Обзор электрических методов измерения влажности


Download 151.88 Kb.
Sana04.10.2022
Hajmi151.88 Kb.
#830681
Bog'liq
ОБЗОР ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ
Termometr Turlari, Фото Ўзсаноатқурилишматериал. 2021, Ўзсаноатқурилишматериаллари 2021 учрашув, Ўзсаноатқурилишматериаллари 2021 учрашув, Лекция №2 (1), Лекция №2 (1), Invoice-126497, MPLAB и PIC 2008, MPLAB и PIC 2008, MPLAB и PIC 2008, MPLAB и PIC 2008, MPLAB и PIC 2008, Ekonometrika, 1-мавзу, uzk радиоэлектрон курилмаларни математик моделлаштириш ва лойихалаштириш

ОБЗОР ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ
Существующие методы измерения влажности СМ можно подразделить на прямые и косвенные. Прямые методы основаны на непосредственном измерении массы или объема воды, выделяемой из материала при анализе. Косвенные методы основаны на определении влаги по изменению массы при сушке пробы материала, по изменению физических и электрических свойств, по химическим реакциям, в которые вступает вода, содержащаяся в исследуемом образце, и др.
Классификация известных методов измерения влажности приведена в работах [2, 8, 42]. Наибольший интерес для практики представляют электрические методы определения влажности СМ. Они обладают рядом преимуществ, к которым прежде всего следует отнести быстроту определения, малую энергоемкость, возможность определения влажности без разрушения образца непосредственно на месте отбора проб.
Однако электрическим методам измерения влажности присущи и некоторые недостатки: их показания зависят от изменения химического состава материала, плотности или натуры, размера и формы частиц, уплотнения, неравномерного распределения влаги в образце, температуры, примесей и прочих факторов.
Из электрических методов наибольшее распространение получили кондуктометрический, емкостный, полной проводимости, диэлектрических потерь, сверхвысоких частот.
Какому из перечисленных методов отдать предпочтение, до настоящего времени нет единого мнения. Так, Ле Руа, Лерринг и Хидрар [50] указывают, что для зернистых материалов, которые могут быть одинаково упакованы, наиболее целесообразно применять емкостный метод; для однородных твердых материалов с незначительным содержанием солей — метод полных проводимостей; для порошкообразных материалов, у которых трудно достичь одинаковой плотности упаковки, — метод диэлектрических потерь. Проф. М.А.Берлинер считает перспективным развитие влагометрических систем на сверхвысоких частотах.
Поскольку во всех перечисленных методах обычно используется один информативный параметр, то ВС, основанные на этих методах, называются однопараметрическими, или однопараметровыми.
Анализ однопараметрических методов измерения влажности показывает их несовершенство, связанное с большой методической погрешностью.
Обычно в однопараметрических ВС измеряемая влажность в общем виде может быть записана
, (1)
где — функция зависимости влажности от а, определяемая раз­работчиком конкретного прибора, измеряющего параметр а.
В свою очередь параметр а, интегральный по своей природе, зависит от соотношения (концентрации) многих компонентов исследуемого СМ: влажности температуры , гранулометрического состава , химического состава , солесодержания , насыпной массы и т. д., т. е.
(2)
Подставив уравнение (2) в уравнение (1), получим выражение для влажности , измеряемой прибором, основанным на однопараметрическом методе:
(3)
Максимально возможная точность определения влажности будет при условии, что функция обратна функции f по величине . Предполагая, что входит в уравнение (2) аддитивно, выражение (3) принимает вид
(4)
Отсюда минимальная абсолютная методическая погрешность однопараметрической ВС составит
(5)
Необходимо отметить, что во многих ВС вводят компенсацию, температуры, считая при этом метод измерения по-прежнему одно-, параметрическим. Такое мнение обусловлено избирательным характером температуры как параметра, а также тем, что это наиболее легко контролируемый параметр.
Поэтому температуру, объемную массу и др. целесообразно считать отдельными параметрами в том случае, если они измеряются отдельными каналами и если их учет осуществляется во входных, промежуточных или выходных цепях схемы.
В некоторых ВС удается стабилизировать или свести к минимуму влияние объемной массы, однако стабилизировать или исключить влияние остальных параметров при однопараметрическом методе не представляется возможным.
Даже при полной компенсации температуры и стабилизации объемной массы относительная погрешность ВС будет иметь вид
(6)
При использовании электрических методов измерения влажности в качестве интегральных параметров используется активное сопротивление , емкость или полное сопротивление ИП с СМ.
Чтобы не учитывать параметры ИП, в дальнейшем будем оперировать удельным сопротивлением , диэлектрической проницаемостью и тангенсом угла диэлектрических потерь СМ.
Удельное сопротивление чистой воды весьма велико. Откуда можно сделать вывод о значительно меньшей зависимости от влажности несолесодержащих СМ, чем СМ, в состав которого входят растворимые соли.
При измерении сопротивления СМ на низких частотах (до 100 кГц) большое влияние на оказывают медленно устанавливающиеся процессы поляризации, макронеоднородности, неравномерность распределения влаги по образцу СМ. Повышением частоты влияние этих факторов можно несколько снизить, но избежать их в целом не удается.
Большое влияние на оказывают объемная масса, сила: сжатия и гранулометрический состав СМ, так как отдельные частицы контактируют между собой по весьма малым площадкам.
Как показано в гл. II, активное сопротивление СМ обусловливается в основном переходным сопротивлением контактных площадок, так как сопротивление частицы обычно на порядок ниже контактного сопротивления и на низкой частоте обратно пропорционально радиусу площадки контактирования и обратно пропорционально корню кубическому или квадратному от силы сжатия (или удельного давления). С увеличением объемной массы увеличивается число контактных площадок, и, следовательно, сопротивление образца СМ уменьшается. Необходимо также отметить нелинейность зависимости от влажности.

