ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ. ОСНОВЫ КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКОГО МЕТОДА

Основой электрических (кондуктометрического и ди - элькометрического) методов измерения влажности явля­ется зависимость от влажности параметров, характери­зующих поведение влажных материалов в электрических полях. Главной задачей теории этих методов является создание достаточно точных математических моделей влажного материала, описывающих зависимости электри­ческих свойств материала от его влагосодержания и других (параметров, т. е. зависимости вида e=f(W, z) Первичного преобразователя влагомера (рис. В-2). Та­кие модели нужны для анализа и синтеза влагомеров и, самое главное, для перехода от эмпирических методов градуировки и расчета этих приборов к строгим и точ­ным математическим.

Современная теория диэлектриков не дает полного решения этой задачи для капиллярнопористых влагосо - держащих тел, представляющих собой многофазные ге­терогенные системы с резко отличными физическими (в том числе и электрическими) свойствами фаз. Во вла - госодержащих дисперсных системах имеются также по­верхностные фазы, физико-химические свойства которых отличаются от свойств воды в объеме. .Неоднородности состава и структуры, в частности пористой, этих тел обу­словливают неоднородности внутреннего электрического поля, оказывающие влияние на электрические параметры тела. 32

Такие-системы нельзя рассматривать как механиче­ские смеси сухого вещества и влаги. Для создания упо­мянутых математических моделей необходимо макроско­пическое (электротехническое) и микроскопическое (мо­лекулярное) приближения физики диэлектриков допол­нить физико-химическим подходом, учитывающим со­стояние влаги и ее формы связи с сухим веществом. Вто­рое существенное требование — исследование парамет­ров материалов в широком диапазоне частот.

Для удовлетворения указанных требований приходит­ся использовать преимущественно не аналитические, а экспериментальные зависимости.

Наиболее простой характер имеет зависимость от влажности проводимости' материала при постоянном токе, а также при промышленной и низких звуковых ча­стотах, т. е. при существенном преобладании чисто оми­ческой проводимости, вызванной перемещением носите­лей заряда.

Влагосодержащие материалы, являясь в сухом виде диэлектриками с удельным объемным сопротивлением Pv= 1010—1015 ом-см и выше, в результате увлажнения становятся полупроводниками; величина pv понижается до 10-2—Ю-3 ОМ'см. Удельное сопротивление изменяет­ся, следовательно, в зависимости от влажности в чрез­вычайно широком диапазоне, охватывающем 12—18 по­рядков. Неоднородность диэлектрика, наличие в нем вла­ги сказываются не только на величине удельной прово-. димости, но и на качественных особенностях электропро­водности: на ее зависимости от напряженности электри­ческого поля и температуры. Проводимость таких мате­риалов не является чисто ионной. С другой стороны, эти материалы не являются химически чистыми полупровод­никами, у которых носителями тока являются только электроны атомов полупроводникового вещества. Основ­ное количество носителей тока дает влага. Чистая вода имеет заметную электропроводность (pv~22-106 о м-см При +20°С); важнее, однако, сильное диссоциирующее действие, оказываемое водой на многие электролиты. Электропроводность твердого материала определяется электролитами, растворенными в воде; эти электролиты содержатся главным образом в самом материале. При этом характер зависимости удельной электропроводно­сти материала от содержания влаги определяется рас­пределением влаги в нем, зависящим в свою очередь от
пори-стой структуры материала, формы пор, их размеров и характера распределения.

При измерениях влажности гигроскопических мате­риалов возникают затруднения при оперировании удель­ными электрическими характеристиками. У этих мате­риалов удельное электрическое сопротивление не являет­ся строго неизменной характеристикой. В определенных условиях сопротивление датчика зависит от напряжения на измерительных электродах, что приводит к нелиней­ности вольт-амперной характеристики. Еще большее влияние имеют конфигурация электродов и их механи­ческие воздействия на материал.

Поверхностная электропроводность диэлектриков не является четко определенным понятием. Величина тока, протекающего между электродами, расположенными на

Одной стороне поверхности диэлектрика, зависит от того, одинаковы ли проводимости поверхностного и внутрен­них слоев материала или имеется поверхностный слой с заметно повышенной по сравнению с внутренними слоями проводимостью.

