5. Методы и средства измерения влажности твердых и сыпучих тел

Методы условно можно разделить на две группы: прямые ме­тоды, основанные на определении влажности лабораторными методиками в пробах, и косвенные, основанные на определении влажности по параметру, функционально связанному с влажнос­тью.

В промышленных условиях применяются косвенные методы: кондуктометрический метод основан на свойстве капиллярнопористых тел поглощать влагу, что приводит к изменению их элек­трического сопротивления. [2].

Емкостный метод основан на свойстве твердых и сыпучих материалов изменять диэлектрическую проницаемость при изме­нении влажности. Изменение диэлектрической проницаемости определяют по изменению емкости конденсатора, между обклад­ками которого помещается анализируемый материал. [2 ].

Сушильные уста­новки по режиму работы делятся на сушилки периодич. и непрерывного действия. Как объ­екты регулирования их можно подразделить по динамич. св-вам на 2 группы: с большой инер­ционностью и малоинерционные. Инерцион­ность С. можно характеризовать постоянной времени процесса, равной времени, в течение к-рого избыточное влагосодержание сушимого материала уменьшается на 63%. В обычных конвективных сушилках 1-й группы запазды­вание в температурном канале теплоносителя составляет минуты, а постоянная времени объекта — десятки минут. К малоинерцион­ным относятся установки для С. токами ВЧ, в кипящем слое, для контактной С. тонких листовых материалов и т. д., в к-рых С. длится от, неск. сек. до неск. мин.

Сущность процесса С.: испарение влаги с поверхности материала; перенос тепла и пе­ремещение влаги внутри материала. Ход С. описывается:

а) кривой С., характеризующей изменение средней влажности W материала во времени (рис. 1.а); б) температурной кривой С., опи-

сывающей изменение темп-ры 6 материала в ходе С. (рис. 1,6). На этих кривых можно выделить: 1 — начальный период прогрева; 2 — период пост, скорости С.; 3 — период падающей скорости С. Длительность С. тс— интервал времени, необходимый для пониже­ния влагосодержания материала с начального значения WH до конечного И^,,,,; обычно И7КОН> > W , где W — равновесное влагосодержание. Задача автоматич. управления С.— прове­дение процесса в оптимальной режиме, т. е. при макс, производительности сушильной установки и макс, экономичности С. Специ-фич. для С. требование — улучшение каче­ства и получение необходимых «технология.» св-в материала: структурно-механич. (малая усадка, отсутствие трещин), биохимич. (со­держание витаминов и вкус пищевых про­дуктов, всхожесть семенного зерна) и др. САР сушильных установок можно разделить по ре­гулируемым величинам на САР параметров сушильного агента и САР параметров суши-мого материала.

Действие наиболее часто применяемых САР параметров сушильного ' агента сводится к автоматич. регулированию (большей частью стабилизирующему) темп-ры и влажности, а иногда и др. параметров агента С. В САР

конвективной камерной сушилки периодич действия (рис. 2) режим С. задается значе^ ниями темп-ры (0 и относит, влажности воа-духа <р„, к-рые не­обходимо поддер­живать постоян­ными на всем про -тяжении С., дли­тельность к-рой тс также задана за­ранее. Кроме того, стабилизируется и скорость воздуха. Регулятор темпе­ратуры РТ воздей­ствует с помощью регулирующего о р-гана РОТ на пода­чу теплоносителя в подогреватели

воздуха, а регулятор влажности РВ посред­ством регулирующего органа РОВ изменяет кратность циркуляции воздуха или управляет работой увлажнит, устройства. Величины t и ф регулируются по 2 раздельным контурам. Рассмотренная схема имеет ряд недостат­ков, характерных для метода в целом. Реаль­ный объект регулирования состоит из 2 емко­стей: воздуха в сушильном пространстве и сушимого материала — объекта всего процес­са. Состояние материала в ходе сушки харак­теризуется, по меньшей мере, 3 параметрами: темп-рой материала в, его влажностью W и технологич. показателями Я. Система регули­рования замкнута по параметрам t и <рг лишь косвенно связанным с параметрами ма­териала. Информация о величинах 8, W и Я не передается автоматич. регуляторам. В ре^-. альньгх условиях действуют возмущения (колебания WBa4, состава, физнч. св-в, формы и поступления материала и др.), к-рые не могут быть полностью компенсированы регулято­рами параметров воздуха. В таких системах часто наблюдается недосушка или пересушка материала и ухудшение его качества в резуль­тате С.; параметры режимов С. приходится устанавливать весьма осторожно, с запасами, что препятствует интенсификации процесса.

