Датчик влажности

МИНИСТЕРСТВООБРАЗОВАНИЯРОССИЙСКОЙФЕДЕРАЦИИ

НОВГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙУНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ ЯРОСЛАВА МУДРОГО

ДАТЧИКВЛАЖНОСТИ

Курсоваяработа по дисциплине«Датчики физическихвеличин»

а) Доцент кафедрыОЭФ

б) Студентгруппы 9012

_______ РуппельД.А.

«__»________2000

НовгородВеликий 2000

Содержание

Переченьусловных обозначений

5Основнаячасть

5.1 Описание физическойвеличины

Для характеристикисодержаниявлаги в материалахприменяются две величины:влагосодержаниеи влажность.Ранее эти величиныназывалисьсоответственноабсолютнойи относительнойвлажностью.

Под влагосодержаниеми понимаетсяотношение массывлаги М,содержащейсяв теле, к массеабсолютносухого телаM₀:

U=M/M₀ (1)

Под влажностьюW-понимаетсяотношение массывлаги M, содержащейсяв теле, к массевлажного материалаМ₁.

W=M/(M+M₀) (2)

Иногдаэти величинывыражают черезвеса и в процентах.В таком случаевыражения (1) и(2) принимаютвид:

U%=((P-P₀)/P₀)*100%

W%=((P-P₀)/P)*100%

где Р—весвлажного тела;

Р₀—весабсолютносухого тела.

Для указаниясодержаниявлаги в материалеможет бытьприменена любаяиз этих величин.Переход отодной величинык другой можетбыть осуществленпо соотношениям:

W=U/(1+U) (3)

U=W/(1-W) (4)

Так, например,и=1соответствуетW=0,5.На рис. показаназависимостьмежду U иW,построеннаяпо соотношениям(1-4).

В определенныхотрасляхпромышленности для указаниясодержаниявлаги в материалеприменяютсявлагосодержаниеUили влажностьW в зависимостиот установившихсятрадиций. Большейчастью в теоретическихисследованияхи расчетахсодержаниевлаги задаетсявлагосодержаниеми; впроизводственныхусловиях вэкспериментахдля той же целичаще применяютвлажностьW.

При измеренияхвлажностинеобходимоучитыватьформы ее связис материалом,а также особенности гигротермическогоравновесияматериалас окружающейвоздушнойсредой.

Естественныеи промышленныевлагосодержащиематериалыотносятсяк коллоидным,капиллярно-пористымили капиллярно-пористымколлоиднымтелам. К коллоиднымтелам принадлежатэластичныегели, студни,желатины, мучноетесто и т. д.Примеромкапиллярно-пористыхтел являютсякварцевыйпесок, слабообожженныекерамическиематериалы ит. д. Большинствовлажных материаловявляютсяколлоидными,капиллярно-пористымителами. Коллоидныетела характеризуютсямалыми размерамикапилляров,близкими крадиусу действиямолекулярныхсил, и могутрассматриватьсяв общем случаетакже каккапиллярно-пористыетела. Способностьматериаловпоглощать иотдавать влагуопределяется,с одной стороны,свойствам итвердого«скелета»материала, ас другой- формойсвязи с нимвлаги. На первуюгруппу свойствнаибольшеевлияние оказываютразмеры капилляров.Различаеттри группыкапиллярно-пористыхтел: микрокапиллярные,макрокапиллярныеи гетеропорозные.У первых радиускапилляровменьше10^-5см, увторых - большеэтой величины,у третьих - капиллярыимеют разныеразмеры. Наперенос влагивнутри капиллярно-пористыхтел влияюттакже формакапилляров,их расположениеи соединение,а также механическиесвойства материалов.

Наиболееполная классификацияформ связивлаги с материаломдана П. А. Ребиндером,исходя изинтенсивностиформ связи. Взависимостиот энергии,необходимойдля удалениявлаги из тела,связи делятсяна химические,физико-химическиеи физико-механические.К первой группеотносятсянаиболее сильныесвязи: ионнаяи молекулярная.При этих формахсвязи вода кактаковая исчезаети ее молекулывходят в составнового вещества(гидратнаявода). Химическисвязанная влагарезко отличаетсяпо своим свойствамот свободной;ее нельзя удалитьсушкой илиотжатием.

К физико-химическимсвязям относятсяадсорбционнаяи осмотическаясвязи. Перваяхарактернадля гидрофильныхи гидрофобныхтел; удалениевлаги происходитиспарением,десорбциейу гидрофильныхтел или дезадсорбцией- у гидрофобных.Осмотическаясвязь имеетместо у растительныхклеток с концентрированнымраствором, вкоторые водапроникает изокружающейсреды, с менееконцентрированнымраствором.

