ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЛАГОСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ

Характеристиками, используемыми в диэлькометриче - ском методе, являются зависимости удельных электриче­ских параметров материала от его влажности, свойств и состояния, а также от условий измерения:'

А) влажностные характеристики электрических пара­метров материала — зависимости є и tg б или других па­раметров, в том числе и комплексных, от его влажности W (или влагоеодержания и) при постоянных значениях частоты поля f, температуры материала t, степени уплот­нения (для дисперсных материалов) и других величин, влияющих на результаты измерения;

Б) частотные характеристики-функции Є (f) и tgfi (f) При постоянстве W, t и других величин, характеризую­щих состояние материала;

В) температурные характеристики — функции е(/) и tgfi(Ј) при постоянстве W, f и других факторов;

Г) характеристики, описывающие зависимость элек­трических параметров материала от его состава, плотно­сти, распределения влаги и т. д.

Имеется большое количество экспериментальных дан­ных о диэлектрических характеристиках влагосодержа­щих материалов. Использование этих данных требует, однако, определенной осторожности, так как результаты измерений, проведенных в разных условиях и по различ­ным методам, не совпадают, а иногда противоречат друг другу. Недостатком большинства экспериментальных ра­бот является также то, что они охватывают измерения лишь одного или нескольких материалов в ограниченном диапазоне частот и, следовательно, не дают возможности получить достаточно общие выводы.

В последние годы в СССР и - за рубежом был выпол­нен ряд работ, относящихся к влажностным и частотным характеристикам влажных материалов в широком диапа­зоне частот и позволяющих выявить некоторые общие закономерности [Л. 0-1, 2-9—2-12].

В этих исследованиях использовалась разнообразная измерительная аппаратура. На звуковых и низких радио­частотах— до 100—150 кгц — основным измерительным прибором служил мост переменного тока с питанием от генератора звуковой частоты. В диапазоне радиочастот от средних до метровых волн (/=0,1 н-50 Мгц) наиболь­шее применение нашли широкополосные радиочастотные мосты с уравновешиванием по модулю и фазе, например выпускаемый в СССР мост типа Е10-2 (ИППМ-1). Па­раллельно с этим для частот 0,1—100 Мгц применялись куметры по разработанной А. В. Нетушилом и его со­трудниками методике измерения параметров материалов с большими диэлектрическими потерями и учета влияния паразитных параметров датчика и измерительного кон­тура {Л. 2-13]. Снятие характеристик на перечисленных ■приборах требует больших затрат времени; в процессе измерения может измениться влажность образцов. По­этому заслуживает внимания возможность некоторой автоматизации получения частотных характеристик на основе применения генератора качающейся частоты с не­посредственным наблюдением амплитудно-частотной ха­рактеристики на экране осциллографа [Л. 2-14] или ее записью с помощью двухкоординатного самописца [Л. 2-10].

Для измерений параметров диэлектриков *на сверх­высоких частотах были разработаны многочисленные ме­тоды и установки [Л. 2-15]. Исследования влажных мате­риалов выполнялись чаще всего методами измерений в свободном пространстве (см. § 4-3). Более точные значения электрических параметров позволяют получить волноводные методы, например. метод «бесконечного слоя» в модификации с согласованной нагрузкой (с вы­сокими потерями), имеющей прямой контакт с образцом материала [Л. 2-16], а также резонаторные методы.

Перейдем к рассмотрению основных характеристик.

Вл ажностныехарактеристикислужат 'осно­вой градуировки влагомеров и в значительной степени определяют их метрологические свойства. Линейные влажностные характеристики имеют лишь немногие ма­
териалы. К ним относятся некоторые жидкие диэлектри­ки; у твердых материалов такой характер зависимости встречается реже и только для узких диапазонов влаго­еодержания.

У подавляющего большинства материалов е и tg б увеличиваются с ростом влажности быстрее, чем следо­вало бы при наличии линейного закона; относительная крутизна характеристики tg6(W,). как правило, больше,, чем характеристики e(W).

Зависимости E{W) при разных условиях измерения можно описать монотонно возрастающими функциями. В широком диапазоне влагосодержаний их можно ап­проксимировать ломаной прямой, состоящей из двух отрезков с одной сопрягающей—«критической» влаж­ностью №Кр (рис. 2-4). На участке Ц7< И7кр крутизна характеристики (и соответствующая ей чувстви­тельность влагомера) значительно меньше, чем па участке W>WKp. Такой характер был установлен для зависимостей є' (W) и є" (W) мно­гих материалов при частотах поряд­ка нескольких мегагерц и на СВЧ, а также для зависимостей от влаж­ности ослабления А и фазового сдвига проходящей волны сантиме­трового диапазона; это отражает зависимость электрических свойств материала от состоя­ния и форм связи влаги. Сингулярная точка (с абсцис­сой, равной W1(p) приблизительно соответствует переходу от мономолекулярного слоя к влаге полимолекулярной адсорбции. В области W<. энергия связи воды весь­ма значительна и диэлектрическая проницаемость, опре­деляемая в основном электронной и атомной поляриза­цией, мала и зависит главным образом от є сухого веще­ства. В области преобладания свободной влаги (№> >WKP) происходит плавное уменьшение энергии связи, увеличение подвижности молекул воды и связанное с этим увеличение диэлектрической проницаемости си­стемы.

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЛАГОСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ

Рис. 2-4. Типичная влажностная харак­теристика капилляр - нопористых материа­лов.

Характеристики материалов, состоящих из компонен­тов, различных по своим водоудерживающим свойствам (и соответствующим им энергиям связи воды), могут
иметь больше одной сингулярной точки. На положение этой точки оказывают некоторое влияние также степень дисперсности системы и частота поля.

