Измерение влажности

Влажность газов, твердых и сыпучих тел — это один из важных показателей целого ряда технологических процессов и производств легкой и текстильной промышленности.

В тех производствах, где имеется влажно-тепловая обработка материала и воздушно-конвективная сушка, влажность материала после сушки или отжима, а также влажность воздушной среды внутри сушилок и отработавшего воздуха являются главными параметрами качества проведения технологического процесса и его технико-экономических показателей.

Влажность различного рода волокна, кожевенного полуфабриката, сыпучих химикатов, древесной щепы и пр.— далеко не полный перечень материалов текстильной, кожевенной, трикотажной и обувной промышленности, где этот параметр является важнейшим для исходного сырья и при расчетах с поставщиками.

Влажность — понятие неоднозначное при применении его к газам и твердым материалам. Методы измерения влажности газов и материалов существенно отличаются.

Влагомеры для газов

Влажным газом называется смесь газов, в которой содержатся пары воды. В интервале температур 0...100 °С содержание водяных паров в смеси газов может быть различным, но каждой температуре соответствует некоторое определенное количество водяного пара, выше которого оно подниматься не может. Если содержание водяных паров в смеси газов при данной температуре не достигло предельного значения, газ называется ненасыщенным влажным газом. Смесь газов, в которой содержание водяного пара при данной температуре достигло возможного максимума, называется насыщенным влажным газом.

С изменением температуры состояние влажности смеси газа меняется. При повышении температуры из насыщенного влажного газа смесь газов превращается в ненасыщенную, и наоборот. Предельное значение содержания водяного пара в газовой смеси зависит не только от температуры, но и от давления. С повышением давления газовой смеси содержание водяного пара, соответствующее состоянию насыщения, понижается, а при понижении давления — повышается.

Общее давление газовой смеси р равно сумме парциальных давлений газов, составляющих эту смесь. Парциальным давление каждого входящего в смесь газа называется давление, которое имел бы этот газ, если бы он один при той же температуре, занимал тот же объем, что и смесь

где р_г—парциальное давление сухого газа; р_в.п.—парциальное давление водяных паров.

Плотность влажного газа определяется суммой плотностей сухого газа и пара , взятых при парциальных давлениях.

Содержание влаги в газе характеризуется его абсолютной или относительной влажностью.

Масса водяного пара в 1 м³ газа называется абсолют­ной влажностью. Абсолютная влажность может характери­зоваться различными величинами:

1) массой водяного пара в 1 м³ газа в рабочем состоянии, что численно равняется плотности водяного пара при данной его темтературе и парциальном давлении (f, г/м³);

2) массой водяного пара в 1 м³ влажного газа при нормаль­ных условиях, т. е. при t=0°С и f_н.вл, г/ м³;

3) массой водяного пара в 1 м³ сухого газа при нормальных условиях (f_н.сух.г/м³) — влагосодержание.

Абсолютную влажность, отнесенную к сухому газу ???, по извест­ной абсолютной влажности, отнесенной к влажному газу, и наобо­рот, определяют по соотношениям

где 804 — плотность водяного пара, отнесенная к объему газа при нормальных условиях, г/м³ ???.

При охлаждении влажного газа водяные пары, находящиеся в нем, начинают конденсироваться. Температура t_р, при которой водяные пары в газе достигнут насыщения, называется точкой росы.

Отношение плотности водяного пара в газовой смеси к макси­мально возможной плотности водяного пара ρ_max при той же температуре или отношение абсолютной влажности при нормаль­ных условиях к абсолютной влажности при полном насыщении называется относительной влажностью φ, или степенью насыщения газа.

Относительную влажность газа φ можно выразить как отноше­ние парциальных давлений водяного пара в данной газовой смеси к в насыщенной газовой смеси при той же температуре:

Величины приведенные в формулах, имеются в специальных таблицах.

Для измерения влажности газа более широко применяют следующие методы: психрометрический, при котором влажность газа определяется по разности температур сухого и мокрого термометров; гигрометрический, основанный на измерении линейных размеров или электрических параметров влагосорбирующего материала; весовой; конденсационный (точки росы).