При наиболееслабой связи- физико-механической- вода удерживаетсяв неопределенныхсоотношениях.Связь можетиметь структурныйхарактер, например,в студне образующихвеществах. Вмикрокапиллярахсвязь образуетсяпоглощениемводы из влажноговоздуха илинепосредственнымсоприкосновениемматериала сводой, вмакрокапиллярах—поглощениемводы прямымсоприкосновением.В обоих случаяхвода механическиудерживаетсяадсорбционнымисилами у стенок.Основная массаводы, кромесвязаннойадсорбционно,сохраняет своисвойства. Условиемнарушения связиявляется действиедавления,превосходящегокапиллярное.Наконец, связьсмешиваниемобразуетсяв непористыхсмачиваемыхтелах прилипаниемводы при еесоприкосновениис поверхностьютела. Удалениевлаги, как ипри структурнойсвязи, производитсяиспарением.

Разграничениевлаги по формеее связи с сухимматериаломпредставляетсложную задачу,хотя для этогобыл предложенряд методов,основанныхна использованииизмененияфизических(в том числе иэлектрических)характеристик.

5.2 Описаниеи выбор методаизмерениявлажности

Методы измерения-влажностипринято делитьна прямые икосвенные. Впрямых методахпроизводитсянепосредственноеразделениевлажного материалана сухое веществои влагу. В косвенныхметодах измеряетсядругая величина,функциональносвязанная свлажностьюматериала.Косвенныеметоды требуютпредварительнойкалибровкис целью установлениязависимостимежду влажностьюматериала иизмеряемойвеличиной.

5.2.1 Метод высушивания

Наиболеераспространеннымпрямым методомявляется методвысушивания,заключающийсяв воздушно-тепловойсушке образцаматериала додостиженияравновесияс окружающейсредой; эторавновесиеусловно считаетсяравноценнымполному удалениювлаги. На практикеприменяетсявысушиваниедо постоянноговеса; чаще применяюттак называемыеускоренныеметоды сушки

В первомслучае сушкузаканчивают,если два последовательныхвзвешиванияисследуемого,образца даютодинаковыеили весьмаблизкие результаты.Так как скоростьсушки постепенноуменьшается,предполагается,что при этомудаляется почтився влага,содержащаясяв образце.Длительностьопределенияэтим методомсоставляетобычно отнесколькихчасов до сутоки более. В ускоренныхметодах сушкаведется в течениеопределенного,значительноболее короткогопромежуткавремени, приповышеннойтемпературе(например,стандартныйметод определениявлажности зернасушкой размолотойнавески при+130°С в течение40 мин).В последниегоды для ускореннойсушки рядаматериаловстали применятьинфракрасныелучи, а в отдельныхслучаях—диэлектрическийнагрев (токивысокой частоты).Определениювлажноститвердых материаловвысушиваниемприсущи следующиеметодическиепогрешности:

а) При высушиванииорганическихматериаловнаряду с потерейгигроскопическойвлаги происходитпотеря летучих;одновременнопри сушке ввоздухе имеет,место поглощениекислородавследствиеокислениявещества.

б) Прекращениесушки соответствуетне полномуудалению влаги,а равновесиюмежду давлениемводяных паровв материалеи давлениемводяных паровв воздухе.

в) Удалениесвязанной влагив коллоидныхматериалахневозможнобез разрушенияколлоиднойчастицы и недостигаетсяпри высушивании.

г)В некоторыхвеществах врезультатесушки образуетсяводонепроницаемаякорка, препятствующаяудалению влаги.

Некоторыеиз указанныхпогрешностейможно уменьшитьсушкой в вакуумепри пониженнойтемпературеили в потокеинертного газа.Однако длявакуумной сушкитребуется болеегромоздкаяи сложная аппаратура,чем для воздушно-тепловой.

При наиболеераспространеннойсушке (в сушильныхшкафах) имеютсяпогрешности,зависящие отприменяемойаппаратурыи техникивысушивания.Так, например,результатыопределениявлажностизависят отдлительностисушки, от температурыи атмосферногодавления, прикоторых протекаласушка. Температураимеет особеннобольшое значениепри использованииускоренныхметодов, когдапонижениетемпературысильно влияетна количествоудаленнойвлаги. На результатывысушиваниявлияют такжеформа и размерыбюкс и сушильногошкафа, распределениетемпературыв сушильномшкафу, скоростьдвижения воздухав нем, возможностьуноса пыли илимелких частицобразца и т. д.Для материалов,подвергающихсяперед определениемвлажностиизмельчению,большое значениеимеет убыльвлаги в образцев процессеизмельчения.Эта убыль особенновелика, еслипри размолеимеет местонагрев образца.С другой стороны,возможно поглощениевлаги из окружающейсреды в промежутках

времени междуокончаниемсушки и взвешиваниемобразца.

