ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ПОЛУЧЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ О ВЕЛИЧИНАХ, СВЯЗАННЫХ С ВЛАЖНОСТЬЮ

Для исследования ряда процессов и создания высо­кокачественных систем управления ими необходимо по­лучение информации не только о влажности материалов и окружающей их среды (воздуха), но и о других вели­чинах, являющихся производными от влажности или же связанных с ней; для этого используют методы измере­ния, описанные в предыдущих главах^

Датчики и приборы данной категории можно разде­лить на следующие группы:

А) средства измерения градиентов влажности газов и твердых материалов;

Б) устройства для дифференцирования величины влажности (измерения производной влажности по вре­мени) ;

В) устройства для совокупных измерений влажности и других, связанных с ней величин;

Г) средства измерения физических величин, техниче­ских и экономических показателей, связанных функцио­нальной зависимостью с влажностью.

Необходимость в измерениях градиентов (перепадов) влажности воздуха в пространстве возни­кает при аэрологических исследованиях (измерение вер­тикальных градиентов воздуха), исследованиях процес­сов сушки, интенсивности испарения, теплового баланса поверхности почвы и т. д.

Известны градиентомеры влажности воздуха, осно­ванные на применении психрометрического метода.

Принцип действия этих приборов основан на зависи­мости градиента упругости водяного пара Де от показа­ний двух психрометров, вытекающей из психрометриче­ской формулы (7-1):

(Де=АЕЫ+АрМм—А рМс, (11-7)

Где МС, — разность температур сухих и мокрых тер­мометров; Д£м — разность значений упругостей насы­щенного пара при температурах мокрых термометров; Р — атмосферное давление; А — психрометрический ко­эффициент.

Соотношение (11-6) осуществляется различными спо­собами. Известные градиентомеры с сухими и увлажнен­ными проволочными термометрами сопротивления, на­пример описанный в {Л. 11-26], имеют измерительную схему, содержащую несколько мостов, и отличаются сложностью и громоздкостью.

От указанных недостатков в значительной мере сво­бодны психрометрические градиентомеры с термистора - ми [Л. 7-5].

.Автор разработал автоматический прибор для кон­троля разности значений абсолютной влажности воздуха в двух точках :[Л. 11-27] с применением электролитиче­ских подогревных датчиков. Прибор имеет простую кон­струкцию (используется всего два датчика) и может применяться для непрерывных измерений.'

Измерительная схема представляет собой уравнове­шенный мост. Плечи Ri и Rz содержат термометры со­противления датчиков, установленных в контролируемых точках. Между смежными плечами Rt и Rz включен уравновешивающий реохорд. Как было показано в §7-1, такой мост является дифференциальным. Обозначим че­рез х относительное перемещение движка реохорда и через R — сопротивление постоянных плеч моста.

Условием равновесия моста является

JC = 0,5-0,5 .

Н

Уравнение шкалы моста показывает, что: а) переме­щение движка реохорда прямо пропорционально разно­сти сопротивлений обоих датчиков; б) х=0,5 для RI=R2, т. е. равенству сопротивлений датчиков соответ­ствует положение движка в середине реохорда. Прибор, следовательно, позволяет измерять знакопеременные градиенты.

Градиентомеры для измерений в пограничных слоях над поверхностями испарения (исследования в области массопереноса, биологии и т. п.) должны дополнительно удовлетворять требованию предельной миниатюризации датчиков во избежание возмущения полей влажности. Для этого удобно применять психрометры с миниатюр­ными термопарами (§ 7-1).

Контроль градиентов влажности в твердых материа­лах имеет большое значение для интенсификации про­цессов сушки; необходимо контролировать влажность в минимальных объемах внутри влажного материала («точечное измерение»).

Для этого можно применить кондуктометрические влагомеры с миниатюрными игольчатыми электродами. Датчик выполнялся, например, на базе медицинской иглы из нержавеющей стали с диаметром отверстия око­ло 1,5 мм. Вторым электродом служила проволока (диа­метром 0,3—0,5 мм), вводимая во внутреннюю полость иглы. Зазор между электродами заполнялся гидрофоб­ным или гигроскопическим диэлектриком; в последнем случае измерение влажности основано на принципе ги­дротермического равновесия (см. § 10-2).

Градиентомер влажности древесины, разработанный в ЦНИИМОД [JI. 3-12], представляет собой кондукто - метрический влагомер. Датчик прибора имеет несколько (до десяти) электродов в виде металлических игл с изолированными стержнями; токоведущими являются только их головки.

Электроды вводятся в отверстия, высверленные в дре­весине до различной глубины. Подключая к влагомеру с помощью переключателя различные пары игольчатых электродов, получают информацию о перепаде влажно­сти между соответствующими слоями древесины.