Психрометры. Психрометрический метод основан на психрометрическом эффекте, т. е. на зависимости скорости испарения влаги от влажности окружающей среды. Психрометр состоит из двух одинаковых термометров, у одного из которых, называемого мокрым, чувствительная часть все время остается влажной, так как на нее надет постоянно смачиваемый чулок. При омывании газом чувствительной части мокрого термометра вода испаряется. Так как на испарение воды с поверхности термометра затрачивается теплота, температура термометра понижается. В результате возникает разность температур между сухим и мокрым термометрами.

Чем суше газ, тем выше скорость испарения, тем больше теплоты затрачивается на испарение влаги, тем больше разность температур между термометрами.

Психрометрический эффект определяется зависимостью между парциальным давлением пара в парогазовой смеси и показаниями сухого и мокрого термометров:

где ρ_н.м — парциальное давление насыщенного пара при температуре смеси t_см;

р — парциальное давление пара;

А — психрометрическая постоянная;

В — барометрическое давление; t_c и t_м — температуры сухого и мокрого термометров.

Относительную влажность вычисляют следующим образом:

где р_н.с. — парциальное давление насыщенного пара при температуре t_c.

В связи с тем что р_н.м. и р_н.с однозначно определяются по t_м и t_c, если А = const, можно получить зависимость:

Величину А определяют конструктивными и другими особенностями мокрого термометра.

По этой разности температур, называемой психрометрической разностью, относительная влажность газа может быть найдена по специальным номо­граммам (рис. 1) и психромет­рическим таблицам.

Рис. 1. Зависимость отно­сительной влажности от темпера­туры мокрого и сухого термо­метров

В плечо моста 1 (рис. ХШ-2) автоматического психрометра, пред­назначенного для измерения влаж­ности воздуха, включен сухой термо­преобразователь сопротивления 4, в плечо моста 2 — мокрый термо­преобразователь сопротивления 3. Разность потенциалов на верши­нах диагонали моста 1 пропорцио­нальна температуре сухого термо­метра. Разность потенциалов на вер­шинах а и с диагонали моста 2 про­порциональна температуре мокрого термометра.

Мосты 1 и 2 работают в неравновесном режиме; таким образом, на вершинах b и с диагонали двойного моста имеется разность потенциалов, пропорциональная разности температур сухого и мокрого Термометров, т. е. психрометрической разности.

Напряжение, усиленное с помощью электронного усилителя 6, подается на реверсивный двигатель 5, перемещающий движок реохорда и связанный с ним указатель шкалы до положения равновесия измерительной схемы. При этом положение движка реохорда является мерой психрометрической разности, т. е. относи­тельной влажности контролируемого газа. Таким образом осуществляется непрерывное автоматическое измерение относи­тельной влажности.

Аспирация термометров осуществляется с помощью вытяжного устройства, вентилятор которого отсасывает воздух измеряемой среды, обдувает им термопреобразователи сопротивления. Вода для смачивания чулка мокрого термопреобразователя сопротивле­ния поступает из специального бачка автоматически постоянно.

Выпускаемый серийно психрометрический автоматический гигрометр типа АПГ

-

Рис.2. Схема автоматического психрометра с термопреобразователем сопротивления

206 имеет пределы измерения влажности 34...90°С точки росы, при измерении температуры измеряемого газа —40...200°С. Допустимая основная абсолютная погреш­ность устройства ±8°С точки росы. Расход измеряемой газовой смеси через прибор 20...30 л/мин. Время установления показаний гигрометра 90 с. Прибор состоит из устройства отбора пробы, первичного и промежуточного преобразователей, а также авто­матического потенциометра КСПЗ-П.

Электрические гигрометры. В гигрометрическом методе изме­рения влажности газов использована зависимость электрических параметров влагосорбирующих материалов от влажности газов, при этом чувствительный элемент находится в гигрометрическом равновесии с измеряемым газом. В промышленности применяют следующие разновидности датчиков электрических гигрометров: электролитические, электролитические с подогревом и сорбционные. В электролитических гигрометрах содержится влагочувствительный элемент с электролитом.

Изменение влажности газа вызывает изменение количества влаги, содержащейся во влагочувствительном элементе, что при­водит к изменению концентрации электролита в нем и соответ­ствующему изменению его сопротивления или электропроводности.