В итогевысушиваниепредставляетсобой чистоэмпирическийметод, которымопределяетсяне истиннаявеличина влажности,а некая условнаявеличина, болееили менее близкаяк ней. Определениявлажности,выполненныев неодинаковыхусловиях, даютплохо сопоставимыерезультаты.Более точныерезультатыдает вакуумнаясушка, выполняемаяобычно в камерепри пониженномдавлении (25 ммрт. ст. и ниже)до постоянноговеса.

5.2.2 Дистилляционныйметод

В дистилляционныхметодах исследуемыйобразец подогреваетсяв сосуде сопределеннымколичествомжидкости, несмешивающейсяс водой (бензол,толуол, ксилол,минеральноемасло и т. д.), дотемпературыкипения этойжидкости. Пары,проходя черезхолодильник,конденсируютсяв измерительномсосуде, в которомизмеряетсяобъем, или весводы. Дистилляционныеметоды в различныхмодификацияхи с использованиемразных конструкцийаппаратурыбыли разработаныдля различныхматериалов,в том числе идля жидких.Однако дистилляционнымметодам такжесвойственнымногие недостатки.Капли воды,остающиесяна стенкаххолодильникаи трубок, вызываютпогрешностив определениях.Применяемыерастворители,как правило,огнеопасны,а аппаратурахрупка игромоздка.

Методы высушиванияи дистилляционныеприняты в качествестандартныхметодов определениявлажностибольшинстваматериалов.

5.2.3 Экстракционныеметоды

Экстракционныеметоды основанына (извлечениивлаги из исследуемогообразца твердогоматериалаводопоглощающейжидкостью(диоксан, спирт)и определениихарактеристикжидкого экстракта,зависящих отего влагосодержания:удельного веса,показателяпреломления,температурыкипения илизамерзанияи т.п. В электрическихэкстракционныхметодах измеряютсяэлектрическиесвойства (удельноесопротивление,диэлектрическаяпроницаемость)экстракта. Экстракционныеметоды даютнаилучшиерезультатыв применениик материалам,мелко измельченнымили обладающимпористой структурой,обеспечивающейпроникновениеэкстрагирующейжидкости в.капилляры.

5.2.4 Химическийметод

Основойхимических(методов являетсяобработкаобразца твердогоматериалареагентом,вступающимв химическуюреакцию толькос влагой, содержащейсяв образце. Количествоводы в образцеопределяетсяпо количествужидкого илигазообразногопродукта реакции.Наиболеераспространеннымихимическимиметодами являютсякарбидный(газометрический)метод и примененареактива Фишера.

В первомметоде измельченныйобразец влажногоматериалатщательносмешивают скарбидом кальцияв избыточномколичестве,причем имеетместо реакция:

СаС₂+ 2Н₂0=Са(ОН)₂-\-С₂Н₂

Количествовыделенногоацетиленовогогаза определяютизмерениемего объема илипо повышениюдавление вплотно закрытомсосуде. Обычноприбор градуируютэмпирически,так как практическине вся водаучаствует вреакции и количествовыделенногоацетилена несоответствуетуравнениюреакции.

Менеераспространенхимическийметод определениювлажности поповышениютемпературывследствиехимическойреакции реагентас влагой вещества;чаще всего вкачестве реагентаиспользуетсясерная кислота.Повышениетемпературысмеси карбидакальция с материаломможно использоватьтакже в карбидномметоде, так какреакция водыс СаС₃протекает свыделениемтепла.

Иногда необходимораздельноеопределение«поверхностной»и «внутренней»влажностиматериала.Кроме способов,основанныхна удаленииповерхностнойвлаги силикагелем,фильтровальнойбумагой и т.п., можно применитьпредложенныйИ. К. Петровымметод, по которомупредварительновзвешеннуюнавеску материалаопускают в водуизмеряют ареометром,отградуированнымв граммах (дляданного материала),силу, действующуюна навеску,н по разностивесов навескиопределяютвес поверхностнойвлаги.

5.2.5 Метод СВЧ-влагометрии

Из методовизмерениявлажности,применяемыхв промышленности,только высокочастотнаявлагометрияможет конкурироватьпо широтеиспользованияс СВЧ-методом.ПреимуществамиСВЧ-влагометрииявляются: возможностьбесконтактногоизмерения,относительнаяпростота идешевизнааппаратуры,а в ряде случаеви хорошиеметрологическиехарактеристики.Метод основанна измеренииэлектрическихпараметровдатчика с материаломили амплитудыили (и) фазыпрошедшей илиотраженнойволны в диапазонедо 30 ГГц. Различиевысокочастотныхи СВЧ-методоввызвано каксоизмеримостьюдлины волныс минимальнымихарактеристическимиразмерамиобъекта, таки особенностьюповедениясвязанной водыв гигагерцевомдиапазоне.

