ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ

ГИГРО — И ГИДРОТЕРМИЧЕСКИЙ РАВНОВЕСНЫЕ МЕТОДЫ

Равновесные методы основаны на измерении элек­трических или других физических параметров влагочув - ствительного элемента датчика, находящегося в гигро - или гидротермическом равновесии с исследуемым твердым или жидким материалом. Замена прямого измерения параметров материала измерением свойств вспомогательного тела устраняет или уменьшает по­грешности, связанные с физическими и химическими характеристиками материала. Влагочувствительный эле­мент датчика выбирается заранее; его состав постоянен, и зависимость электрических свойств от влажности более однозначна, чем у обычных влажных материалов.

В зависимости от характера влагообмена между кон­тролируемым материалом и датчиком возможны следу­ющие два метода измерения:

1. Измерение с использованием промежуточной воз­душной (или другой газовой) среды между материалом и датчиком, основанное на гигротермическом равновесии материала с окружающим воздухом и воздуха.-с чувст­вительным элементом датчика. В этом методе влага материала переводится в парообразное состояние, пар переходит в окружающую среду и поглощается чувстви­тельным элементом датчика; перенос влаги может происходить и в обратном направлении. Таким образом, газ служит промежуточным носителем влаги, изменяю­щей свое агрегатное состояние.

2. Измерение при наличии прямого (контактного) влагообмена между материалом и датчиком, т. е. пере­мещения влаги из одного тела в другое без изменения ее агрегатного состояния.

Первый метод будем называть методом гигротермй - ческого равновесия, второй — методом контактного вла - гообмена или гидротермического равновесия. Различие физических процессов, используемых в обоих методах, влечет за собой коренное различие характеристик:

1. Гигротермический метод применим только в преде­лах до максимального гигроскопического влагоеодержа­ния итм контролируемого материала, т. е. для измерения влагоеодержания и^^итж* При контактном влагообмене можно измерять значительно более высокую влаж­ность— в принципе до максимальной влажности намо­кания одного из соприкасающихся тел.

2. В гигротермическом методе датчик не соприкаса­ется с контролируемым материалом, в то время как для измерения по гидротермическому методу необходим хо­роший механический контакт поверхностей материала и чувствительного элемента датчика. Преимущества «бес­контактных» методов измерений общеизвестны; они осо­бенно важны при измерении влажности движущихся изделий и материалов (твердых и жидких), у которых соприкосновение с датчиком вызывает повреждение или загрязнение самого материала или чувствительного эле­мента датчика.

Влагомеры по гигротермическому методу могут иметь единую градуировку в процентах относительной влажно­сти воздуха; эту (градуировку можно использовать для различных материалов с помощью таблиц или графиков перевода в проценты равновесной влажности.

Рассмотрим основные характеристики гигротер- мического метода. Характеристики влагомера оп­ределяются взаимодействием контролируемого материа­ла и чувствительного элемента датчика с воздухом.

Для построения статической характеристики влаго­мера достаточно знания следующих зависимостей: 1) изотермы сорбции — десорбции контролируемого ма­териала; 2) статической характеристики используемого датчика.

По этим характеристикам можно непосредственно построить график зависимости выходной величины дат­чика от влагоеодержания материала. Пример такого построения приведен на рис. 10-1 для хромовой кожи и датчика с оксидной алюминиевой пленкой. Для построе­ния графика использованы изотерма десорбции хромо­вого опойка (рис. 10-1,а) и полученная автором экспе­риментальная характеристика датчика — зависимость полного сопротивления (при 50 гц) от относительной влажности воздуха. Все графики на рис. 10-1 построены для температуры 25 °С. Кроме того, на графике рис. 10-1,6 нанесены точки, соответствующие эксперимен­тальным данным.

Важнейшим из факторов, определяющих статическую характеристику влагомера, помимо влажности является температура. Влияние этого фактора обусловлено, во - первых, перемещением сорбционных изотерм исследуе­мого материала при изменении температуры (см. §1-1)

И, во-вторых, температурными погрешностями, присущи­ми большинству электрических гигрометрических датчи­ков. Для некоторых материалов и типов ЭГД указанные две составляющие температурной погрешности влагоме­ра могут «меть противоположный знак, однако в боль­шинстве случаев необходима компенсация температур­ной погрешности.