Что касается абсолютных значений є' и є", то при по­стоянной частоте они определяются (особенно в области W>WKp) не столько электрическими параметрами сухо­го вещества, сколько его водоудерживающими свойства­ми и п-ористой структурой.

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЛАГОСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ

При сравнении зависимостей e'(W) и є"(W) различ­ных категорий твердых материалов (макропористых, поли- капиллярнопористых, коллоидных-капиллярнопористых

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЛАГОСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ

Рис. 2-5. Зависимости B(W) (а) и TgS (W) (б) твердых материалов.

1 — окись алюминия: 2 — зерно; 3 —табак; 4 уголь; 5 —песок; 6 — гравий.

И коллоидных) наблюдается перемещение этих характе­ристик в сторону оси W по мере увеличения активной по­верхности (площади поверхности микро - и макрокапил­ляров). Выше других проходят кривые D'(W) и E"(W) Песка и гравия, которые почти не содержат влаги микро - пор и адсорбированной. Вполне закономерно также уве­личение «критической» влажности WI<P с повышением гигроскопичности материала.

Такой вид имеют влажностные характеристики в раз­личных, далеких друг от друга диапазонах частот. На рис. 2-5 показаны экспериментальные зависимости є(W) и tg6(l^), полученные при частоте 500 кгц (JI. 2-17], а на рис. 2-6—'зависимости E'(W) и E"(W) на частоте 9,4 Ггц [Л. 2-9] для группы типичных материалов, отличающихся гигроскопическими свойствами.

Частотные характеристики влагосодержа­щих материалов имеют форму, обусловленную неодина­ковым влиянием частоты на разные виды поляризации. Это влияние различно в зависимости от содержания, со­стояния и форм связи влаги в материале; ввиду этого целесообразно рассматривать комбинированные частот- но-влажностные характеристики материалов.

Характеристика природы диэлектрических потерь в широком диапазоне частот (рис. 2-3) показывает, что в области низких частот преобладающее значение имеют потери, связанные со сквозной проводимостью. В этом диапазоне значения е определяются главным образом

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЛАГОСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ

Рис. 2-6. Зависимости в'(W) (а) и (б) на СВЧ.

/— песок; 2 — полиамид; 3 — картофельная мука; 4—силика - гель.

Медленными видами поляризации; большое значение име­ет поверхностная проводимость.

По мере роста частоты возрастает роль релаксацион­ных процессов. В диапазоне от 103 до (107-f-0,5-108) гц С ростом частоты наблюдается плавное уменьшение е, сначала резкое, а затем замедленное.

. Примером типичной частотно-влажностной характе­ристики для этого диапазона может служить зависимость е('W, if) для хлопка-сырца с влажностью 10<;й?<;20% 50 [Л. 2-18]:

g е=А+BW40~cle

Где А, В, С — постоянные, зависящие от сорта хлопка, его плотности, температуры, проводимости воды и т. д.

Зависимость tg6(/) при преобладании сквозной про­водимости близка к гиперболической; с повышением ча­стоты tgfi уменьшается, стремясь к определенному пре­делу. Зависимость от частоты є и tgfi выражена более резко при высоких влагосодержаниях. При низких вла­госодержаниях (точнее, в области превалирования свя­занной влаги) частотные зависимости электрических па­раметров имеют характер такой же, как у сухого материа-

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЛАГОСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ

Рис. 2-7. Зависимость диэлектрических свойств целлюлозы от длины волны Л при влагосодержаниях: / — 30%; 2—18%; 3—12%; 4 — 4,5%.

Ла (неполярного диэлектрика), — значения є и tgfi прак­тически не зависят или очень мало зависят от частоты. С ростом влагосодержания увеличивается влияние ча­стоты на є' и є".

Иллюстрацией к сказанному могут служить экспери­ментальные характеристики целлюлозы (рис. 2-7) [Л. 2-19].

В рассматриваемом диапазоне частот (до 50 Мгц) При повышении частоты кривые E'(?W) и становят­

Ся более пологими и чувствительность диэлькометриче - ского влагомера уменьшается.

В широком диапазоне частот характеристики в'(f) и є" (О имеют одну или несколько областей дисперсии ди­электрической проницаемости, которым соответствуют максимумы диэлектрических потерь. Иногда в предшест­вующей области частот имеется другой экстремум — ми - нимум є". Такие экстремумы (наблюдаемые у ряда ма­териалов также на температурных характеристиках) осо­бенно выражены в области полимолекулярной адсорб­ции, причем повышение влагоеодержания перемещает максимум потерь в сторону более высоких частот.

При измерениях на СВЧ по методу ослабления в сво­бодном пространстве укорочение длины волны влечет за собой (при прочих равных условиях) увеличение абсо­лютной величины ослабления, т. е. повышение чувстви­тельности влагомера; причем влияние повышения часто­ты растет с увеличением влажности. Это было установ­лено для твердых материалов различной структуры ЇЛ. 2-20], а также для нефтей с низким влагосодержани - ем [Л. 2-21].

ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПСИХРОМЕТРЫ

Психрометрический метод является одним из старей­ших и распространенных в 'промышленности, метеороло­гии и научных исследованиях методов измерения влаж­ности воздуха при положительных температурах. Он основан на зависимости между влажностью воздуха и разностью …

Методы измерения влажности

М. А. БЕРЛИНЕР Методы измерения влажности твердых материалов, жидкостей и газов, основанные на преобразовании влаж­ности в другую физическую величину с использованием современной измерительной техники, насчитывают всего несколько десятилетий; некоторые из …

МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ ВЛАЖНОСТИ

Задачи метрологического обслуживания измерений влажности возникли сравнительно недавно, после того как эти измерения заня­ли место одной из отраслей аналитической техники. Как и в других отраслях измерительной техники, основной метрологической' зада­чей …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.