Одно из уникальныхсвойств воды- аномальновысокая диэлектрическаяпроницаемость,вызванная тем,что оси 0-Н вмолекуле водыимеют угол,близкий к 105°.Эта особенность,обусловленнаязаконами квантовоймеханики, приводитк тому, что дажев отсутствиевнешнегоэлектрическогополя молекулаводы обладаетсобственнымдипольныммоментом. Ориентацияполярной молекулыво внешнем полеотлична оториентациинеполярноймолекулы приэлектроннойили ионнойполяризации,когда деформируетсятолько электронноеоблако. Придипольнойполяризациимолекулаповорачиваетсякак единоецелое, поэтомуна процессполяризациивлияют энергиясвязи воды соскелетом итемпература.Вращение молекулыотстает отвращающегомомента, вызванногопеременнымэлектромагнитнымполем, за счетсил трения,уменьшающихтакже и амплитудурезультирующейполяризации.Это отставаниеудобно характеризоватьвременем релаксации,которое дляводы равно0,6*10-¹¹ с (Т = 293 К) идля льда 10"⁵с (Т-9—10^-7 с. Присовпадениичастоты внешнегополя с собственнойчастотой диполей(область дисперсии)возрастаютпотери и диэлектрическаяпроницаемостьначинает зависетьот частоты.

5.2.6 Нейтронныйметод

Нейтронныйметод измерениявлажностиоснован назамедлениибыстрых нейтроновпри упругомстолкновенииих с атомамивещества. Таккак массы ядраи нейтронасоизмеримы,то при упругомстолкновениипроисходитуменьшениеэнергии нейтрона,равное энергииотдачи ядра.При столкновениис легкими атомами,в частностис атомами водорода.потеря энергииможет бытьвесьма значительной.Анизотропныйпоток быстрыхнейтронов,сохраняющийпри прохождениичерез веществосвое первоначальноенаправление,превращаетсяв изотропныйпоток тепловыхнейтронов,которые можнорегистрироватьдетектором,расположеннымв непосредственнойблизости отисточникабыстрых нейтроновили в точке,удаленной нанекотороефиксированноерасстояние.

В реальныхсредах, содержащихне только легкие,но и средние(с зарядом Z >35) ядра, быстрыенейтроны испытываюткак упругие,так и неупругиестолкновения,а затем, когдав результатестолкновенийнейтрон потеряетбольшую частьэнергии, онначнет терятьэнергию толькона упругихстолкновениях.В среде с легкимиатомами рольнеупругихстолкновенийзначительнослабее.Так, замедляющаяспособностьводы вычисленас учетом кислорода.Несколькобольшая замедляющаяспособностьу парафина.Высокую замедляющуюспособностьуглеводородовобъясняетсильное влияниеорганическихпримесей наточность приизмерениивлажности почвнейтроннымметодом. Используясвойство разнойзамедленностинейтронов вматериалах,создаютсянейтронныевлагомеры.

5.2.7 Инфракрасныевлагомеры

Известно, чтов молекулесуществуютдва основныхвида колебаний— валентныеи деформационные.Колебания, вусловиях которыхатомы остаютсяна осях валентнойсвязи, а расстояниямежду атомамипериодическиизменяются,называют валентными.Под деформационнымипонимают колебания,в условияхкоторых атомыотходят от осивалентныхсвязей. Посколькуэнергия деформационныхколебанийзначительноменьше энергиивалентныхколебаний, тодеформационныеколебаниянаблюдаютсяпри большихдлинах волн.

Валентныеи деформационныеколебаниясоздают основные,обладающиенаибольшейинтенсивностьюполосы поглощения,а также обертонныеполосы, имеющиечастоты, кратныеосновной.Интенсивностьобертонныхполос поглощенияменьше интенсивностиосновных.

Разграничениеспектров похарактерупоглощениясовпадает сэнергетическимделением инфракрасной(ИК) областиизлучений наближнюю область,соответствующуюобласти обертонов,и среднюю,соответствующуюобласти основныхколебаний.

ГлавнойособенностьюИК-спектровявляется то,что поглощениеизлучениязависит нетолько от молекулыв целом, но иот отдельныхгрупп присутствующихв этой молекулеатомов. Этоположениеявляетсяосновополагающимдля ИК спектральногоанализа вещественногосостава и определенияколичеств техили иных группатомов, присутствующихв исследуемомматериале.

Получаюти исследуютИК-спектры спомощью специальныхприборов —спектрометровили спектрофотометров,в которых излучениеисточниканаправляетсяна исследуемыйобразец черезмонохроматор,выделяющийиз интегральногопучка излучениймонохроматическоеизлучениетой или инойдлины волны.

Излучение,прошедшее черезконтролируемыйматериал,улавливаетсяприемником,а сигнал, формируемыйприемником,усиливаетсяи обрабатываетсяэлектроннымблоком. Обычнов видимой иближней ИК-областяхисточникамиизлученияслужат лампынакаливания,а приемниками— фоторезисторы,напримерPbS, GaS, InSb и т.п. Всредней и дальнейИК-областяхисточникамиизлучений могутбыть накапливаемыекерамическиестержни, априемниками- термопары,болометры ит.п.