В качестве электролита чаще всего применяют хлорид лития. Измерительные схемы электролитических гигрометров представ­ляют собой различные варианты мостовых измерительных схем.

Серийный измерительный преобразователь относительной влажности типа ДЭВС предназначен для измерения относитель­ной влажности воздуха. Чувствительным элементом датчика влаж­ности является стеклонить, пропитанная неконцентрированным раствором хлористого лития. Сопротивление стеклонити, измеряе­мое между электродами датчика зависит от относительной влаж­ности и температуры воздуха. Пределы измерения преобразова­теля 30...40 и 60...85 %. Погрешность измерения при темпера­туре 0...35 и 5...35°С. Погрешность измерения на всем темпера­турном диапазоне ±3 %.

Электролитические гигрометры с подогревом по своему устрой­ству близки к электролитическим без подогрева. Однако прин­ципы действия их различны. Изменение электропроводности дат­чика вследствие изменения влажности газа вызывает изменение его температуры. Таким образом автоматически поддерживается режим, соответствующий равновесному состоянию между пар­циальным давлением паров воды в анализируемом газе и парциальным давлением пара над насыщенным раствором электролита. Температура, соответствующая этому равновесию, измеряется каким-либо термометром.

Чувствительный элемент электролитического гигрометра с подогревом (рис. ХШ-3) представляет собой тонкостенную трубку 1, покрытую стеклянной ватой, пропитанной раствором хлористого лития. На стеклянную вату намотаны изолированные друг от друга спирали 4 из серебряной проволоки. Сверху на элемент надевается металлическая трубка с сетчатой вставкой 5, которая задерживает сильные газовые струи. Внутри трубки 1 помещается малоинерционный термопреобразователь сопротивления 3, к которому подключен измерительный (вторичный) прибор 2. Серебряные спирали питаются переменным током напряжением 24 В.

Рис.3 Схема электрического гигрометра с подогревным электро­литным датчиком

Рис. 4. Схема электрического влагомера с пленочным датчиком ДИВ2

При подаче напряжения на серебряные спирали через раствор хлористого лития проходит электрический ток, вызывающий нагрев раствора. Раствор нагревается до температуры кристаллизации хлористого лития; образование твердой соли приводит к резкому увеличению сопротивления между электродами, ток уменьшается, и температура датчика понижается. Понижение температуры продолжается до тех пор, пока вследствие поглощения влаги из окружающей среды проводимость раствора между электродами не повысится вновь, что повлечет за собой увеличение тока и повышение температуры датчика.

Таким образом, температура в датчике автоматически поддерживается на уровне равновесной, соответствующей влажности окружающей газовой среды. Для точного измерения влажности температура исследуемого газа должна быть ниже равновесной температуры чувствительного элемента, но выше точки росы. Вторичный прибор 2, подключенный к термопреобразователю сопротивления, градуируется в единицах абсолютной влажности.

Выпускаемый серийно гигрометр-сигнализатор подогревный ГП-215 имеет преобразователь влажности и преобразователь температуры, которые подключены к промежуточному преобразователю. Пределы измерения относительной влажности 15...80 %. Шкала прибора 10... 100 % относительной влажности. Допустимое значение основной абсолютной погрешности при температуре измеряемой среды ±3 %. Время установления показания прибора 90 с.

В сорбционных гигрометрах используется изменение физических свойств сорбционных материалов (керамики, микропористых материалов, оксида алюминия и др.) от содержания в них влаги, которое определяется влажностью газа.

Как правило, с изменением влагосодержания изменяется либо электрическое сопротивление, либо емкость, либо тангенс диэлектрических потерь, либо какой-нибудь другой параметр измерительного преобразователя.

