3.3. Влагомеры сверхвысокочастотные (свч)

Известны СВЧ–методы для измерения диэлектрических параметров: а) в свободном пространстве; б) в волноводах и резонаторах.

При измерении в свободном пространстве образец материала размещается между передающей и приемной антеннами, к которой подключен детектор.

Ослабление мощности излучения при прохождении через материал:

P₁/P_o=e ^{–2 αd} =e^{-4 πкd/ λ} ,

где Р_о, Р₁ - мощность, поступающая на материал и прошедшая через него;

d - толщина материала ;

λ - длина волны;

α и к - коэффициенты затухания и поглощения материала.

Если выразить степень уменьшения мощности в децибелах:

А=10 lg P_o/P₁= 20 α d lg e ,

то величина А при d= const будет пропорциональна коэффициенту затухания:

,

где μ - магнитная проницаемость материала (μ=1 для немагнитных материалов).

Таким образом, при ω=const ослабление мощности определяется значением электрофизических параметров и тангенсом угла потерь tgδ.

Так как эти параметры воды в десятки раз больше, чем у су­хого материала, то с изменением содержания влаги они существенно изменяются. Таким образом, ослабление СВЧ - излучения при прохождении через материал и фазовый сдвиг являются функциями влажности.

На этом принципе основан влагомер для сливочного масла фирмы «Тесла» (ЧР). Исследуемый материал помещается между двумя рупорами передающей и приемной антенн. Уменьшение энергии, принимаемой антенной, компен­сируется с помощью градуированного аттенюатора в приемнике таким образом, чтобы стрелка индикатора находилась в первоначальном положении. Положение аттенюатора без образца и с образцом определяет величину поглощения СВЧ - энергии в децибелах. По градуировочной прямой можно определить значение влажности. Частота измерения на этом приборе 9600 МГц, частота модуля­ции - 1000 Гц. Пределы измерения до 25 % влаги. Погрешность ± 0,5 %.

В качестве примера волноводного метода рассмотрим метод, разработанный Тоншевым (рис. 3.4).

Рис. 3.4

Пробы продукта 1 помещают в датчик, представляющий собой конечную часть короткозамкнутого волновода 2, отделенную от остальной системы диэлектрической пластиной 3. Энергия электромагнитных волн, модулированных по амплитуде, поступает от генератора 4 в волновод 2. В свободной части волновода образуется стоячая волна. При изменении содержания влаги изменяются электрофизические свойства продуктов и, следовательно, коэффициент отражения и величина напряженности электрического поля. Напряженность в одной из точек волновода воспринимается измерительным зондом 5. Напряжение зонда, выпрямленное детектором 6 и усиленное усилителем 7, поступает на показывающий прибор 8, проградуированный в процентах содержания влаги. Установлено, что наибольшее относительное приращение выходного сигнала будет в том случае, если зонд расположен на расстоянии от поверхности продукта, кратном половине длины волны в свободной части волновода.

3.4. Влагомеры инфракрасные (ик)

Из других методов, нашедших применение в отрасли, можно отметить метод инфракрасной спектроскопии, основанный на поглощения или отражении света в этой области спектра материалами, в зависимости от их абсорбционных или рассеиваю­щих характеристик. Удельный коэффициент абсорбции, зависит от его химического состава, в том числе от влажности.

На рис. 3.5 показаны ИК-спектры двух образцов с различным содержанием влаги.

Рис. 3.5

Как видно, на длинах волн 1,9 и 1,45 мкм отражение уменьшается с повышением содержания влаги. При этом в области длин волн 1,7 и 1,1 мкм отражательная способность практически не зависит от содержания влаги. Для исключения побочных факторов измерение влажности осуществляют дифферен­циальным методом. Так, в данном случае можно осуществить измерения на 1,9 и 1,7 мкм. Таким образом исключается влияние неравномерности поверхности на результаты измерений. На рис. 3.6 представлена функциональная схема влагомера фирмы «Анакон».

Рис. 3.6

Через вращающийся фильтр на анализируемый объект направляется ИК-излучение в диапа­зоне волн измерения и сравнения (поперемен­но).

Отражаемая от образца энергия с помощью сферического зеркала фо­кусируется на фоторезисторе. Чередование длин волн генерирует в фото­резисторе сигнал, состоящий из двух серий импульсов. После усиления сигналы поступают в дискриминатор, в котором они разделяются и преобразовываются в сигналы постоянного тока. Разность между ними индицируется на шкале прибора. Метод инфракрасной спектроскопии может быть использован для контроля влажности сухого молока по отражательной способности продуктов в ближней ИК-области спектра.