Рассмотрим устройства для дифференци­рования величины влажности. В обычные регуляторы производная от влажности по времени мо­жет вводиться в качестве форсирующего сигнала с целью улучшения качества регулирования. При автоматической оптимизации процессов сушки этот параметр может определять критерий оптимальности процесса.

Для указанной цели можно использовать автомати: ческие влагомеры и гигрометры в сочетании с дифферен­циаторами непрерывного или дискретного действия. Однако в большинстве производственных процессов ско­рость изменения влагосодержания газов и особенно твер­дых материалов весьма мала. Известно, что при диффе­ренцировании медленно изменяющихся сигналов возни­кают значительные затруднения, обусловленные малым абсолютным значением производной по времени и небла­гоприятным отношением полезного сигнала к помехам. В связи с этим для дифференцирования влажности были созданы специальные устройства.

Разработанное автором {Л. 11-27] устройство непре­рывного действия для дифференцирования влажности твердых материалов имеет введенный в толщу материа­ла обычный датчик электрического влагомера. Второй датчик — это электрический гигрометрический датчик, измеряющий влажность материала по методу гигротер - мического равновесия (см. § 10-2). Измерительные устройства преобразуют общую входную величину обоих датчиков — влагосодержание материала в напряжения Uі и t/2. Вычитающее устройство (электронный диффе­ренциальный усилитель) вычитает сигнал t/2 из L/t.

В [Л"1] показано, что при некоторых упрощаю­щих допущениях устройство в целом можно рассматри­вать как идеальное-дифференцирующее звено с переда­точной функцией:

Р(р)=Ызр(т+Т), Где iku кз — коэффициенты передачи влагомера и диффе­ренциального усилителя; Т, т — постоянная времени и запаздывание второго датчика; р — оператор дифферен­цирования.

В совокупных измерениях влажности и других физи­ческих величин важнейшее место занимают измерения влажности и температуры. При кондиционировании воз­духа в жилых и производственных помещениях характе­ристика комфортных условий для людей связана не только с температурой и относительной влажностью воз­духа, но и со скоростью его движения и температурой окружающих поверхностей.

Однако был предложен - ряд упрощенных уравнений для вычисления «термовлажностного показателя» ТН, служащего для оценки микроклимата в помещениях; на­пример, одна из формул Бюро погоды США:

TH=d—Q,55 (1—<р) (T—58), где і— температура, °Ф; <р — относительная влажность в долях единицы.

Устройства для определения значения ТН (этот по­казатель иногда называют «эффективной температурой») состоят из датчиков температуры и влажности и вычи­слительного устройства, основанного на том или ином уравнении. В большинстве случаев — это очень простые приборы с применением сухого и смоченного термомет­ров (ртутно-стеклянных, манометрических, биметалличе­ских) или термометра и датчика влажности с чувстви­тельными элементами деформационного типа. Вычисли­тельное устройство механического типа непосредственно перемещает указатель по шкале, градуированной в еди­ницах ТН.

Значительно сложнее управлять производственными процессами по заданной программе, связывающей влаж­ность материала с его температурой. Решение задачи этого типа для процесса активного вентилирования зер­на описано в [Л. 11-28].

Прибор, измеряющий разность температур поверхно­сти твердого материала и точки росы окружающего воз­духа, позволяет осуществить автоматическую защиту от конденсации влаги на поверхности материала с целью предотвращения коррозии металлов, порчи строительных материалов или конструкций, упаковочных оболочек и т. п. При уменьшении указанной разности температур до заданного предела прибор приводит в действие устройства, подогревающие и осушающие воздух или поверхность материала. Информация об указанной раз­ности температур используется также перед нанесением защитный покрытий различных видов на большие по­верхности (например, судов, мостов, труб и т. п.) для увеличения долговечности этих покрытий.

На аналогичных принципах строятся устройства для автоматического оповещения о гололеде на автомобиль­ных дорогах. Один датчик измеряет температуру дорож­ного покрытия, второй — влажность воздуха. При соче­тании значений указанных параметров, соответствующем возможности возникновения гололеда, вычислительное устройство выдает известительный сигнал.

Системы предупреждения обледенения нужны также для аэродромных покрытий, железнодорожных стрелок, передающих антенн (радиолокационных и телевизион­ных) и друїих объектов. В них используют иногда кон - дуктометрические датчики поверхностной влажности, например копланарные с кольцевыми или гребенкооб - разными электродами. Рабочая поверхность датчика совпадает с поверхностью защищаемого объекта. Для того чтобы датчик реагировал и на появление льда или сухого снега на этой поверхности, его снабжают элек­трическим нагревателем для расплавления твердых осадков и осушки датчика после срабатывания сигнали­затора.