Рис. 5. Диаграммы области применения подогревных датчиков влажности:

а—для измерения температуры точки росы; б — для измерения относительной влажности

Гигрометр для измерения относительной влажности воздуха ВВ-2 состоит (рис. 4) из пленочного хлористолитиевого датчика ДИВ-2 и вторичного самопишущего прибора — автоматического моста. Датчик влажности содержит влагочувствительный элемент Rφ и терморезистр R_T. На сопротивление первого влияют относительная влажность и температура окружающего воздуха, сопротивление второго подобрано таким образом, чтобы отношение Rφ/ R_T не зависело от температуры и являлось функцией только относительной влажности воздуха. Датчик включен в два смежных плеча моста переменного тока вторичного прибора. Предел измерения относительной влажности 40... 90 %, погрешность измерения 3,5...4,5 %. К недостаткам электрических гигрометров следует отнести нестабильность их градуировочных характеристик, а также влияние температуры и концентрации растворенного вещества (электролита) на их показания. На рис. 5 приведены диаграммы областей работы

подогревных хлористолитиевых датчиков влажности, где 1 — не­устойчивая работа, 2— нормальная работа и область 3 — работа с ограниченным сроком службы датчика. Из диаграмм видна ограниченная область применения датчиков по температуре изме­ряемой среды до 100 °С, а также по температуре точки росы 60 °С.

В механических гигрометрах используется изменение линей­ных размеров влагосорбирующего материала в зависимости от влажности окружающей среды. В качестве чувствительного элемента применяют волосы, животную пленку, капроновую нить, целлофан и другие материалы.

Весовые влагомеры. Весовой метод определения влажности основан на поглощении водяных паров из газа реактивами. Опре­деленное количество газа просасывается через U-образные труб­ки, заполненные веществом, жадно поглощающим влагу (хлорид кальция, фосфорный ангидрид и др.).

Поглотительные трубки предварительно взвешивают на анали­тических весах. После этого через них пропускают определенное количество газа, учитываемое газовым счетчиком, и вновь взве­шивают. Приращение веса дает количество поглощенной из газа влаги; частное от деления этой величины на количество прошед­шего газа дает абсолютную влажность газа. Весовой метод опре­деления влажности газов применяется в лабораторной практике и при исследовательских работах.

Конденсационные гигрометры. Конденсационный метод опреде­ления влажности газов заключается в резком понижении темпе­ратуры исследуемого газа, в результате чего основное количество влаги выпадает в конденсационном сосуде, остальной газ стано­вится насыщенным; измеряя его температуру, можно определить в нем содержание водяного пара. Суммируя эту величину с влагой, оставшейся в конденсационном сосуде, получим абсолютную влажность газа.

В автоматических конденсационных гигрометрах используется метод точки росы, заключающийся в охлаждении испытуемого газа до наступления состояния насыщения, т. е. до точки росы. По этой температуре, используя таблицы, определяют влажность контролируемого газа. Момент наступления точки росы опреде­ляется по появлению росы на зеркальной поверхности, охлаждае­мой металлической пластинки, соприкасающейся с контролируе­мым газом.

Рис. 6. Схема авто­матического влагомера то­чки росы

Схема автоматического влагомера точки росы приведена на рис. ХШ-6. В камеру 2 через патрубок 1 поступает очищенный от примесей и пыли анализируемый газ постоянного давления, который затем удаляется по патрубку 3. Проходя через камеру, газ омывает зеркало 12. На зеркало от лампы 15 через линзу 14 на­правляется луч света, который, отразившись от зеркала 12, попа­дает через линзу 13 на фотоэлемент 9. Возникающий в фото- элементе ток через усилитель 1 поступает на регулятор 11, который изменяет питание нагревателя 5. Зеркало 12 охлаждается жидкостью, поступающей через патрубок 4 и уходящей через патрубок 7.

Температура зеркала измеряется термоэлектрическим термометром 8, подключенным к вторичному, измерительному, прибору 6. Если на зеркале нет влаги, то луч света от него практически без потерь поступает на фотоэлемент. В этом случае регулятор уменьшает нагрев охлаждающей жидкости, температура которой уменьшается до тех пор, пока на зеркале не выпадет роса. Тогда на фотоэлемент будет поступать ослабленный световой поток (падая на зеркало, покрытое пленкой росы, свет будет рассеиваться) и регулятор будет увеличивать нагрев охлаждающей жидкости. Таким образом, температура зеркала будет поддерживаться близкой к температуре точки росы.

