ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ

ПОДАВЛЕНИЕ ВОЗМУЩАЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИИ В ДАТЧИКАХ ВЛАГОМЕРОВ

Способы минимизации влияния (помех, рассматриваемые в на­стоящем параграфе, относятся к влагомерам не только электриче­ским, но и других типов Задача наилучшего выделения полезного сигнала на фоне шумов в части, касающейся датчика влагомера, сводится к подавлению возмущений z и и. По способу оценки вно­симой погрешности влияющие воздействия целесообразно разде - лить„ла:

А) «неучитываемые» (колебания химического состава, распреде­ления влаги и т. п.), определение которых в процессе измерения влажности нецелесообразно из-за малости вносимой погрешности или слишком сложно. Влияние некоторых факторов МОЖНО ограни­чить на стадии предварительного проектирования;

Б) «учитываемые», влияние которых принимается во внимание при измерениях влажности и компенсируется в измерительном устройстве или в датчика

При компенсации в измерительном устройстве датчик должен лишь вводить в него информацию о действительном значении воз­мущающего воздействия. Для этого применяются" встроенные в дат­чик измерительные преобразователи. При компенсации в датчике необходимы активные воздействия иа объект измерения, которые либр служат для устранения самой причины возникновения возму­щения (устройства для очистки электродов, фильтры), либо стаби­лизируют влияющий фактор (например,' давление газа или плот­ность сыпучего материала) на определенном уровне.

Количественную оценку эффективности компенсации возмущаю­щих воздействий в самом датчике дает воспроизводимость процесса преобразования в нем, которую можно оценить среднеквадратичной погрешностью ряда измерений, выполненных па одном и том же образце при наличии только компенсируемых возмущений.

Из неучитываемых факторов одним из важнейших является неравномерность распределения влаги в материале. Как правило, влажность в пределах большого объема твердого материала нерав­номерна и колеблется в некоторых пределах. Объем образца, вво­димого в датчик, должен быть возможно большим, чтобы лучше выражать средние свойства материала. При измерениях влажности проточными или погружными датчиками (без отбора пробы) пред­почтение следует отдавать способам измерения, дающим интеграль­ную (усредненную) оценку влажности всего контролируемого объема материала. Возможность такой интегральной оценки, а также значи­тельного увеличения объема исследуемого образца относится к пре­имуществам физических методов по сравнению с химико-аналитиче - скими.

Из указанных соображений в датчиках диэлькометрических вла­гомеров следует стремиться к максимальной равномерности электри­ческого поля в междуэлектродном пространстве.

Изолирующие детали должны изготовляться из негигроскопи­ческих диэлектриков, а сопротивление изоляции датчика должно зна­чительно превосходить максимальное сопротивление материала меж­ду электродами. Особенно опасно, например, в кондуктометрических влагомерах повышение поверхностной проводимости изоляции, вы­званное пленкой влаги или загрязнением контролируемым материа­лом.

При измерениях влажности материалов, обладающих повышен­ной адгезией, налипание материала, особенно на "электродах влаго­меров непрерывного действия, может стать основным возмущающим фактором. Для устранения налипания применяют ряд способов. Простейшими являются вертикальное расположение деталей, сопри­касающихся с объектом измерения, и выбор материалов для их изготовления. Можно рекомендовать применение гидрофобных ди­электриков, например некоторых фторопластов (тефлон); в датчи­ках диэлькометрических влагомеров из этого же материала изго­товляются защитные покрытия электродов. Иногда предусматривают специальные устройства для периодической или непрерывной очи­стки электродов — механические (скребки, щётки), пневматические или гидравлические (промывка датчиков для жидкостей).

Наконец, в ряде случаев используется непрерывный нагрев электродов, так как повышение температуры их поверхности сда-

СобстЁует устранению налипанйя; таком способ был ирнмснеіі t!0 влагомере для бурого угля [Л. 3-3].

Из возмущающих факторов, информацию о которых получают в датчике, важнейшим является температура. Устранение тем­пературной погрешности путем термостатирования датчика редко применяется во влагомерах. Температурная погрешность определяет­ся погрешностью самого датчика и температурным коэффициентом измеряемой физической величины исследуемого материала; основное значение имеет вторая составляющая.

Температурная погрешность датчика без исследуемого материа­ла обусловлена изменением геометрических размеров электродной системы и изменением свойств (в том числе и электрических) ди­электриков, пспользуемых в этой системе. Для уменьшения ее мож­но применять металлы и диэлектрики с минимальными температур­ными коэффициентами линейного расширения; диэлектрики должны обладать минимальной зависимостью электрических параметров от температуры. Температурная погрешность резко уменьшается при применении дифференциальных датчиков.

На практике в большинстве случаев ограничиваются подбором материалов для электродов и других деталей датчика с учетом их температурных коэффициентов расширения для ■взаимной компенсации изменений размеров при изменениях температуры - в определенных пределах.

Для измерения температуры контролируе­мого материала применяют известные методы и -измерительные преобразователи.

В диэлькометрических влагомерах (осо­бенно автоматических) нашло 'применение со­четание температурного преобразователя с электрическим емкостным преобразователем, осуществляемое различными способами.