Вторым источником погрешностей являеїся сорбцион - ный гистерезис-исследуемого материала; одной и той же относительной влажности воздуха соответствуют два различных значения влагосодержания, определяемые соответственно по изотерме сорбции и изотерме де­сорбции.

На практике влагомер приходится градуировать по средней кривой, расположенной на равных расстояниях от обеих изотерм, благодаря чему уменьшается гистере - зисная погрешность Эта погрешность сильно увеличива­ется при применении датчиков, обладающих сорбцион- ным гистерезисом.

Динамические свойства гигротермического влагоме­ра (исключая измерительное устройство) определяются: 1) инерционностью влагообмена между материалом и воздухом; 2) инерционностью используемого гигрометри- ческого датчика. Динамические характеристики датчи­ков различных типов были рассмотрены в гл 7 и 8. По­верхностный влагообмен зависит от разности концентра­ций влаги на поверхности материала и в окружающей среде и при постоянстве температуры и давления опи­сывается уравнением

^- = рРо(и-«Р(Ю-1)

Где DGJdt — интенсивность перемещения влаги; Р—коэф­фициент влагообмена; ро — плотность сухого материала; « — ■среднее влагосодержание поверхности материала; Ир — равновесное влагосодержание материала при дан­ной температуре; 5—площадь эффективной поверхности.

При применении (Ю-1) считаем, что величина и рав­на среднему влагосодержанию материала, т. е. исключа­ем из рассмотрения внутренний перенос влаги в мате­риале.

Аналитическое определение инерционности влагооб­мена весьма затруднительно в связи с непостоянством коэффициента р, зависящего от скорости воздуха, фор­мы, размеров и условий обтекания воздухом поверх­ности испарения и т. п.

Если принять р=const, можно аппроксимировать рас­сматриваемый процесс апериодическим звеном 1-го по­рядка. При. использовании гигрометрического датчика, динамические свойства которого соответствуют такому же звену, датчик влагомера можно приближенно описать апериодическим звеном 2-го порядка с переда­точной функцией

<1а2)

Где k — статический коэффициент передачи; Ті — посто­янная времени процесса влагопереноса; Т2 — постоянная времени гигрометрического датчика.

Экспериментальные переходные характеристики до­статочно хорошо согласуются с формулой (10-2). Приме-

339

Няя к этим характеристикам известное построение, мож­но аппроксимировать датчик влагомера последователь­ным соединением звена постоянного запаздывания и аппериодического звена 1-го порядка, причем запазды­вание первого звена характеризует главным образом инерционность влагообмена, а постоянная времени вто­рого звена—инерционность датчика. Для повышения быстродействия влагомера необходимо не только вы­брать быстродействующий гигрометрический датчик, но - и максимально увеличить поверхность влагообмена, уменьшить объем воздуха между датчиком и материа­лом, создать движение воздуха и повысить его скорость. Предлагалось также выдерживать датчик перед измере­нием в течение некоторого времени в среде с постоянной влажностью, в частности с влажностью, близкой к нулю. Такой способ уменьшает погрешности от сорбционного гистерезиса, но усложняет измерение и поэтому пе нашел широкого применения.

При практической реализации влагомеров важнейшее значение имеет выбор типа гигрометрического датчика и связи датчика с материалом, которая должна удовлет­ворять сформулированным выше условиям уменьшения инерционности измерения. Различные способы установки гигродатчика на твердых материалах показаны на рис. 10-2. При измерении влагоеодержания на поверх­ности материала простейший способ (р, ис. 10-2,а) заклю­чается в установке на этой поверхности полой камеры, изготовленной из негигроскопического материала. Во внутренней полости камеры закреплен гигродатчик. Для исключения попадания внешнего воздуха внутрь камеры ее поверхность, соприкасающаяся с материалом, снабжа-' ется уплотняющей прокладкой, а сама камера прижи­мается к материалу грузом, пружиной и т. п.