Вторичный прибор б градуируют в единицах абсолютной влажности. Точность измерения 1 %. Такая высокая точность измерения может быть обеспечена при работе гигрометра на чистых газах. При контроле агрессивных и загрязненных сред, от которых может меняться чистота поверхности зеркала, в результаты измерения вносится дополнительная погрешность, зависящая от состояния поверхности зеркала.

Для поверки и градуировки гигрометров предназначен термо-статируемый переносной гигростат типа ГПТ-130. Диапазон создаваемой влажности воздуха в рабочей камере гигростата 15...95 % относительной влажности, температура точки росы —18... + 49 °С. Рабочий диапазон температуры воздуха в рабочей камере 5...50°С. Абсолютная погрешность влажности ±1 %, температуры точки росы ± 1; 4 °С.

ВЛАГОМЕРЫ ДЛЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Содержание влаги в материале характеризуют две величины: влагосодержание (абсолютная влажность) и влажность (относительная влажность). Под влагосодержанием понимается отношение массы влаги М, находящейся в материале, к массе материала Мо в сухом состоянии:

Под влажностью ω понимается отношение массы влаги М, содержащейся в теле, к массе влажного материала М₁

Иногда эти величины выражают в процентах:

Иногда эти величины выражают в процентах:

Для указания содержания влаги в материале можно применять любую из этих величин. Переход от одной величины к другой может быть осуществлен по соотношениям

Существует несколько методов контроля влажности материалов:

кондуктометрический, основанный на зависимости между влажностью материала и его электропроводностью;

диэлектрометрический (емкостный), основанный на зависимости между влажностью материала и его диэлектрической проницаемостью;

оптический, базирующийся на том, что величина отношения коэффициентов отражения материалом двух монохроматических инфракрасных излучений с длинами волн λ =1,95 мкм и λ = 1,75 мкм однозначно зависит от влажности;

высокочастотные, основанные на зависимости между содержанием влаги в материале и коэффициентом отражения от него (или коэффициентом прохождения через нее) высокочастотного электромагнитного излучения.

Рис. 7. Зависимость электрического сопротивления кожи от влажности

Рис. 8. Схема кондуктометрического роликового датчика влаж­ности

Кондуктометрические влагомеры. В результате увлажнения большинство тел, которые в сухом виде являются диэлектриками, становятся проводниками. Зависимость электрического сопротивления от влажности кожи видна из графика на рис. 7, выражающего следующую функцию:

где Rx — сопротивление; A и n — постоянные, зависящие от исследуемого материала; ω — влажность материала, % от массы сухого вещества.

Эта зависимость имеет два характерных участка. Начальный участок соответствует низкой и средней влажности, он характерен высокой крутизной, т. е. на этом участке влагомер очень чувствителен к изменению влажности материала. На втором участке с повышенной влажностью крутизна снижается, следовательно, чувствительность влагомера резко падает. На графике видно, что область применения метода ограничена влажностью до 30 %. Кроме того, на участке, где влажность w = 0...2 %, практически невозможно измерить влагосодержание в связи с резким возрастанием сопротивления (сопротивление материала становится соизмеримым или большим, чем сопротивление изоляции подводящих проводов).

При измерении влажности кондуктометрическим методом на результат измерения значительно влияет ряд побочных факторов (плотность насыпки пробы, температура, структура вещества и др.), затрудняющих применение этого метода в приборах для непрерывного измерения влажности.

Датчики кондуктометрических влагомеров представляют собой два электрода, конструкция которых зависит от свойств и структуры измеряемого вещества. Для определения влажности тканей датчики имеют форму роликов, для жестких кож применяются игольчатые датчики, вкалываемые в материал, для мягких кож —многоигольчатые датчики, прижимаемые к поверхности материала грузом. Датчики для сыпучих материалов снабжаются устройством, спрессовывающим навеску между электродами.

Наиболее распространенными измерительными схемами кондуктометрических влагомеров являются: схема омметра постоянного тока с непосредственным отсчетом и мостовая схема.

По принципу измерения проводимости работают различные влагомеры, применяемые в промышленности. Влагомер типа ЭВК-1 предназначен для измерения влажности различного рода кож. Он выполнен в виде переносного прибора и состоит из измерителя ИВК-01 и двух датчиков: ДВК-01 и ДВК-02. Первый датчик включает две стальные иглы-электрода, вкалываемые в жесткие кожи; второй имеет электроды в виде зубчатой гребенки (используют для мягких кож). Влагомер представляет собой ламповый омметр, собранный на двойном триоде по схеме балансного усилителя на шесть диапазонов измерения.