Предложенная автором конструкция пре­образователя в виде ртутного стеклянного тер­мометра схематически показана на рис. 3-5, на котором: 1 — резервуар с ртутью; 2 — Капиллярная трубка; 3 — электрод на внешней поверхности капилляра (металлический слой, нанесенный распылением на трубку 2) 4— Вывод от электрода S-- 5 ■— платиновая. прово­лочка, впаянная в капилляр (в точке, расположенной ниже - мини­мального уровня ртути); € — внешняя защитная стеклянная трубка. Обкладками конденсатора служат столбик ртути и электрод 3, ди­электриком — стенка стеклянной капиллярной трубки. Емкость, измеряемая между выводами 5 и 4, линейно возрастает с ростом температуры.

В другом конструктивном исполнении конденсаторный преоб­разователь имеет два наружных кольцевых электрода, охватываю­щих внешнюю поверхность термометра; перемещение ртутного стол­бика изменяет емкость между электродами.

Способ температурной компенсации, пригодный для высокоча­стотных влагомеров, основан на применении в колебательном кон­туре, содержащем датчики влажности, конденсаторов постоянной ем­кости с большим отрицательным температурным коэффициентом емкости.

Недостатками описанных емкостных термсжомпеисаторов явля­ются:

А) невозможность или сложность изменения величины темпе­ратурной поправки. Необходимость в таком изменении может воз­никнуть при применении влагомера к различным материалам;

Б) тепловая инерционность, вызывающая у автоматических вла­гомеров дополнительную динамическую погрешность.

Первый недостаток можно устранить, если в измерительное устройство вводится выходной сигнал не самого термодатчика, а его измерительной цепи (например, мостовой схемы, в которую включе­но термосопротивление). Для уменьшения динамической погрешно­сти * следует применять малоинерциониые температурные преобразо­ватели.

Информацию о других параметрах материала (кроме температу­ры) от датчиков влажности получают редко.

Перейдем к рассмотрению способов подавления возмущений активным воздействием па материал. Наиболее распространенными способами являются:

1. Измельчение образца сыпучего материала, освобождающее от погрешностей, связанных с гранулометрическим составом и состоя­нием поверхности частиц; достигается также значительное умень­шение погрешностей от неоднородности влажности материала. Из­мельчение образца чаще всего применяют в кондуктометрических влагомерах. Следует отметить, что для ряда материалов (дубовая кора, некоторые зерновые культуры) при использовании образцов, измельченных и уплотненных относительно высокими давлениями (0,6—0,7 кгс[смг и выше), были получены градуировочные зависимо­сти, совпадающие с градуировочной характеристикой для неизмель - ченных образцов (при той же величине давления).

Для размола зерна до введения в датчик часто применяют ла­бораторные мельнички; опыт показал, что лучшими являются мель - нички с приводом от электродвигателя, дающие тонкое и равномер­ное измельчение образца за короткий промежуток времени. При. применении отдельного измельчающего устройства часть влаги образ­ца теряется до его введения в датчик. Убыль влаги в мельн'ичке указанного выше типа сравнительно невелика и учитывается при градуировке влагомера, ио потери влаги при переносе измельченного образца из мельнички в датчик могут достигнуть больших величин (особенно при работе с зерном повышенной влажности). Они зави­сят от параметров (температура, влажность и скорость движения) окружающего воздуха и промежутка времени между размолом и измерением. Эти факторы могут служить источником неустранимых погрешностей.

Для устранения указанных недостатков, сокращения длительно­сти и упрощения измерений в некоторых влагомерах размол образца зерна происходит непосредственно в датчике, что влечет за собой усложнение его конструкции.

2. Стабилизация плотности материала в воспринимающем эле­менте датчика. Плотность материала оказывает сильное влияние поч­ти на все физические параметры, используемые для измерений влаж­ности твердых тел и жидкостей. Для компенсации погрешности от плотности при измерениях влажности дисперсных материалов — сы­пучих, рыхлых малосвязных, легко деформируемых волокнистых и т. п. — применяют принудительное уплотнение исследуемого об­разца.

Уплотнение сыпучего материала в меЖдуэлсктродном( простран­стве уменьшает влияние не только размеров частиц, но и состояния их поверхности, уменьшает и делает более постоянными контактные сопротивления между отдельными частицами материала и между электродами и материалом. Значение перечисленных факторов осо­бенно велико при измерении влажности сыпучих материалов кондук - гометрическими влагомерами.

При сжатии сыпучих материалов их проводимость увеличивается вначале достаточно резко; с повышением давления рост проводимо­сти замедляется и, начиная с некоторой величины давления, измене­ния давления почти не влияют на величину сопротивления. Для уменьшения влияния колебаний степени уплотнения на результаты измерений приходится применять достаточно высокие давления, со­ответствующие области насыщения зависимости удельного сопротив­ления от плотности материала. В этом заключается основной недо­статок датчиков с уплотнением: большие усилия деформируют обра­зец и в ряде случаев (например, при измерении влажности зерна) частично его разрушают. Вместо материала в естественном его со­стоянии объектом измерения становится искусственно спрессованный брикет из этого материала. Электрическое сопротивление такого бри­кета зависит и от механических свойств материала, таких как твердость, стекловидность зерна и т. п. При прессовании образцов высокой влажности возможен частичный отжим влаги с ее выделе­нием на электродах. Кроме того,. большие усилия приводят к повы­шенному износу датчика. Деформация или разрушение образца ма­териала при измерении влажности исключают возможность повтор­ного измерения, что также является эксплуатационным недостатком.