Для создания движения воздуха в верхней части ка­меры (рис. 10-2,б) монтируется электрический нагрева­тель— миниатюрная спираль из тонкого провода. При нагреве спирали, даже очень незначительном, на 2—3°С выше температуры воздуха, над поверхностью материа­ла создается омывающий гигродатчик конвективный поток воздуха от поверхности материала. В крышке камеры предусмотрены отверстия для прохождения на­гретого воздуха.

На рис. 10-2,е показана камера с перемешиванием воздуха с помощью механической мешалки, установлен­ной внутри камеры и приводимой во вращение (через сальниковое уплотнение) электродвигателем, смонтиро­ванным вне камеры. Мешалка или вентилятор увеличи­вает объем камеры, поэтому описанный способ применим только при исследовании больших образцов материала.

Способы измерения влажности дисперсных — сыпу­чих и волокнистых — материалов, а также материалов

Щу материала зонда, содержащего гигродатчик (рис. 10-2,г), либо к измерению влажности движущегося воздуха, соприкасающегося с внешней поверхностью материала или отсасываемого из пространства между волокнами, зернами или кусками материала. Вентилятор ■может перемешивать воздух внутри камеры (рис. 10-2,е).

Схема, показанная на рис. 10-2Д не требует увели­чения объема камеры и позволяет повысить скорость движения воздуха. Миниатюрный воздушный насос соз­дает в замкнутой системе, состоящей из камеры и тру-

341

Бок для воздуха, циркуляцию постоянного объема воздуха через образец материала; сетка предотвращает унос частиц материала из образца. Необходимым усло­вием успешной работы является отсутствие подсосов внешнего воздуха, т. е. герметичность системы. Объем воздуха в соединительных трубках и насосе должен быть небольшим, а камера должна быть заполнена пол­ностью, но без принудительного уплотнения образца.

Измерения внутреннего влагосодержания твердых монолитных материалов удобнее всего проводить в поло­стях малого объема, выполненных для этой цели в теле материала. Цилиндрическую поверхность отверстия мож­но закрепить металлической трубкой (рис. 10-2,ж); проб­ка из влагонепроницаемого материала закрывает отвер­стие в материале с внешней стороны и оставляет в качестве влагоотдающей нижнюю часть поверхности скважины. Такой способ применим, например, для зон­дирования влажности в различных точках бетонных плотин и других сооружений; металлические трубки вводятся на нужную глубину в бетонную массу при сооружении плотины. Перед выполнением измерения уплотняющая пробка заменяется пробкой, имеющей такие же размеры и 'несущей гигродатчик. Для уменьше­ния инерционности можно и в этом случае применить воздушный насос, установленный - вне скважины, который забирает воздух из полости и возвращает его туда же (рис. 10-2, з).

На схеме рис. 10-2,и показана установка гигродатчи - ка над движущимися листовыми материалами; поток воздуха создается движением материала.

Для того чтобы исключить попадание в циркуляцион­ную систему воздуха, ,не входящего в состав погранично­го слоя, было предложено приемное устройство, показан­ное на рис. 10-3 [JI. 10-10].

Блок 7 из оргстекла установлен на постоянном рас­стоянии от поверхности материала 8 и имеет - две полости, не сообщающиеся между собой. Полость 6 свя­зывает воздух пограничного слоя с камерой, где находит­ся гигродатчик 3, с помощью замкнутой системы, состоя­щей из воздушного насоса 5 и трубок 4. Воздух возвра­щается во вторую полость 2, соединенную с 'наклонными щелями 1, через которые он - выходит под давлением, создавая «воздушную завесу», препятствующую попада­нию наружного воздуха в систему.

Первые влагомеры гигротермического равнойесий имели датчики с волосным чувствительным элементом. Измерения влажности почв проводились с датчиками, представляющими собой сочетание тигрометрического чувствительного элемента деформационного типа со струнным тензометрическим преобразователем. Чувстви­тельный элемент состоял из нескольких полосок древе­сины, выпиленных вдоль волокон.

Влагомерам с деформационными датчиками присущи существенные недостатки. Их инерционность велика; у прибора с чувствительным элементом из древесины

Рис. 10-3. Приемник гигротерми­ческого влагомера для листовых материалов.