При оценке влажности материала по его проводимо­сти ток, проходящий через внутреннюю область материа­ла, лучше характеризует установившуюся среднюю влажность материала по сравнению с током поверхност­ной утечки или током в поверхностном слое. Однако практически на результат измерения сопротивления дат­чика с материалом оказывает влияние не только объем­ный, но и поверхностный ток между электродами.

Из изложенного вытекает, что расчетные и экспери­ментальные значения удельных сопротивлений однозна­чно сопоставимы только при одинаковых условиях изме­рений.

Можно, однако, установить некоторые общие для рас­сматриваемого метода закономерности и в первую оче­редь закон зависимости сопротивления от влажности материала. На рис. 2-І приведены в полулогарифмиче­ских координатах зависимости сопротивления датчика Rx от влажности материала, полученные для различных материалов в различных условиях измерения. Для всех рассмотренных материалов органического. происхожде­ния (как и почти для всех капиллярнопористых материа­лов) зависимость сопротивления Rx от влагоеодержа­ния и в общем виде может быть выражена степенной функцией

(2-1)

Где с и Ik — положительные постоянные, зависящие от исследуемого материала и условий измерения.

График функции (2-1) представляет собой кривую, асимптотически приближающуюся к оси и. Функция Rx(W), используемая в кондуктометрических влагоме­рах, имеет два характерных участка:

А) начальный участок, соответствующий низкой и средней влажности, характеризуется очень высокой кру­тизной и в полулогарифмических координатах может быть аппроксимирован прямой

Lg Rx=a—bW,
где а и Ь — постоянные, зависящие от материала и усло­вий измерения.

На этом участке влагомер имеет очень высокую чув­ствительность к изменениям влажности, являющейся Основной величиной, которая определяет величину Rx, Влияние других факторов на величину iRx незначительно по сравнению с влиянием влажности. Как следствие ре­зультат измерения влажности мало зависит, например, от изменений геометрических размеров электродов;

Б) участок повышенной влажности характеризуется значительным снижением крутизны характеристики RX{W) и соответственно чувствительности влагомера с ростом влажности. На величину измеряемого сопро­тивления начинают оказывать' превалирующее влияние факторы, не связанные с влажностью (химический состав материала и т. д.). Начиная с определенных значений влажности применение рассматриваемого метода стано­вится практически невозможным вследствие недостаточ­ной чувствительности и больших погрешностей влагоме­ра. Кривая не имеет точек перегиба, и переход от первого участка ко второму происходит плавно. Мож­но считать, что для большинства твердых материалов граница между ними близка к максимальной гигроско­пической влажности.

Очевидно, что основная область применения кондук - тометрического метода измерения влажности материала ограничена первым участком характеристики RX(W

При этом нижний предел измерений ограничен труд­ностями, связанными с измерением очень больших со­противлений 101Z Ом), и для большинства твердых материалов соответствует влажности 5—8%-

У неводных жидкостей зависимость электрической проводимости от влагоеодержания в узком диапазоне во многих случаях близка к линейной. Такая связь была установлена, например, для ракетных топлив [Л. 2-1] — гидразинной топливной смеси при измерениях влажности в пределах 0,5—3,3%.

Ионный характер 'проводимости влажных материалов является причиной электрохимических процессов, возни­кающих в системе электроды—-материал при протека­нии через нее постоянного тока; эти. процессы изменяют •проводимость системы. Для устранения эффекта поля­ризации сопротивление датчика измеряют на перемен­ном токе. При этом датчик представляет собой комплекс­ное сопротивление с эквивалентными активной и реак­тивной (емкостной) составляющими.

При переменном токе промышленной частоты влияние поляризации электродов сохраняется, хотя и в значи­тельно меньшей степени, чем при постоянном токе. По­ляризация зависит от природы материала и условий измерения. Повышение частоты тока существенно ослаб­ляет поляризацию электродов, однако с повышением частоты все большее значение приобретают диэлектриче­ские характеристики материала, и кондуктометрический метод переходит в диэлькометрический.