Если измерения проводятся при повышенной частоте, контактное сопротивление электрод — материал имеет меньшее значение, а зна­чительное повышение проводимости материала между электродами усложняет измерение. _ Поэтому в датчиках диэлькометрических влаго­меров величины удельных нагрузок, как правило, меньше, чем в кон- дуктометрических, и материал не подвергается большим деформа­циям. Конструктивное выполнение устройств для измельчения или уплотнения материала рассматривается ниже при описании конструк­ций датчиков.

3. Эмульгирование пробы, применяемое в неавтоматических элек­тровлагомерах для эмульсий, в первую очередь нефтей, для перевода всей воды в устойчивое диспергированное состояние и предотвраще­ния расслоения эмульсии. Эмульгаторами-служат обычно механиче­ские устройства — мешалка, ласосы, входящие в состав пробоподго- товитсльного устройства влагомера.

Значительно меньшее применение нашли другие способы измене­ния состава или строения исследуемого образца перед измерением влажности с целью улучшения физических параметров, используемых для этого измерения. Для уменьшения диэлектрических потерь в дат­чике можно смешивать сыпучие материалы (в определенном массо­вом отношении) с «растворителем» — дисперсным материалом с ма­лыми « и tg б, например сухим песком. При этом одновременно устраняется влияние поверхностной влаги, но уменьшается чувстви­тельность. Для измерения очень больших влагосодержаний нефтей также применялось смешивание исследуемого продукта-с обезвожен­ной нефтью.

Увеличение удельного сопротивления сливок СЛ. 3-4] достигалось переходом от эмульсии типа «жир в воде», в которой вода с рас - ■І'вореиньшн в ней солями образует непрерывную фазу, к эмульсии «вода в жире» с водой в виде прерывистой фазы. Для этого при­менялся датчик специальной конструкции, в котором сливки перед поступлением в междуэлектродное пространство подвергались интен­сивному механическому воздействию при одновременном охлаж­дении.

Другим способом, сильно влияюшим на характеристики объекта измерения, может служить изменение его температуры. Для измере­ния диэлькометрическим методом низких влагосодержаний в области преобладания связанной влаги сухих молочных продуктов было пред­ложено подогревать их до +60 °С [JI. 3-5]. Диэлькометрические измерения влажности материалов с большой сквозной проводимо­стью, например пищевых продуктов с высокой влажпосгыо, облег­чаются путем перевода свободной влаги в твердую фазу, влекущего за собой повышение удельного ■сопротивления материала. Для дис­кретных измерений с использованием этого способа была предложена конструкция емкостного датчика с термоэлектрическим холодиль­ником.

"Для изменения характеристик объекта можно использовать и другие виды воздействий: упругие колебания, наложение электриче­ского поля различной частоты и напряженности. Перечисленные спо­собы усложняют конструкцию датчиков влажности и процесс измере­ния; в связи с этим они не нашли широкого применения.

Более распространен метод сравнения, в котором один датчик («измерительный») измеряет влажность контролируемого материала, а второй («эталонный») содержит этот же материал, но с постоян­ной влажностью (чаще всего равной нулю). Измерительный и эта­лонный преобразователи конструктивно могут быть объединены в одном датчике. Измерительное устройство сравнивает выходные сигналы обоих преобразователей; так как все свойства материала, кроме влажности, одинаковы, результат измерения является функ­цией одной лишь влажности. Этот способ может обеспечить одновре­менную компенсацию нескольких возмущающих величин — темпера­туры, плотности, химического состава, сорта и других свойств мате­риала. Он нашел применение в некоторых гигрометрах, а также в лабораторных и автоматических влагомерах для жидкостей -— неф - тей и нефтепродуктов. В последних применяются различные физико - механические и физико-химические способы получения обезвоженного «внутреннего эталона».

.В автоматических влагомерах непрерывного действия инерцион­ность этой операции является серьезным недостатком, вызывая боль­шие динамические. погрешности влагомера. Громоздкость и большая длительность получения абсолютно сухого образца еще в большей степени сказываются (цри измерениях влажности твердых материа­лов, где добавляются затруднения, связанные с сохранением неиз­менным этого образца.-

В некоторых датчиках. предусмотрена возможность изменения по­стоянной электродов в процессе эксплуатации.

Перенастройка датчика осуществляется изменением его геоме­трических параметров, чаще всего расстояния между электродами. Она используется не только для обеспечения взаимозаменяемости датчиков при их серийном выпуске, но и для улучшения характери­стик влагомера (повышение чувствительности датчика, настройка на определенный сорт материала) при работе с различными материа­лами.