Время установления 'показаний исчислялось часами и да­же сутками, у датчиков волосных или с животной плен­кой— десятками минут.

При применении психрометрических датчиков, в ТОМ числе и миниатюрных термопарных, определенные за­труднения связаны с необходимостью увлажнения одного из чувствительных элементов.

Перечисленные недостатки устраняются-или уменьша­ются при применении электрических гигрометрических датчиков. Во влагомерах — лабораторных и автоматиче­ских — применялись, в частности, датчики хлористолити - евые и с оксидной пленкой.

В датчиках влагомеров фирма Sina (Швейцария) применен чувствительный элемент из жидкого электроли­та, удерживаемого капиллярными силами в клиновидном зазоре между кварцевой трубкой и соприкасающимся с ней кварцевым стержнем. В полости кварцевой трубки установлен термокомпенсатор — запаянная трубка, за­полненная тем же электролитом, что и гигродатчик,
и снабженая двумя платиновыми электродами. Сопро­тивления гигродатчика и термокомпенсатора включены •в смежные плечи моствой схемы [J1. 10-11].

К важнейшим практическим применениям рассматри­ваемого метода относятся автоматический контроль и ре­гулирование влажности движущихся тонких листовых материалов ('бумага, целлюлоза, текстильные ткани, фотографическая и кинопленка), :в частности, в процессе их сушки.

Автоматический влагомер для фото - и кинопленки [J1. 7-22] имеет приемное устройство по рис. 10-3, в кото­ром смонтирован малогабаритный электролитический подогревный датчик.

Дальнейшее уменьшение инерционности гигротерми - ческих влагомеров может быть достигнуто при примене­нии в них гигрометров, например, спектроскопических, являющихся практически безынерционными. Этому пре­пятствуют сложность и высокая стоимость указанных гигрометров; имеется, однако, положительный опыт измерения влажности глиняного бруса и керамических изделий с помощью гигрометра коронного разряда (см. ■§ 9-1).

Мало развиты измерения весьма низких влагосодер­жаний (££=^0,5%) твердых тел. Для контроля остаточной влажности обмоток электродвигателей холодильных агрегатов домашних холодильников 'носителем влаги служит фреон, контактирующий с обмотками в течение времени, достаточного для поглощения значительной части влаги. Такой способ можно распространить и 'на другие задачи, причем создается возможность измерений в труднодоступных местах, контроля изделий сложной формы и т. д. Измерение можно выполнять по схеме рис. 10-2,д; необходимо иметь носитель влаги, осушен­ный почти до нуля, и гигрометр (например, кулоно- метрический), позволяющий измерять микроконцентра­ции влаги.

Для жидкостей основным равновесным методом измерения влагосодержания является рассматриваемый ниже гидротермический (контактный). Однако гигротер - мический метод применим и к жидкостям [J1. 5-14].

Простейший способ заключается в измерении влаж­ности воздуха, находящегося в гигротермическом равно­весии с поверхностью 'неподвижной жидкости в замкну­том сосуде. На таком принципе с применением рецирку­ляционного устройства по рис. 10-2,з была основана система автоматического регулирования влагоеодержа­ния растворителей для химической чистки одежды и тканей. Инерционность такого влагомера велика; ее мож­но уменьшить использованием сосуда, на внутренних стенках которого создается тонкая пленка "непрерывно протекающей жидкости, от влагоеодержания которой зависит влажность воздуха, заполняющего сосуд. Были предложены различные конструктивные исполнения тако­го устройства. Влагомер для автоматического контроля потока жидкости ЇЛ. 10-12] имеет термостатированную проточную камеру. Жидкость, поступающая под давле­нием, протекает между двумя вертикальными соосными цилиндрическими трубками, зазор между которыми зна­чительно меньше их длины. ЭГД цилиндрической формы расположен в 'полости внутренней трубки и омывается потоком воздуха, который предварительно контактирует с поверхностью жидкости в выходной воронке камеры.