По такому же принципу построена работа влагомера типа ЭВК-02, предназначенного для измерения влажности кож для низа обуви от 10 до 30 %.

Датчик влажности кондуктометрического типа для тканей (рис.8) представляет собой контактные ролики 2, катящиеся по ткани 3, проходящей через направляющий валик 4. При этом измеряется электрическое сопротивление ткани по толщине прибором 1. Обычно применяют три параллельно включенных контактных ролика, один из которых установлен посередине полотна ткани, а два других у кромок. Это позволяет контролировать наиболее важные места ткани.

Контактные ролики прижимаются к ткани либо своим весом, либо дополнительным усилием от пружины или груза на рычаге. Выходным сигналом датчика является ток I=U/R_X. Электрическое сопротивление Rx текстильных тканей, измеренное на постоянном токе при наличии воды, сорбированной волокнами, характеризуется уравнением

где А — коэффициент, зависящий от условий измерения и конструкции преобразователя (размера измеряемого участка ткани, усилия прижима роликов), а также от приложенного напряжения U; n — коэффициент, зависящий от природы волокна (для хлопка 10...11, для шерсти 15...16).

Кроме того, сопротивление ткани зависит от ее температуры. В связи с этими факторами при использовании датчика влажности роликового типа необходима индивидуальная градуировка прибора, так же как и для большинства кондуктометрических влагомеров.

Емкостные влагомеры. При емкостном методе измерения влажности используется влияние наличия влаги в твердом теле на величину диэлектрической проницаемости.

Рис. 9. Зависимость приращения емкости ∆ С датчика от влажности ω при измерении на разных частотах:

а — для штапельного и шерстяного волокна; б — для кож хромового дубления

Диэлектрическая проницаемость сухого вещества обычно равна 2...5, а диэлектрическая проницаемость воды —81. При небольшом изменении содержания воды в веществе величина диэлектрической проницаемости значительно изменится. Диэлектрическую проницаемость влажного материала определяют по изменению емкости конденсатора, между обкладками которого находится исследуемое вещество.

Емкость конденсатора определенных геометрических размеров может быть выражена формулой

где К — постоянная, определяемая геометрическими размерами и формой конденсатора; ε — диэлектрическая проницаемость материала, определяемая его влажностью.

На рис. 9, а приведена зависимость приращения емкости в пикофарадах конденсатора от влажности в процентах для штапельного и шерстяного волокна; на рис. 9, б — для кож хромового дубления при разных частотах измерения.

Датчики емкостных влагомеров выполняют в виде двух плоских пластин или двух концентрических цилиндров, пространство между которыми заполняется исследуемым материалом. Для большинства материалов абсолютная величина емкости датчиков составляет несколько пикофарад. Во влагомерах, работающих по принципу измерения емкости, могут быть использованы различные схемы измерения.

Рис. 10. Принципиальная схема емкостного влагомера

Диэлектрическая проницаемость большинства веществ зависит также и от температуры. В связи с этим во влагомерах предусматривается автоматическая компенсация температуры, выполняемая различными способами. Наиболее простой способ компенсации температуры — параллельное присоединение к датчику конденсатора с температурным коэффициентом, равным по величине температурному коэффициенту исследуемого материала, но обратным по знаку.

Температурная компенсация может быть также осуществлена подбором размеров и материалов электродов датчика так, чтобы при изменении температуры изменение размеров конденсатора и связанное с этим изменение его емкости компенсировало изменение емкости, вызванное влиянием температуры на диэлектрическую постоянную исследуемого материала. Температурная компенсация может также осуществляться с помощью термометра сопротивления или термистора, включенного в измерительную схему.

При емкостном методе измерения влажности на показания влагомеров оказывают меньшее влияние структура и химический состав измеряемых веществ, а также переходное сопротивление между электродами и материалами, чем при кондуктометрическом методе. Кроме того, емкостными влагомерами можно измерять небольшую влажность материала (до 3...4 %). На схеме емкостного влагомера (рис. 10) генератор 1 питает переменным током частотой 1 кГц (20 кГц) мостовую схему, образованную резисторами R1, R2, конденсаторами C1, C2 и емкостью преобразователя 2 (конденсатора с продольным полем).