Количественныйанализ содержанияв контролируемомматериале тогоили иного компонентадостаточнопрост, еслиимеется полосапоглощенияданного компонента,не перекрывающаясяполосами поглощениядругих компонентов.Тогда глубинаполосы хорошокоррелируютс концентрациейисследуемогокомпонента.

Прибор обычнорегистрируетпрозрачностьхарактеризующуюотношениепотока, прошедшегочерез вещество,к потоку, падающемуна вещество:

5.2.8 Кондуктометрическиедатчики

Капиллярно-пористыевлажные материалыс точки зренияфизики диэлектриковотносятся кмакроскопическинеоднороднымдиэлектрикам.Их неоднородностьобусловленав первую очередьналичием вкрапленийвлаги в основной(сухой) материал.Кроме того,подавляющеебольшинствоестественныхи промышленныхматериаловнеоднороднопо своему химическомусоставу, содержитпримеси, загрязненияи воздушныевключения.

Для таких материаловхарактернопревалирующеевлияние влажностина электрическиесвойства материала.Являясь в сухомвиде изоляторамис удельнымобъемнымсопротивлениемPv=10¹⁰—10¹⁵ом-сми выше, в результатеувлажненияони становятсяпроводниками:величина Pyпонижаетсядо 10^-2—10^-3ом-см.Удельноесопротивлениеизменяется,следовательно,в зависимостиот влажностив чрезвычайношироком диапазоне,охватывающем12—18 порядков.Неоднородностьдиэлектрика,наличие в немвлаги сказываютсяне только навеличине удельнойпроводимости,но и на качественныхособенностяхэлектропроводности:на ее зависимостиот температурыи напряженностиэлектрическогополя.

5.2.9 Выбор метода

Для моеготехническогозадания наиболееполно подходиткондуктометрическийметод измерениявлажности.

Метод высушиванияочень надежен,но имеет большуюпогрешностьи достаточноограниченнуюобласть применения.Конструкциясушильныхшкафов достаточносложна и дорогостояща.

Дистилляционныйметод, как ужеоговаривалось,имеет многонедостатков,таких как:огнеопасноеи хрупкоеоборудование,большая погрешность.

Экстракционныйметод слишкомсложн в своейпостановке.Используютсярасходныематериалы.

Химическийметод в отличиеот других методовучитываетсодержаниесвязанной водыв материале,достаточнопрост, но используетрасходныематериалы.

СВЧ-технологияизмерениявлажностинадежна, позволяетбесконтактноизмерять влажностьматериала, нопо сравнениюс кондуктометрическимметодом болеесложен в исполнении.

Нейтронныйметод измерениявлажности имееточень маленькую погрешность(0,3-1%), удобен дляизмерениявлажностипочвы, бетона. Но слишкомбольшой объемнавески (слой10-20см или сфераD=15-40см),влияние напоказанияорганическихпримесей, фоноваярадиоактивность,делает его неприменимымк текущемутехническомузаданию.

Инфракрасныйвлагомер сложен.Требует дополнительноедорогостоящееоборудование(спектрометр,монохроматор).

В отличие отвсех вышеперечисленныхметодов кондуктометрическиедатчики являютсяочень чувствительными(изменениеудельногосопротивленияна 10-12 порядков),конструктивнолегко выполнимы,не требуютдополнительнодорогостоящихприборов вбольшей степениотвечает моемутехническомузаданию, а главноедополнительномуусловию: измерениевлажностисыпучих материалов.

3. Выбор и описаниедатчика

Основным требованием,предъявляемымк датчикамэлектрическихвлагомеров,является требованиевоспроизводимостифакторов, влияющихна результатыизмерения. Всвязи с этимв некоторыхдатчикахпредусматриваютсядополнительныеустройства,предназначенныедля созданияодинаковыхусловий подготовкиили введенияобразца материалав междуэлектродноепространство.Кроме того, кконструкциидатчиковпредъявляютсяи другие требования,как-то: небольшойвес (особеннов переносныхвлагомерах),высокое сопротивлениеизоляции, котороедолжно бытьв несколькораз выше максимальногосопротивленияматериала междуэлектродами.Последнеетребованиевлечет за собойнеобходимостьтщательнойочистки и наблюденияза состояниемизоляции впроцессеэксплуатации,особенно привозможностизагрязненияили увлажненияизоляции исследуемымматериалом.

Для кондуктометрическихвлагомеровбыло разработаномного конструкцийдатчиков; нижерассматриваютсянаиболеехарактерныедатчики, нашедшиепрактическоеприменение.

Попринципу действиядатчики длясыпучих материалових можно разделитьна две группы:

1. датчикибез уплотнениясыпучего материала

2. датчикис принудительнымуплотнениемматериала вмеждуэлектродномпространстве.