Более совершенны системы, в которых регу­лируемой величиной является влажность ма­териала, а главным регулятором процесса сушки — автоматический. влагомер. Такой метод широко применяется при контактной С. бу­мажного полотна и текстильных тканей на сушильных барабанах (рис.4).

Электронный регулятор влажности состоит из кондукто-метрического. влагомера — роликового датчика Д, установленного на выходе материала из сушиль­ных цилиндров, измерит, схемы И и регули­рующего прибора Р с релейным устройством РУ. Регулирующие импульсы воздействуют на электродвигатель Э, изменяющий скорость привода П сушильной машины. Регулирова­ние осуществляется по отклонению влаж­ности W от заданной величины W, и по про­изводной dWjdf. Обратная связь по скорости движения ткани v осуществляется тахогенератором ТГ. Наряду с сигналом, пропорц. ско­рости v (жесткая обратная связь), в регулятор вводится через дифференцирующее устрой­ство сигнал, пропорц. производной от ско­рости по времени (гибкая обратная связь).

Блокировочное устройство В, связанное с вы­ходом тахогенератора, выключает регулятор при остановке машины и ограничивает ско­рость v заданным макс, значением.

Задача улучшения качества регулиро­вания С. решается проще применением регу­лятора с дополнит, импульсом. Основной дат­чик измеряет влажность материала, выходя­щего из сушилки. Дополнит, импульс посту­пает от аналогичного датчика, установлен­ного в промежуточной точке сушильного аппарата и измеряющего влажность материа­ла в этой точке.

Наименее эффективно использование авто-матич. влагомера в сушилках периодич. дейст­вия для фиксации достижения материалом заданного конечного значения влажности, т. к. в этом случае влагомер не влияет на про­цесс С. Автоматич. влагомер может управлять длительностью С. или подачей влажного мате­риала (в установках непрерывного действия). При этом независимые стабилизирующие ре­гуляторы поддерживают постоянными основ­ные параметры сушильного агента. Такие си­стемы позволяют получить сухой продукт с заданной влажностью и заданными техно­логическими св-вами, но не обеспечивают интенсификации процесса С.

Влагомер газов гигроскопический электрохимический (В.Г.Г.Э.) - прибор для из­мерения влажности газов, в котором исполь­зуется зависимость от измеряемой влажности электрохимических свойств поверхностного слоя гигроскопического вещества, находящегося в гигротермическом равновесии с парогазовой смесью.

Влагомеры газов гигроскопические электрохимические разделяются на два вида: с гигроско­пическим веществом практически нерастворимым в воде и с веществом водо­растворимым. И те, и другие выполняются и как полуавтоматические приборы для разовых измерений и как непрерывно действующие автоматические приборы.

Действие влагомеров газов гигроскопических электрохимических с нерастворимым гигроскопическим веществом основано на зависимости сорб­ции и десорбции твердым диэлектриком влаги газа от упругости водяного пара и температуры парогазовой смеси. При применении тел из непористых диэлектриков с гладкой поверх­ностью (стекло, глазурованный фарфор и т. п.) имеет место чисто поверхностная адсорбция, а тел с развитой поверхностью (оксидные плен­ки, порошки, микропористые диэлектрики, волокна и ткани и др.) — поверхностно-объем­ная абсорбция влаги. Количество сорбируемой влаги определяет поверхностное пли, соответ­ственно, смешанное поверхностно-объемное электрическое сопротивление чувствительного эле­мента влагомера, которое и служит морей влаж­ности газа. Характеристики В.Г.Г.Э. этого вида, обычно именуемых электрическими сорбционными, не вполне стабильны, мало воспроизводимы и подвержены большому влиянию температуры. Поэтому, несмотря на очень большое число предложенных моделей, эти В.Г.Г.Э. применяются практически мало.

Напротив, большое значение приобрели серийно выпускаемые В.Г.Г.Э. с водорастворимым гигроскопическим веществом. Таковым, как правило, служит обладающий надлежащими свойствами электролит, образующий влагой окружающего газа водный раствор, концентрация которого является функцией влажности газа. Поэтому В.Г.Г.Э. этого вида называется так­же электролитическими. Электролит применяют или в форме осажденной на электроизоляционную подложку поликристаллической пленки, или в виде слоя вязкой пасты из по­рошка кристаллизованного электролита и пленкообразующей связки (напр., растворов поливинилацетата). Существуют три группы электролитических В.Г.Г.Э.:

1) Кондуктометрические, в которых используется зависимость электропроводности раствора от его концентрации. Электропроводность изме­ряется в схеме моста полем тока (во избежание электролиза раствора электролита). Элект­ролитом, как правило, служит хлористый литий, слой которого нанесен или на полый ци­линдр из диэлектрика, или на плоскую пла­стину. Изморит, электродами при цилиндрическом основании служат дно золотые или платиновые проволоки, уложенные на некотором рас­стоянии параллельно друг другу, а при пло­ском - две входящие друг в друга гребенки, выполненные по типу печатной схемы. Проволоки или, соответственно, гребенки раз; сле­пы дорожками из слоя электролита, сопротивление которых является мерой влажности. Вследствие очень большого изменения электрического сопротивления от влажности (в 100 раз при изменении относительной влажности на 15 - 25%) чувствительные элементы кондуктометрические В.Г.Г.Э. не могут без увеличения погрешностей перекрыть широкий диапазон значений влaжности: поэтому их выполняют для oпределен­ных ограниченных интервалов значений влажности (напр., от 1,2 до 6% относительной влажности, или от 81 до 99% и т. п.). Для перекрытия широко­го диапазона измерительные преобразователи со­ставляют из набора нескольких чувствительных элемен­тов. Основной недостаток кондуктометрических В.Г.Г.Э. — большая зависимость электропроводности электролита от температуры (порядка 2%/град). Ее влияние может быть снижено применением электрических схем температурной коррекции.

2) К у л о н о м е т р и ч е с к и е В.Г.Г.Э.., в которых количество сорбированной воды опре­деляется в соответствии с законами Фарадея по количеству электриче­ства, затрачиваемого на ее электролиз. Досто­инством этиx приборов является их абсолютная градуировка и чрезвычайно высокая чувствительность.

Рис. 1. Измерительный преобразователь температурно-равновесного влагомера: 1-верхняя втулка; 2 и 4- вывод первой и второй ниток нагревательной обмотки; 3- выводной проводник преобразователя электрического термометра сопротивления; 5 и 6- 1-ая и 2-ая нитки нагревательной обмотки; 7- чулок из стекловолокна; 8- слой электроизоляционного лака; 9- трубчатый металлический каркас; 10- измерительный преобразователь электрического термометра сопротивления; 11- нижняя втулка.

При непрерывном автоматическом измерении влажности кулонометрическим методом он превращается в амперометрический, условием применимости которого является строгое постоянство расхода газа через прибор. Так как эти В.Г.Г.Э. предназначаются в основном для контроля малых влажностей технологических газов, а не высокой влажно­сти атмосферного воздуха, конструкции чувствительного элемента (кулонометрические ячейки) отличаются от устройства соответствующих элементов кондуктометрических В.Г.Г.Э. тем, что в них гигроскопический слой и электроды расположены внутри проточной трубки, чтобы отделить контролиру­емый газ от окружающего воздуха. Гигроскопическим веществом служит фосфорный ангидрид, полностью поглощающий по уравнению , всю влагу из воздуха (при ее концентрации не более 0,1% (объемн.), потоке 100 мл/мин, длине ячейки 1 и внутреннем диаметре ячейки от 0,5 до 2,5 мм).

Рис.2. Измерительный преобразователь кулонометрического влагомера: 1- металлический корпус; 2- кулонометрическая ячейка; 3- заполнение заливочным компаундом; 4- пластмассовый несущий сердечник; 5- выводы электролизерных электродов.

Для компактности измерительного преобразователя ячейка свертывается в спираль (puc.2). К платиновым электродам прикладывается напряжение постоянного тока от 45 до 2В в зависимости от предела измерения. Се­рийно выпускаемые пе­реносные и стационар­ные модели этих при­боров изготовляются с пределами измерения: минимум от до % (объемн.) и максимум от 0,02 до 2% (объемн.), что соответствует температурам точки росы от -75° до +20°C. Пределы измерения вверх могут быть расширены разбавлением контролируемого влажного газа сухим (напр., азотом). Погрешность серийных моделей кулонометрических В.Г.Г.Э. составляет ±5% от номинального значения шкалы данного предела измерения. Постоянная времени - не более 30 сек. Срок службы кулонометрической ячейки принципиально неограничен, т. к. в процессе электролиза происходит регене­рация фосфорного ангидрида. В сочетании с редукторами и обогревателями кулонометрических В.Г.Г.Э. могут служить для измерения влажности сжатых газов под давлением до 700 am. Они находят также применение для измерения влажности жидкостей. Кулонометрические и температурно-равновесные приборы являются наиболее прогрессивными из В.Г.Г.Э.