Напряжение небаланса моста, пропорциональное приращению емкости преобразователя, которое зависит от влажности ткани, усиливается в усилителе 3.

Напряжение с выхода усилителя выпрямляется и подается в цепь 4, в которую включен миллиамперметр 5, служащий для измерения силы тока.

Фильтр, образованный конденсатором С5 и резисторами R4, R5, обеспечивает необходимую постоянную времени измерительного устройства Т = 3 с.

Цепь 4 служит для получения выходного сигнала постоянного тока 0...5 мА, необходимого для подачи на вход регулятора или другого устройства с входным унифицированным токовым сигналом. Пределы измерения 5...12 или 7...15% влажности.

Рис. 11. Схема оптического инфракрасного влагомера

Недостаток емкостных преобразователей, выполненных в виде конденсаторов того или иного типа, состоит во влиянии на результаты измерения (изменения) поверхностной плотности ткани, так как приращение емкости преобразователя зависит как от влажности ткани, так и от ее поверхностной плотности, поэтому неровнота материала вносит дополнительную погрешность при измерении влажности.

Оптические влагомеры. Метод использования инфракрасного излучения для определения влажности материалов основан на измерении интенсивности отраженного или прошедшего через материал потока инфракрасного излучения определенной длины волны. В качестве источника инфракрасного излучения используют лампы накаливания с соответствующими светофильтрами, лазеры, светодиоды. В качестве приемников излучения — фоторезисторы и фотодиоды. На этом методе основана работа влагомеров для измерения влажности тканей в диапазоне 4...20 %.

Принцип работы инфракрасного влагомера (рис. 11) основан на измерении влажности по степени отражения.

Для получения сигналов, характеризующих влажность ткани, используют два монохроматических световых потока с длинами волн λ₁ = 1,75 мкм и λ₂=1,95 мкм. Отражательная способность ткани при λ₂=1,95 мкм сильно зависит от присутствия влаги, а при λ₁= 1,75 мкм мало зависит.

Влажность ткани характеризуется отношением интенсивности световых потоков, отраженных от ткани при этих длинах волн.

Прибор состоит из оптического преобразователя, блока измерения и питания 8 и вторичного показывающего и самопишущего прибора 9 потенциометра КСП-3.

Из оптического преобразователя световой поток от осветителей 2 падает на ткань 1. Отраженный от ткани световой поток оптической системой 3 направляется на светоприемник 6 (фоторезистор). Перед фоторезистором вращается с помощью электродвигателя обтюратор 4 (диск с вырезами), на котором установлено два интерференционных светофильтра, имеющих узкие спектральные полосы пропускания в области длин волны λ₁ и λ₂.

Фоторезистор поочередно освещается световыми импульсами, длина волны которых соответствует λ₁ и λ₂ (измерительной и компенсационной). В результате в цепи фоторезистора появляются две серии электрических импульсов, которые после предварительного усиления усилителем 7 поступают в виде импульсов напряжения U₁ и U₂ на преобразователь 8. На обтюраторе закреплена также металлическая пластина, коммутирующая магнитоуправляемый контакт 5 синхронно с появлением измерительного импульса. На выходе преобразователя 8 появляется сигнал постоянного тока напряжением 0...10 мВ, амплитуда которого пропорциональна отношению напряжений: U_вых = KU₂/ /U₁. Следовательно, U_вых пропорционально влажности ткани. Промышленный инфракрасный влагомер типа ВИК-1 предназначен для измерения массового соотношения влаги текстильных материалов к сухой ткани. Прибор имеет пять поддиапазонов измерения, пределы измерений 0,3...20%.

