Измерительные преобразователи влажности

При контроле влажности воздуха и газовых смесей применяют психрометрический, гигроскопический, электролитический методы, а также метод точки росы [19, 21].

Психрометрический метод является наиболее простым и надежным. Он основан на зависимости испарения воды от влажности воздуха. Психрометр Августа состоит из двух одинаковых термометров, закрепленных на общем основании (рис. 2.14). Чувствительный элемент одного из термометров обернут тканью (фитилем), свободный конец которой опущен в стеклянный резервуар, заполненный водой. По капиллярам ткани вода поднимается вверх, и баллон этого термометра смачивается водой («мокрый» термометр). Второй термометр называется «сухим». За счет испарения воды с поверхности фитиля рабочая жидкость в баллоне мокрого термометра охлаждается. Поэтому показания мокрого термометра ниже, чем показания сухого. Разность показаний сухого и мокрого термометров называют психрометрической разностью. Чем суше воздух, тем больше эта разность. Относительная влажность воздуха находится по показаниям сухого и мокрого термометров с помощью психрометрической таблицы. Основным недостатком этого психрометра является то, что чувствительные элементы термометров не защищены от лучистого теплообмена.

Более совершенным является аспирационный психрометр Ассмана (рис. 2.15). Здесь оба термометра заключены в металлические трубки, через которые с помощью вентилятора прокачивается воздух со скоростью 2,5—3 м/с.

Гигроскопический метод контроля влажности основан на том, что некоторые материалы, (например, обезжиренный человеческий волос, различные полимерные материалы) с изменением влажности воздуха изменяют свои линейные размеры. Это используется в гигрометрах.

Рис. 2.15. Психрометр Ассмана

Рис. 2.14. Психрометр Августа.

и в гигрографах. Гигрографы — это самопишущие приборы для контроля относительной влажности. Они применяются в санитарной технике и метеорологии. Чувствительный элемент гигрографа представляет собой пучок обезжиренных человеческих волос, капроновую нить или круглую мембрану, изготовленную из специально обработанной гигроскопической пленки. Изменение относительной влажности воздуха вызывает изменение длины пучка волос или прогиба мембраны, которые преобразуются передаточным механизмом в перемещение стрелки с пером по диаграммной ленте, приводимой в движение двигателем или часовым механизмом.

Промышленные электронные психрометры используют для измерения и регулирования относительной влажности воздуха и газов. В качестве чувствительных элементов применяются «сухой» и «мокрый» термометры сопротивления R_c и R_M, включенные в смежные плечи мостовой измерительной схемы автоматического электронного моста типа КСМЗ или КСМ4 (рис. 2.16). Проходящий через датчики анализируемый воздух или газ обтекает термометры с одинаковой скоростью. При изменении относительной влажности воздуха изменяется R_M, условие равновесия мостовой схемы нарушается и в измерительной диагонали моста появляется разность потенциалов, пропорциональная относительной влажности.

Принцип действия метода точки росы основан на зависимости температуры, при которой из окружающего воздуха или газа выпадает влага в виде капелек росы, от относительной влажности. Упрощенная схема, реализующая этот метод, приведена на рис. 2.17.

Рис. 2.17. Схема метода точки росы.

Через цилиндр 1 с зеркально отполированной внешней поверхностью пропускается хладоноситель, который охлаждает его стенки. Пока не достигнута температура точки росы, лучи от источника света HL отражаются зеркальной поверхностью цилиндра и попадают на фотопреобразователь BL. Его сопротивление резко уменьшается и через обмотку реле К1 протекает максимальный ток. Реле срабатывает и своими контактами К1 и К2 размыкает цепь питания нагревательного элемента R_H и цепь, соединяющую термопару 2 с автоматическим электронным потенциометром КСП. Как только поверхность цилиндра охладится до температуры точки росы, на ней выпадет влага, и световой поток, падающий на фоторезистор BL, резко ослабится, что приведет к резкому снижению тока через обмотку реле. Реле отключается, контакты К1 и К2 замыкаются. Контакт К1 подключает термопару 2 ко входу КСП и происходит измерение температуры точки росы, а следовательно, и относительной влажности. Нагревательный элемент получает питание, нагревает хладоноситель и стенки цилиндра. Влага удаляется с зеркальной поверхности. Прибор приходит в исходное состояние, и цикл измерения повторяется.

Электролитический метод (рис. 2.18) основан на свойстве солей поглощать влагу из окружающей среды с последующей диссоциацией молекул на ионы и изменением электрической проводимости. В простейшем виде измерительный преобразователь представляет собой подложку из изоляционного материала, на которую нанесен слой соли, к которому подведены электроды для подачи питания.

В качестве соли обычно используется LiCl. Датчик включается в мостовую измерительную схему вторичного прибора. На рис. 2.18 приведена принципиальная электрическая схема регулятора относительной влажности воздуха, применяемого при автоматизации систем.

Рис. 2.18. Схема электролитического метода.

кондиционирования воздуха. Температурная погрешность датчика компенсируется с помощью терморезисторов R_tl, R_t2. Задатчиком относительной влажности является потенциометр R₅. Потенциометрами Я₄ и Я₆ измерительный мост настраивается в процессе изготовления и тарировки прибора.

При изменении относительной влажности на выходе измерительного моста формируется сигнал, управляющий выходным реле. Выходное реле через свои контакты К формирует сигнал на исполнительный механизм, обеспечивающий стабилизацию регулируемого параметра.

При контроле влажности твердых и сыпучих материалов применяют следующие методы: кондуктометрический, диэлькометрический, нейтронный, микроволновый (СВЧ-метод) [19, 21].