При общей оценке метода гигротермического равнове­сия следует принять во внимание, что результаты изме­рения влажности свободны от погрешностей, связанных с составом, плотностью и другими параметрами анали­зируемого материала лишь при условии, что эти пара­метры не влияют на изотермы сорбции. Если же, напри­мер, разным сортам материала соответствуют сильно отличающиеся друг от друга сорбционные изотермы, возникает необходимость в раздельных градуировках для каждого сорта. Источником неустранимых погреш­ностей служит также гистерезис сорбционных изотерм. Чувствительность влагомеров обычно очень высока в об­ласти влагосодержаний, соответствующих средним значе­ниям относительной влажности чр; она уменьшается при Ф>б5^-90°/о. а для влагосодержаний, близких к макси­мальному гигроскопическому (ф>96-ь07%)', результаты измерения становятся ненадежными.

Специфическую разновидность гигротермических вла­гомеров образуют приборы, в которых гигрометрический датчик приходит в равновесие. не с окружающей средой (воздухом), а с потоком вспомогательного носителя во­дяных паров — сухого инертного газа (обычно азота или воздуха). Такой способ был реализован с применением кулонометрических гигрометров для автоматического контроля весьма малых влагосодержаний некоторых ор­ганических жидкостей, топлив для реактивных двигате­лей, смазочных и трансформаторных масел. Прямое измерение влагосодержания жидкостей (на основе гидро­термического равновесия) при их протекании" через куло - ыометрический датчик невозможно, так как при этом будет разрушаться влагочувствительная пленка.

В принципе рассматриваемый метод можно использо­вать для любых жидкостей, не дающих паров, которые могут вступать в реакцию с фосфорным ангидридом ку­лоном етрического датчика. При этом используется абсорб­ционный метод с пленочной колонной — абсорбером.

Исследуемая жидкость подается в верхнюю часть цилиндрической камеры колонны, изготовленной из не­ржавеющей стали и имеющей на внутренней поверхности винтовую нарезку. Дозировочный насос создает постоян­ный расход поступающей жидкости. Жидкость в камере стекает вниз и образует на поверхности резьбы тонкую пленку; сухой газ подводится противотоком через ниж­ний штуцер камеры и, соприкасаясь с поверхностью жид­кости, поглощает содержащуюся в ней влагу.

Во избежание уноса контролируемой жидкости газ с поглощенной влагой проходит через расположенный в верхней части колонны каплеотделитель и поступает в измерительный кулонометрический датчик. Величина расхода газа не влияет на результаты измерения при условии, что она больше величины, необходимой для полного удаления влаги из жидкости. Верхний предел этого расхода ограничен, как обычно у кулонометриче - ских датчиков, необходимостью осуществления полного электролиза - влаги. Отношение расходов газа и жидко­сти обычно, не меньше 100: I. При условии постоянства массового расхода жидкости сила тока электролиза оди­накова для любых жидкостей и является однозначной функцией их влагосодержания.

Обычно верхний предел измерений ограничивают не­сколькими или десятками миллионных долей; при этом применяются миниатюрные колонны — абсорберы (например, диаметром 6 мм, высотой 300 мм); для изме­рения более высоких влагосодержаний необходимо более эффективное удаление влаги, т. е. абсорберы должны иметь большие размеры. Постоянная времени всего ана­лизатора для жидкости составляет от 1,5 до 5 мин.

Измерение влажности твердых мате­риалов кулонометрическим методом осуществляется после перевода влаги в парообразное состояние путем 346 нагревания незначительного количества влажного мате­риала в печи и уноса влаги потоком сухого инертного газа.

Во влагомере, построенном на рассматриваемом прин­ципе, применяется высокочастотный нагрев. В рабочей камере высокочастотной печи на платиновой тарелочке устанавливается исследуемый образец влажного мате­риала весом до 25 мг. Нагрев осуществляет ламповый генератор с индуктором, охватывающим рабочую каме­ру. Сухой азот подается в печь под давлением около 1,5 кгс/см2 и вместе с влагой, испаренной из образца, по­ступает в кулонометрический датчик.