Результаты измерения некоторых параметров мате­риалов зависят от их влагоеодержания и в ряде случаев в соответствующих измерительных приборах целесооб­разно непрерывно и автоматически компенсировать влияние влажности. Однако такие компенсаторы влаж­ности до настоящего времени применялись очень редко. Примером может служить измерительная система, по­зволяющая вести раздельный учет содержания чистой нефти и воды в нефтеводяной эмульсии, поступающей из скважины и имеющей высокое влагосодержаиие (до 70%) (JI. 11-29]. Система представляет собой сочетание импульсного объемного счетчика количества жидкости с диэлькометрическим влагомером непрерывного дей­ствия, имеющим проточный датчик на трубопроводе, по - которому протекает нефть.

Устройства, относящиеся к группе, указанной в п. «г» (из перечисленных в начале этого параграфа), позволя­ют измерять некоторые физические величины, прямо или косвенно связанные с влажностью материалов.

Одной из таких величин является сосущая сила F (см. '§ 1-1), широко используемая при исследовании всех процессов переноса почвенной влаги и контроля влаго - обеспеченности растений; ее можно использовать и для других капиллярно-пористых материалов. Известно мно­го методов и приборов для прямого и косвенного опре­деления сосущей силы '[J1. 11-30]. Важным требованием к ним является возможность работы в условиях полевых или естественного произрастания без отбора пробы исследуемого материала. Эта задача решается с по­мощью электрических гигрометров различных типов. В соответствии с формулой (1-2) измерение величины F (или pF—LgiF) сводится к измерению относительной влажности воздуха, находящегося в гигротермическом равновесии с объектом измерения. Некоторые исследо­ватели применяли описанные в § 7-1 микропсихрометри­ческие датчики с использованием эффекта Пельтье, уста­навливаемые в миниатюрной измерительной камере. С использованием такой камеры объемом около 2,7 см3 С уплотнением из эпоксидных смол измеряли, например, сосущую силу иа отдельных участках поверхности листь­ев растений IJI. 11-31].

Другим параметром почв и грунтов, который можно определить прямым измерением с помощью электриче­ского влагомера, является их пористость в условиях естественного залегания. Зависимость между пори­стостью и электрическими параметрами рыхлых почв, насыщенных водой, описывается эмпирическими форму­лами, связывающими удельное сопротивление водонасы - щенной почвы [Л. 11-32] или ее диэлектрическую прони­цаемость [JI. 3-14] с естественной пористостью. Техника измерений в полевых условиях описана в указанных ра­ботах.

Наименее разработана группа устройств, позволяю­щих на основании информации о влажности и других параметрах производственных или физических процес­сов вычислить некоторые экономические, технико-эконо - мические и энергетические показатели этих процессов.

Предложенная автором для процессов сушки схема [Л. 11-33] использует описанный выше прибор для изме­рения разности влагосодержаний воздуха в двух точках. Объект сушки включен в разомкнутую циркуляционную систему, в которую вентилятор непрерывно нагнетает подогретый или подсушенный воздух, являющийся аген­том сушки, или атмосферный воздух, который только перемещает удаленную влагу; в последнем случае для сушки может использоваться радиационная энергия, токи высокой частоты и т. п. Необходимо обеспечить от­сутствие утечек воздуха из объекта.

Датчики непрерывно измеряют абсолютную влаж­ность авх и авЫх воздуха на входе и выходе объекта, а выходной прибор измеряет разность аБЫХ—свх; одно­временно расходомер измеряет расход Q воздуха через контролируемый объект. Произведение B—Q(ABых—авх) Равно мгновенному значению количества влаги, удаляе­мой в ходе сушки; эту величину вычисляет множитель­ное устройство, а интегрирующий элемент позволяет

Определить количество влаги В= J уда-

О

Ленное за время T.

Если одновременно измерять ваттметром, тепломером или другими приборами электрическую мощность или Количество тепла, расходуемые на сушку, можно с по­мощью одной из известных схем деления получить не­прерывную информацию о важнейшем энергетическом показателе процесса сушки — удельных затратах элек­трической энергии или тепла на единицу массы удаляе­мой влаги.

[1] В принципе возможно применение четырехэлектродного датчи­ка и в диэлькометрических влагомерах, основанных на измерении сдвига фазы ЦЛ. 3-'1].

[2] Ом. стр. 25.

[3] В литературе распространено сокращение «точка росы»; точку льда иногда называют точкой ниея. /

[4] Для измерения влагосодержаний, начиная с нескольких сотен м. д., предлагалось использовать в кулонометрических датчиках ме - ■'афосфат натрия, карбонат калия или гидрат окиси калия, однако ати материалы не нашли практического применения.

292

[5] Под эффективностью датчика подразумевается отношение ко­личества влаги, поглощенного датчиком, к полному количеству влаги в прошедшем через датчик объеме газа.