Кондуктометрический— это самый простой из электрических методов. Установка состоит из источника постоянного или переменного тока низкой частоты, двух электродов (обычно в форме игл), соединительных проводов, миллиамперметра и ячейки, заполненной материалом, влажность которого контролируется. Принцип действия: чем больше влажность материала, тем меньше его электрическое сопротивление, тем больше ток в цепи. Современные приборы измеряют электрическое сопротивление материала между иглами и по заложенной в память микропроцессора формуле вычисляют процентное содержание влаги. Для каждого материала используется своя полуэмпирическая зависимость вида R = a/W^b, где а и Ъ — полуэмпирические параметры. Метод является весьма грубым, так как неизвестна концентрация солей в воде и неясно, за счет каких ионов осуществляется ток (ионов Н⁺, ОН" или ионов солей). К достоинствам метода следует отнести простоту, несложный и быстрый способ измерения. Недостатками метода являются: 1) значительное влияние качества контакта игл с исследуемым материалом на результаты измерения; 2) невозможность измерения влажности ниже 5—8% портативными приборами. Для этого нужен источник высокого напряжения 500—1500 В, с помощью которого измеряют большие значения электрического сопротивления; 3) приходится частично разрушать исследуемый материал.

В диэлъкометрическом методе используется зависимость диэлектрической проницаемости материала от его влагосодержания. Для воды относительная диэлектрическая проницаемость равна 81, а для сыпучих материалов она порядка нескольких единиц. Таким образом, диэлектрическая проницаемость материала сильно зависит от его влажности. В этом методе применяют высокочастотный генератор электромагнитных колебаний (f ~ 10⁶—10⁷Гц, обычно 3—30 МГц), С ~ 10 пФ. В современных приборах датчики прижимают с усилием 5—10 Н к поверхности древесины или бетона и производят замер. ВЧ-токи проникают в материал на глубину 20—30 мм, прибор оценивает величину затухания токов, которая зависит от свойств материала и от его влажности. Микропроцессорный блок устройства пересчитывает величину s в абсолютную влажность. В памяти влагомера обычно хранятся данные о плотности материалов, на которые он рассчитан. Предварительный выбор пользователем породы древесины или марки бетона перед измерением увеличивает точность получаемых результатов. К достоинствам метода относятся: 1) высокая точность измерений и широкий диапазон измерения влажности; 2) высокая скорость получения результата замера;

3) влагомер не повреждает поверхность исследуемого материала.

Диэлъкометрический влагомер (рис. 2.19) состоит из конденсаторного датчика, заполняемого исследуемым материалом, и измерительного устройства, измеряющего полное сопротивление датчика, его емкостную или активную составляющие. Применяют резонансные, мостовые и дифференциальные схемы измерения, работающие в ВЧ-диапазоне. Для градуировки влагомера используют набор образцов с различными значениями влажности, определяемыми образцовым методом (методом высушивания).

Схема состоит из ВЧ-генератора на транзисторе VT1, емкостного датчика С5, выпрямительного моста на диодах VD1—VD4 и микроамперметра. При увеличении влажности материала, помещенного в емкостной датчик, увеличивается емкость конденсатора С5 и уменьшается его емкостное сопротивление, что приводит к увеличению тока через микроамперметр, включенный в диагональ выпрямительного моста.

Нейтронный метод измерения влажности основан на эффекте замедления быстрых нейтронов в процессе взаимодействия с протонами.

воды, содержащейся в материале. В этом методе применяется источник быстрых нейтронов. Сквозь небольшое отверстие поток нейтронов попадает на контролируемое вещество, а затем в приемник, содержащий инертный газ при давлении в несколько мм рт. ст. Быстрые нейтроны теряют свою энергию в основном при столкновении с протонами воды. При прохождении быстрых нейтронов с энергией Е > 0,5 МэВ сквозь вещество в результате упругих столкновений с протонами воды они превращаются в медленные, которые, попадая в детектор, вызывают появление импульсов тока. Ионизация газа в приемнике осуществляется при столкновениях замедленных нейтронов с атомами инертного газа. Чем больше влажность материала, тем больше концентрация замедленных нейтронов, тем сильнее импульсы тока в приемной ионизационной камере. Этот метод — самый точный из имеющихся, но он требует надежной биологической защиты. Кроме того, здесь необходима коррекция на плотность испытуемого материала. Нейтронный метод применяют преимущественно для автоматизированного измерения влажности сыпучих материалов, а также для экспрессного измерения влажности бетонных и растворных смесей.

Микроволновый метод основан на просвечивании материалов микроволновым (СВЧ) электромагнитным излучением, характерная частота излучения которого составляет v = 10⁹-^Ю¹⁰ Гц. Под действием электрического поля СВЧ-волны молекулы воды (диполи) начинают совершать колебательные и вращательные движения, ориентируясь преимущественно вдоль силовых линий электрического поля. Благодаря этому определенная часть энергии СВЧ-излучения поглощается. Концентрацию влаги измеряют по ослаблению СВЧ-излучения, проходящего через слой анализируемого материала. В таких влагомерах лента материала проходит между передающей и приемной антеннами. Передающая антенна соединена с СВЧ-генератором, приемная — с измерительным устройством. Чем больше влажность материала, тем слабее сигнал, попадающий в измерительное устройство. Из микроволновых влагомеров хорошо зарекомендовали себя MICRORADAR, M-SenS2, MOISTSCANMA500, Franz Ludwig GmbH (Германия).

На практике применяются также влагомеры ИК излучения. Принцип действия их основан на поглощении или отражении ИК-волн влагосодержащим материалом. Известностью пользуется ИК-влагомер SpectraQuad.