Длительность цикла измерения Т устанавливается с помощью реле времени. Для определения количества влаги в образце интегрируют ток электролиза в течение времени Т. Отсчет по шкале выходного прибора интегри­рующего устройства при известной массе образца позво­ляет определить влажность материала.

Температуру в рабочей камере (ее максимальное значение равно 250 °С) и скорость нагрева задают изме­нением параметров (R, С) сеточной цепи лампы генера­тора; при этом изменяется мощность, подаваемая на индуктор.

■Описанный влагомер позволяет измерять весьма низ­кие влагоеодержания, близкие к нулю. В этом заключа­ется его практическая ценность, так как обычный метод высушивания в этой области по ряду причин дает неточ­ные показания. В то же время описанный метод не поз­воляет автоматизировать контроль. влажности и требует дополнительного сложного и громоздкого оборудования для перевода влаги в газовую фазу. Последний недоста­ток относится и к кулонометрическим влагомерам для жидкостей; он остается в силе и при замене кулономет­рического гигрометра другим прибором для измерения низких влагосодержаний (например, сорбционно-терми - ческим), что в принципе вполне возможно.

Кулонометрические приборы для измерения влажно­сти жидкостей и газов представляют определенный инте­рес как один из первых примеров унифицированных средств измерения влажности для всех трех агрегатных состояний тела.

Перейдем теперь к рассмотрению г и д р о те р м и ч е - ского равновесного, т. е. сорбционного контактно­го, метода.

При плотном соприкосновении влагочувствительного элемента сорбционного датчика с контролируемым ма­териалом через соприкасающиеся поверхности происхо­дит обмен влагой в жидком состоянии. Условием гидро­термического равновесия материала и соприкасающего­ся с ним датчика отнюдь не является равенство их влагосодержаний.

Как было показано в § 1-1, кинетика переноса влаги определяется градиентом потенциалов массопереноса 6. В системе двух соприкасающихся тел перенос влаги про­исходит от тела с большим потенциалом к телу с мень­шим потенциалом до достижения равенства их потенциа­лов. Направление переноса влаги может быть и от тела с меньшим влагосодержанием к телу с большим влагосо - держанием, так как оно определяется только соотноше­нием потенциалов. При достижении равновесия на границе соприкосновения потенциалы равны, а влагосо­держание резко изменяется.

Для вычисления статической характеристики влаго­мера— зависимости выходной электрической величины// датчика от влагосодержания их исследуемого материа­ла — необходимо и достаточно знание следующих харак­теристик:

А) зависимости потенциала переноса от влагосодер­жания для исследуемого материала 6х(их);

Б) этой же зависимости для влагочувствительного материала датчика 6Д(ип);

В) зависимости выходной электрической. величины у Датчика от его влагосодержания у(

Характеристику у(их) можно построить, исходя из условий равновесия 6Ж=€Д. Построение характеристики влагомера на основе зависимостей потенциалов от вла­госодержания позволяет заранее решить вопрос о при­годности влагочувствительного элемента для измерения влажности определенного материала в заданном диапа­зоне. Однако до сих пор материал датчиков выбирался эмпирически и также эмпирически производилась их градуировка.

Укажем на некоторые специфические особенности рассматриваемого метода. Чувствительный элемент дат­чика должен обладать высокой гигроскопичностью и максимально развитой поверхностью. Практически не­возможно получить идеальный контакт по всей поверх­ности соприкосновения; следует иметь в виду, что появ - лениё Значительных воздушных прослоек между датчи­ком и контролируемым материалом может внести погрешности по отношению к первоначальной градуи­ровке. Загрязнение поверхности датчика, закрывающее его поры даже частично, увеличивает инерционность измерения, а загрязнение всей поверхности выводит дат­чик из строя. Основным типом датчиков данных влаго­меров являются электрические датчики (ЭГД).

Применению электролитических ЭГД препятствует возможность загрязнения и повреждения чувствительно­го элемента. Исключение составляют измерения в мел­кодисперсных (порошкообразных) материалах, не со­держащих абразивных частиц и загрязнений. Так, например, для измерения влажности (9—14%) пшенич­ной муки успешно применялись хлористолитиевые элек­тролитические датчики. Однако. и в этом случае оказа­лась необходимой очистка чувствительного элемента сжатым воздухом после каждого измерения.