Основнымнедостаткомдатчиков первойгруппы являетсяразличнаястепень уплотненияматериала междуэлектродами,сильно влияющаяпа электрическиехарактеристикиматериала.Скорость ивысота паденияматериала приего введениив датчик, случайныесотрясенияи удары по датчикуменяют уплотнение.Для получениявоспроизводимыхусловий измерениянеобходимыспециальныеприспособленияи соблюдениеопределеннойметодики введенияобразца, обеспечивающиепостоянствовысоты и скоростипадения материалав таких датчиках.Даже при соблюденииэтих условийэлектрическоесопротивлениематериала принизкой влажности(до 12—13%) весьмавелико, чтонесколькоусложняетизмерение. Ещеважнее тообстоятельство,что при измерениисопротивлениязернистых икусковых материаловрезультатизмерениязависит отсостоянияповерхностиотдельных зеренили кусков(например, отее шероховатости,запыленности).Также сильновлияет на результатыгранулометрическийсостав материала.В этих датчикахтрудно получитьпостоянноесопротивлениеконтакта материалас электродами.

По указаннымпричинам внастоящее времядатчики безуплотненияприменяютсятолько в автоматическихвлагомерах,где постоянствоуплотненияматериалаобеспеченосамим измеряемымобъектом и гдеполностьюиспользуютсяпреимуществарассматриваемоготипа датчиков— простотаконструкциии удобствоустановки напотоке сыпучихматериалов.

В датчикахнеавтоматическихкондуктометрическихвлагомеровчаще всегоприменяютпринудительноеуплотнениеобразца сыпучегоматериала. Присжатии сыпучихматериалових проводимостьувеличиваетсявначале достаточнорезко; с повышениемдавления ростпроводимостизамедляетсяи, начиная снекоторойвеличины давления,изменениядавления почтине влияют навеличинусопротивления.Для уменьшениявлияния колебанийстепени уплотненияна результатыизмерениинередко приходитсяприменятьдостаточновысокие давления.В этом заключаетсяосновнойнедостатокдатчиков суплотнением:большие усилиядеформируютобразец и вряде случаев(например, приизмерениивлажностизерна) частичноего разрушают.Вместо материалав естественномего состоянииобъектом измерениястановитсяискусственноспрессованныйбрикет из этогоматериала.Электрическоесопротивлениетакого брикетазависит и отмеханическихсвойств материала,таких, как твердость,стекловидностьзерна и т. п. Припрессованииобразцов высокойвлажностивозможен частичныйотжим влагис ее выделениемна электродах.Кроме того,большие усилияприводят кповышенномуизносу датчика.Деформацияили разрушениеобразца материалапри измерениивлажностиисключаютвозможностьповторногоизмерения, чтотакже являетсяэксплуатационнымнедостатком.

1. Влагомер ВП-4

Г. Б. Пузринпредложил вконце 30-х годовконструкциюзерна, в которомпостояннаянавеска зернаподвергаетсясжатию в постоянномобъеме с помощьюручного пресса.Эта конструкциябыла применена,во влагомереВП-4 Г. Б. Пузринадля зерна, нашедшемв последующемзначительноераспространениев хлебозаготовительнойсистеме Нарис.1 приложения… показанаконструкцияэлектродногоустройствавлагомера ВЭ-2,представляющегособой модификациюприбора ВП-4,разработаннуюв последниегоды. Навесказерна 1 (для пшеницы,ржи, ячменя —8 г, дляовса — 7 г) насыпаетсяв металлическийстакан 2.Одним из электродовслужит кольцо3. изолированноеот стакана спомощью прокладок4. Второй,центральный,электрод 5 соединенс корпусомдатчика.

Конструкцияэлектродоврассчитанана уменьшениевлияния сопротивленияторцовых частейбрикета зерна.Пуансон 6служит дляуплотненияобразца; давлениена пуансонсоздает ручнойвинтовой пресс,снабженныйвизирным устройством,указывающимпредел вращениязажимного винтапри каждомпрессованииобразца. Этоустройстводолжно обеспечитьпостоянстводавления наобразец приопределенияхвлажности.Стакан 2 заключенв футляр 7 издиэлектрика,который позамыслу авторовконструкциипри выполненииизмеренияпредохраняетдатчик от нагреванияруками лаборанта.У описанногодатчика необходимочасто (по инструкциик прибору ВЭ-2перед каждойсменой) проверятьправильностьустановкивизирногоустройства.Проверка выполняетсяс помощьюконтрольногоцилиндра,вставляемогов датчик; в случаенеобходимостиположениевизирногоустройствакорректируется.

