф— сдвиг фазы, выраженный в угловых градусах. Влагомер работает следующим образом. Колебания с. в. ч. также вырабатываются генератором 1, модулируются низкочастотным модулятором 2 и в делителе 11 развертываются на два канала — опорный и измери­ тельный. В первом фазовращателе 10 с помощью передающей и приемной антенн измеряется фаза сигнала так, чтобы он стал

4

В делителе 12 оба сигнала смешиваются. Величина напряженности электромагнитного поля в делителе 12 измеряется той же схемой, что и на рис. 309, а. В момент синфазности колебаний, прошедших через опорную и измерительную ветви, показания микроампер­ метра 9 будут минимальными или равными нулю. Мерой влажности материала является фазовый сдвиг Дф, вносимый фазовращате­ лем 10. Перед использованием фазового влагомера также необ­ ходимо провести его градуировку.

Погрешность, достигнутая при измерениях на фазовом влаго­ мере и по ослаблению, не превышает 0,5% влажности. Помимо лабораторных приборов имеются также автоматические варианты влагомеров, пригодные для контроля материалов в потоке. Метод с. в. ч. бесконтактный и безынерционный, менее чувствителен к наличию электролитов в материале и неравномерному распре­ делению влаги в образце по сравнению с другими электрическими методами. Однако, как и все методы влагометрии, в которых ис-

446

пользуется излучение различной природы, он также нуждается

впостоянной степени уплотнения контролируемого материала или

винформации о его плотности.

Фазовые влагомеры с. в. ч. имеют перед влагомерами по ослаб­ лению некоторые преимущества. На их точность меньше влияют колебания химического состава материала, поэтому они могут применяться для контроля веществ с переменным составом твер­ дой фазы. Основной недостаток влагомеров с. в. ч. — сложность аппаратурного оформления.

Метод ядерного магнитного резонанса (я. м. р.). В основе метода лежит поглощение энергии радиочастотного магнитного поля ядрами атомов водорода (протонами) из состава воды, содер­ жащейся в материале.

Ядро атома водорода (протон) можно рассматривать как заря­ женный шарик, обладающий механическим и ядерным магнитным моментом и вращающийся вокруг своей оси. Если такойвращаю­ щийся магнитик поместить в постоянное внешнее магнитное поле, то его ось начнет вращаться вокруг направления магнитного поля с угловой скоростью

«о = уН о>

где у — гиромагнитное число, характеризующее отношение ве­ личины магнитного момента ядра к его механическому моменту;

Я 0 — напряженность внешнего магнитного поля.

При воздействии на протон дополнительного переменного ра­ диочастотного поля Н ъ вектор напряженности которого вращается или колеблется и перпендикулярен полю Я 0, на магнитик (магнит­ ный диполь) будет действовать пара сил, стремящаяся изменить угол между вектором напряженности поля Я 0 и вектором магнит­ ного момента диполя.

Если при этом частота и направление переменного радиочастот­ ного поля Н г совпадают с угловой скоростью со0 и направлением прецессии диполя, то наступит своеобразный резонанс — ядерный магнитный резонанс.

Интенсивность поглощения исследуемым образцом энергии при ядерном магнитном резонансе пропорциональна числу протонов водорода в единице объема исследуемого вещества; следовательно, по величине поглощения можно однозначно оценить влагосодержание.

пускается от специального генератора переменный ток высокой частоты. Резонанс достигается либо сохранением постоянства на­

447

Поглощение радиочастотной энергии определяется по пара­ метрам высокочастотного колебательного контура, в который входит катушка с исследуемым образцом.

На рис. 310 показана блок-схема влагомера на я. м. р. Цилин­ дрический сосуд 1 с исследуемым материалом помещается между полюсами 2 и 3 постоянного магнита, создающего в образце маг­ нитное поле определенной напряженности. Сосуд с образцом за­ полняет внутреннюю полость катушки 4, входящей в параллель-

2 5 6 8 7 1 9

регистрируется измерительным прибором 9. Прибор градуируется по материалу с известной влажностью. Недостатки метода я. м. р.— необходимость отбора пробы и сложность аппаратуры.

Нейтронный метод. Водородсодержащие среды (в частности, вода) являются эффективными замедлителями быстрых нейтронов, что служит физической основой для создания приборов, измеряю­ щих влажность различных твердых материалов. Если облучить влажный материал быстрыми нейтронами и сосчитать количество медленных нейтронов, полученных в результате рассеяния ней­ тронного потока в материале, можно определить количество атомов водорода и косвенно — влагосодержание материала. Чем больше количество медленных нейтронов, тем выше влагосодержание ма­ териала.

Для получения быстрых нейтронов во влагомерах используют обычно радий-бериллиевые источники, представляющие собой за­ паянную в металлическую гильзу смесь порошков радия и берил­ лия. Срок службы такого источника практически не ограничен (период полураспада 150 лет).

448

В качестве приемника тепловых нейтронов используются бор­ ные газоразрядные счетчики, у которых либо катод покрывается аморфным бором, либо в газовой смеси содержится фтористый бор. Такие счетчики нечувствительны к быстрым нейтронам.

На рис. 311 показана принципиальная схема нейтронного вла­ гомера для измерения абсолютной влажности сыпучих материалов. В приборе изменение влажности преобразуется в напряжение по­

вводимого в объект измерения 2; интегрирующего радиометра 3; сетевого источника питания и кабеля 4, связывающего преобра­ зователь с радиометром. Объект измерения должен иметь размеры не^менее 300 х 300 X 300 мм. Преобразователь представляет со­ бой тонкостенную дюралевую герметичную гильзу 5 диаметром 40—50 мм и длиной 200—250 мм, в которой помещены источник 6 быстрых нейтронов интенсивностью около 106 нейтронов в секунду и цилиндр из плексигласа с тремя продольными пазами, внутри которых размещены у-счетчики 7, экранированные листовым кад­ мием. Между источником нейтронов и плексигласовым цилиндром со счетчиками находится свинцовый разделитель 8.

Импульсы от счетчиков по кабелю передаются на радиометр с интегрирующей ячейкой, с которой снимается напряжение, про­ порциональное частоте поступления импульсов, т. е. влажности исследуемого материала. Для контроля работы прибора и учета распада источника нейтронов преобразователь может переме­ щаться потрубке 9 в эталонный замедлитель нейтронов из пара­ фина или плексигласа.

Погрешность влагомера не превышает ±0,5% при влажности исследуемого материала (кварцевый песок) 2—12%.

29 М , В . Кулакрв