Высокочастотные влагомеры. СВЧ — метод определения влажности основан на измерении потери энергии в поле токов высокой и сверхвысокой частоты. СВЧ-колебания частотой 10'° Гц и длиной волны 3 см, модулированные низкочастотным напряжением прямоугольной формы, проходят по волноводу и в виде плоской электромагнитной волны попадают под определенным углом на измеряемый материал. Волна неполностью проходит через материал, часть ее отражается и по волноводу поступает в приемник электромагнитного излучения — детектор. Этот сигнал зависит от амплитуды отраженной волны, которая в свою очередь зависит от массы воды, содержащейся в 1 м² поверхности материала.

Измеритель влажности представляет собой прибор для измерения коэффициента СВЧ-колебаний, распространяющихся в свободном пространстве, при их отражении влажным листовым или рулонным материалом, который расположен в плоскости, перпендикулярной направлению распространения.

Прибор (рис. 12) содержит источник 2 СВЧ-колебаний, направляющую волноводную систему, излучающую (приемную) антенну 5, устройство 3 разделения излучаемых и принимаемых колебаний и устройство индикации. Кроме того, прибор содержит ряд дополнительных узлов и приспособлений, обеспечивающих стабильность его работы и уменьшение погрешности измерений. Для повышения точности контроля влажности за счет уменьшения погрешности измерительного преобразователя, связанной с нестабильностью источника СВЧ-колебаний и чувствительного элемента — СВЧ-детектора, использована схема с созданием двух каналов — опорного и измерительного и временным их разделением. СВЧ-генератор, выполненный на диоде Ганна, генерирует колебания в диапазоне длин волн λ= 3 см. Напряжение питания на СВЧ-генератор поступает от стабилизированного источника 1. СВЧ-колебания от генератора через устройство 3 разделения излучаемой и отраженной волн поступают к ключу 4. При подаче на ключ 4 управляющего напряжения от генератора 13 управляющих напряжений замкнутый ключ не пропускает СВЧ-колебания в антенну 5, а отражает их. Отраженные колебания через устройство 3 разделения поступают на СВЧ-детектор 7, на нагрузке которого выделится сигнал, амплитуда его зависит от амплитуды сигнала, коэффициента передачи открытого ключа 4, коэффициента преобразования антенны и коэффициента отражения влажного материала 6.

Таким образом, на нагрузке детектора образуется последовательность импульсов.

Эти импульсные сигналы далее усиливаются блоком усилителей, который осуществляет временное разделение опорных и измерительных импульсов.

Опорный импульс усиливается усилителем 11, преобразуется в постоянное напряжение выпрямителем 12 и поступает на управляющий вход регулируемого усилителя.

Рис. 12. Блок-схема СВЧ-влагомера

Рис. 13. Зависимости показаний СВЧ-влагомера от изменения содержания растворителя в растворе, которым увлажняется материал

Рис. 14. Зависимость показаний СВЧ-влагомера от изменения толщины материала

На выходе блока усилителей 8 выделяется измерительный импульс, который затем проходит усилитель 9, преобразуется в постоянное напряжение выпрямителем 10 и по линии связи поступает в блок 14 питания и индикации, далее в блок 15 выходных преобразователей, обеспечивающий получение стандартных входных сигналов по току и напряжению.

СВЧ-влагомеры предназначены для измерения влажности тканей, нетканых материалов, синтетических кож и пр. в диапазоне 20...80%. Основной недостаток этого метода измерения — его чувствительность не только к влаге, содержащейся в измеряемом материале, но и к его толщине, к наличию других жидких примесей в измеряемом материале, например растворителей.

На рис.13 приведены кривые зависимости показаний СВЧ-влагомера от изменения концентрации растворителя (ДМФ) в водном растворе, которым был увлажнен контролируемый материал. На рис.14 приведены кривые зависимости показаний СВЧ-влагомера от изменения толщины контролируемого материала (синтетическая кожа). Эти факторы вносят существенные погрешности в результаты измерения. При индивидуальной градуировке прибора и стабилизации или учете влияния изменений толщины материала и других факторов погрешность измерения СВЧ-влагомера — 2,5...3,0 %.

Градуировку и поверку промышленных влагомеров производят путем определения влажности контролируемых материалов лабораторными методами. Для влажности газов применяют весовой метод. Может быть применен также образцовый гигростат типа ГПТ-130, для твердых и сыпучих материалов — метод высушивания, при котором влажность материала определяется по разности весов влажного и высушенного материалов.

39