2. Влагомер дляпорошкообразныхматериалов

Датчиквлагомераанглийскойфирмы Маркони(Приложение… рис.1)Для измельченныхпорошкообразныхматериаловсостоит из двухосновных частей:ручного винтовогопресса 1 иэлектродногоустройства2. Прессимеет металлическуюскобу с накладкой8 дляподдержаниядатчика рукой,а также опору4 дляустановки настоле. Винтчерез пружину,смонтированнуювнутри стакана5, воздействуетна толкатель6, уплотняющийпосредствомпуансона 7 образецматериалавнутри пологоцилиндра 8.Электродноеустройствоимеет дваметаллическихконцентрическихэлектрода: 9и 10, электрод9 имеетформу кольца,10—чашечкис круговымуглублением.Рабочие поверхностиэлектродоврасположеныв одной плоскости;электродысмонтированыв корпусе,снабженномгнездом 11для подключенияк измерительнойцепи. В этомдатчике в кольцевомкруговом зазоре между электродами,разделеннымитвердым диэлектриком,измеряетсясопротивлениеспрессованной"лепешки" изисследуемогоматериалаВзвешиваниянавески дляопределениявлажности нетребуется.Образец испытываетсяпри определенномдавлении (около0,7 кГ/см²),создаваемомпри вращениирычага пружинаимеет предварительноенатяжение.

3. Датчик влажностидля формовочнойсмеси

Ограничениесилы сжатияматериалакалиброваннойпружиной примененов датчике дляформовочнойсмеси литейногопроизводства(Приложение… рис1). Датчик-щупимеет электродыв виде наклонныхлатунных пластинок1, погружаемыхв формовочнуюсмесь. По мерепогруженияэлектродовсмесь уплотняетсяи ее механическоесопротивлениевозрастает.Давление нарукоятку 2передаетсяэлектродампружиной 3через шток. Приопределенномусилии, соответствующемдавлению электродовна грунт, равному0,5 кГ/см²,кольцо 4замыкает выключатель5 и вводитэлектроды визмерительнуюцепь.

4. Датчик влажностидля зерна

Датчик,применяемыйв распространенномв США влагомередля зерна типаTAG—Heppenstall, уплотняетсыпучий материалв узком зазоремежду двумявращающимисяметаллическимивалками с рифленойцилиндрическойповерхностью.Общин вид датчикапоказан в Приложении… рис2. Однофазныйэлектродвигательмощностью 0,25л. с.вращает черезредуктор(электродвигательи редуктор непоказаны нарисунке) валик1 соскоростью 32об/мин;валик 1 электрическисоединен состаниной датчика.Второй валик2 изолированот корпусастойками 3из электроизоляционногоматериала.Валик 2снабжен пружинящимтрущимсяконтактом иручкой 4для поворачиваниявручную с цельюоблегченияпопадания зернав зазор иливыхода из него.Сцепление междуваликамиосуществляетсячерез слойматериала;последнийпоступает взазор междуваликами иззасыпногобункера 5,изготовленногоиз пластмассы.Валики 1и 2 выполютроль электродов;сопротивлениеслоя сыпучегоматериалаизмеряетсяво время вращенияваликов. Величины зазора междуваликамирегулируютсяс помощью сменныхпрокладок 6в зависимостиот того, какаязерновая культураисследуется.Предельныевеличины зазораравны 0,6ммдля льняногосемени и 3 ммдля кукурузы.Под валиками установленыдва скребка7 из пластмассы;скребки прижимаютсяпружиной 8к поверхностиваликов и очищаютее при вращенииэлектродов.Весь датчиксмонтированна станине 9из чугунноголитья, имеющейдва винта 10для закрепленияна столе.

Датчикс валками отличаетсягромоздкостьюи большим весоми неприменимдля мелкоизмельченныхматериалов,таких, как мука.В то же времяпри примененииэтого датчикарезультатыизмерения независят отвеличинынавески; можноиспользоватьбольшие навески(100— 150г ибольше), значительнолучше отражающиесреднюю влажностьматериала, чеммалые навески,используемыев датчике сручным прессом.Здесь, так жекак и в другихдатчиках спрессованиемматериала, нарезультатыизмерениявлияет износэлектродов,происходящийвследствиебольших усилийпри прессовании.В датчике свалками вследствиеизноса изменяютсяострота нарезкиваликов.

5. Автоматическаявлагоизмерительнаяустановкадискретногодействия АДВ

Автоматическаявлагоконтрольнаяустановкадискретногодействия АДВпредназначенадля определениявлажности зернас целью соответствующегоего размещенияпо хранилищам.

Придиапазоневлажностипшеницы 10...50% шкалаприбора разделенана три части,характеризующиесостояниезерна: «Сухое»,«Влажное» и«Сырое». Установкаработает встационарныхусловиях притемпературеокружающеговоздуха —5...+35°Си относительнойвлажности до80%, питание отсети переменноготока напряжением220 В.

Всостав блок-схемывходит первичныйпреобразователь,который периодическизаполняетсяпробами зерна,отбираемогоиз автомашинс помощьюпневмопробоотборщика.Преобразователемуправляеткомандныйприбор.