Рис.1. Электрические схемы замещения ИП с СМ: – сопротивление 1-й, i-й, n-й частиц соответственно; – электрическая емкость тех же частиц; а, б – зажимы ИП

Измерение на высокой частоте (выше 100 кГц) позволяет несколько уменьшить влияние рассмотренных факторов, но в этом случае нельзя говорить об измерении в обычном понимании этого определения. Здесь нужно учитывать, что на высокой частоте вещественная часть полного сопротивления зависит и от тангенса угла диэлектрических потерь и, кроме того, сама величина становится зависимой от ДП.


Предлагались различные схемы моделирования СМ, например в работе [3]. В простейшем случае схему замещения СМ можно представить в виде параллельно и последовательно включенных активных сопротивлений R и емкостей С (рис. 1). Очевидно, что
(7)
При этом необходимо отметить:
а) если , то
и
зависимостью С от (а следовательно, и от ) можно пренебречь, в то же время R зависит от в большей степени;
б) если , то и зависимость R от и от пренебрежимо мала, а С от зависит значительно;
в) при соотношения (7) выполняются в полной мере и пренебречь какой-либо величиной не представляется возможным.
Следовательно, в общем случае величины и не являются взаимонезависимыми.
Далее рассмотрим зависимость ДП от помех. Очевидно, что измерение ем имеет смысл только на высокой частоте, так как на низких частотах выполняется случай «б» и на результаты измерений сильно влияет .
По нашим представлениям, гранулометрический состав не оказывает непосредственного влияния на , если его изменение не приводит к образованию слоя воды на поверхности частиц и изменению объемной массы. Изменение последней сказывается на величине хотя и в меньшей степени, чем на . Так, например, для частиц сферической формы зависимость от имеет степенной вид с показателем степени от 1 до 3/2.
Величина солесодержания прямого влияния на ем также не оказывает, но, возвращаясь к рис. 1, а также к выражению (7), увидим, что влияние на осуществляется через при выполнении случая «в» и в особенности «б», поэтому в общем случае нужно сказать, что солесодержание влияет на ем/хотя и в меньшей степени, чем на .
Экспериментальные исследования указывают на то, что на низких частотах ем может достигать больших значений, что не увязывается с известными расчетными величинами.
На наш взгляд, это обусловлено структурой СМ и частиц. Поясним это на следующем примере. Допустим, исследуемый образец материала — сплошной куб размером 1 мх1 мх1 м. В простейшем случае схему замещения можно изобразить в виде параллельной -цепи, для которой и ; — абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума.
Представим, что электрод не прилегает вплотную к одной из граней материала, и между ними имеется зазор величиной d. Это эквивалентно включению последовательно с -цепью конденсатора емкостью
.
Рассчитаем проводимость такой цепи путем преобразования Лапласа с применением цепной дроби. Для параллельной схемы замещения получаем
(8)
Предположим, что , тогда из выражения (8) следует

т. е. при уменьшении величины зазора емкость , а следовательно, и кажущаяся будут как бы увеличиваться. Из этого следует, что в реальных материалах, имеющих трещины, полости и малое удельное сопротивление, определяемая существующими методами ДП может достигать больших значений независимо от ДП плотного объема материала.
Аналогичная картина должна иметь место и при измерении ДП СМ за счет контактирования в отдельных точках, скважистости и неоднородности. Именно этим, на наш взгляд, и объясняется большая ДП СМ на низких частотах.
И, наконец, рассмотрим влияние помех на тангенс угла диэлектрических потерь. Для схемы, показанной на рис. 1,

Из этого выражения следует, что влияние изменения объемной массы и гранулометрического состава на будет меньше, чем на R или С, так как при увеличении R будет уменьшаться С и наоборот.
Проведенный анализ показывает, что ни один из рассмотренных параметров не может обеспечить независимость показаний ВС от помех.

2. Берлинер М.А. Измерения влажности. –М.: Энергия, 1973. 400 с.


3. Бородин И.Ф. Выбор электрической схемы моделирования зерновой массы. – Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства. М.: Колос, 1971, №1, с. 42-44.
8. Дубров Н.С., Виноградов Е.П. Современные электрические способы измерения влажности зерна и продуктов его переработки. – Мукомольно-элеваторная промышленность, 1966, №8, с. 14-18.
42. Федоткин И.М., Клочков В.П. Физико-технические основы влагометрии в пищевой промышленности. Киев: Техника, 1974, 308 с.
50. Leray R.P. Lerring and Heddrar. Moisture Measurement by High-frequency Currents. Based on papers presented at the 1963 International Symposium on Humidity and Moisture, Waschington, D. C. p. 244-227.




Download 151.88 Kb.

Do'stlaringiz bilan baham:




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2022
ma'muriyatiga murojaat qiling