Показанияпотенциометрадублируютпоказанияизмерительногоприбора. Питаниеизмерительнойсхемы установкиот системыпитания состабилизированнымнапряжением.

Имеющеесяв составеавтоматическогопотенциометрапозиционноерегулирующееустройствоуправляетработой печатающегомеханизма,с помощью которогона приемныхдокументахфиксируетсякатегориявлажностизерна.

В

лияниетемпературызерна на электрическуюемкостьконденсатора-преобразователяавтоматическиустраняетсяс помощьюнаходящегосявнутри неготермокомпенсатора.

Проба зерна,вынутая изавтомашиныпневматическимпробоотборником,в определенномобъеме попадаетв приемныйбункер 10,выполненныйиз изоляционногоматериала,и удерживаетсяв нем заслонкой/, которая устанавливаетсяв горизонтальноеположение спомощью электромагнита8.

По сигналу,полученномус командногоприбора, отключаетсянапряжениепитания электромагнита5, а заслонка 1под действиемпружины 4и силы тяжестизерна мгновенноповорачиваетсявокруг своейоси- 2и устанавливаетсявдоль стенкибункера 10.Проба зернапри этом попадаетв измерительнуюячейку кондуктометрического-преобразователя,находящегосямежду электродами9. В ячейкезерно удерживаетсязаслонкой 8,которую поднимаети удерживаетв горизонтальномположенииэлектромагнит6.

По истеченииопределенноговремени, необходимогодля измеренияи работы печатающегомеханизма, сэлектромагнита6 снимаетсянапряжениепитания, заслонка8 под действиемпружины 7 и силытяжести зернаповорачиваетсявокруг своейоси 5 и преобразовательосвобождаетсяот зерна. Черезне котороевремя по командеприбора наэлектромагниты3 и 6 поступаетнапряжениепитания и ониподнимаютзаслонки 1 и8. После этогопреобразовательготов к приемуновой порциизерна.

П

риложение…

Рис1Датчик влажностидля зерна спрессованиемобразца.

П

риложение…

Рис.1Датчик влажностидля порошкообразныхматериалов.

Приложение…

Рис.1Датчик влажностис вращающимисявалками.

ПриложениеА

Р

ис1.Зависимостьвлажности Fsatот температуры.

Рис2. Семействохарактеристикабсолютнойи относительнойвлажности приразличныхтемпературах.

П

риложениеБ

Рис1Конструкциядатчика влажностина основе LiCl:

1-Платиновый резистор.

2-Стеклотканьc LiCl.

3-Электроднаяспираль.

Р

ис2Зависимостьтемпературыпереходногосостояния tuот точкиросы для датчикавлажности наоснове LiCl.

П

риложениеВ

Р

ис1Принципиальноеустройстводиэлектрическогодатчика влажности.

Рис2Зависимостьемкости датчикаCs ототносительнойвлажности Fret.

П

риложение…

Рис1Датчик влажностидля зерна спрессованиемобразца.

П

риложение…

Рис.1Датчик влажностидля формовочнойсмеси.

П

риложениеЕ

Рис1Датчик влажностидля формовочнойсмеси.

Рис2Датчик влажностис вращающимисявалками.

П

риложение…

Рис.1Датчик влажностидля порошкообразныхматериалов.

Название,тип датчика	Назначение	Диапазонизмерения %	Погрешностьизмерения %	Температураматериала C	Масса,кг
АВ зернаАВЗК-1 Влагомерзерна (полевой)типа ВЗПК-1 Переноснойвлагомер ВЗМ-1 Экспресс-влагомертипа ВСЛК-1 Влагомер ВСМК-1М ВлагомерВП-4 Влагомер дляпорошкообразных материалов Колос-1 Влагомердля формовочнойсмеси	Измерениеи запись влажностизерна Экспрессноеопр. влажностизерна без размола Опр. влажностизеленой массы(силоса) Экспресс определениевлажностиконопли Экспресс-определениевлажностильна, подсолнечника,сои Измерениевлажностиржи, ячменя Измерениевлажностиизмельченныхматериалов Влажностьпотока зерна Экспресс-определениевлажностибетона, цементаи т.д.	10…30 10…45(пшеница) 15…35(ячмень) 10…90 10..50 5…40 5…30 10…60 10…40 15…80	При влажностидо 17% -1, выше -1,5 – 4 1,5 При влажности 5-17%-1, при 17-25-1,5,выше-3 При влажности 5-15%-1, выше1,5 При влажности 10-20%-1,20-35%-1.5, свыше35%-4 10-20%-1,свыше-1,5 15-25%-1 25-40%-2 40-60%-4,60-80%-7	– – 5…50 – – – – – 10-100	– – 12 – – – – – 2

Таблица1. Влагомеры.