Значительно чаще применяются сорбционные датчи­ки, у которых влагу поглощает весь объем гигроскопиче­ского вещества («абсорбционные» ЭГД). Наибольшее - практическое применение они нашли для определения и дистанционного контроля влажности почвы в условиях ее естественного залегания без выемки образцов и нару­шения структуры. Для этой цели Д. Д. Бойукос [J1. 10-13] предложил использовать гипсовые пластины, снаб­женные металлическими проволочными электродами; такие «гипсовые блоки» закладывались в почву на нуж-- ную глубину; с помощью переносного измерительного моста или Омметра измерялось их омическое сопротив­ление в цепи переменного тока.

■ В СССР гипсовые датчики для измерения влажности почв применяли ряд исследователей, в частности В. П. Остапчик |[J1. 10-14]. Датчики его конструкции пред­ставляли собой отливки толщиной 15 мм и сечением 25X50 мм из химически чистого гипса с жестко закреп­ленными внутренними электродами из медного луженого провода сечением 6 лш2. ■

Гипсовые блоки отличаются простотой конструкции и изготовления; была разработана методика, позволяющая получать датчики, близкие к взаимозаменяемости по своим характеристикам. Однако эти датчики имеют так­же ряд существенных недостатков. Они не охватывают всего диапазона влажности от воздушно-сухого состоя­ния почвы до полевой влагоемкости. Кроме того, прй очень высокой влажности почв гипс начинает разру­шаться. В засоленных почвах применение гипсовых бло­ков возможно только при концентрациях почвенного раствора, не превышающих 2—3 г/zz (в переводе на NaCl); более высокое солесодержание оказывает замет­ное влияние на величину проводимости блоков. Наконец, инерция блоков весьма высока, особенно при отдаче влаги (см. ниже).

Автор гипсовых блоков предпринял ряд попыток устранения этих недостатков, которые, однако, оказались малоэффективными. В частности, он предложил электро­ды в виде сеток из нержавеющей стали, а в качестве материала для изготовления датчиков окончательно выбрал чистый гипс (без добавок солей), прокаленный при низкой температуре (J1. 10-13]. Ряд исследователей предложил использовать в датчиках, закладываемых в почву, стеклянное, нейлоновое или капроновое волок­но с пластинчатыми электродами, например из никеля. Такие датчики обладают большей прочностью и боль­шим сроком службы, более чувствительны к изменениям влажности, чем гипсовые, и позволяют измерять более высокую, влажность. В то же время их сопротивление сильно зависит от солесодержания почв.

Рассмотрим общие характеристики влагомеров, ос­нованных на гидротермическом равновесии. Основной статической характеристикой датчика влагомера явля­ется экспериментальная зависимость выходной электри­ческой величины — чаще всего омического сопротивления Rx — от влажности W исследуемого материала. Обычно ее строят в полулогарифмическом масштабе lg RX(W)-

Форма характеристики зависит как от свойств ис­следуемого материала, так и от свойств датчика.

Химический состав материала оказывает-меныпее вли­яние в рассматриваемом методе, чем при измерениях электрическими влагомерами.

В то же время многочисленные данные, полученные в различных условиях, свидетельствуют о том, что не только абсолютные значения RXJ но и форма характери­стики Rx(W) зависят от свойств влажного материала, в частности от типа почв, и сильно отличаются, напри­мер, у песчаных и суглинистых почв. Аналогичные дан­ные были получены для естественных и промышленных строительных материалов.

Основным фактором; определяющим форму характе­ристики, являются, как уже отмечалось, потенциалы переноса влаги материала и влагочувствительного эле­мента, определяющие метрологические свойства влаго­мера. С этим связано влияние на результаты измерения таких параметров влажного материала, как плотность, гранулярный состав. Решающее значение имеют геомет­рические размеры капилляров датчика и распределение капилляров по размерам, вернее, соотношение этих ве­личин у обоих элементов системы датчик — материал; это отношение определяет величину градиентов потен­циалов.

Очевидно, что наилучшие результаты могут быть до­стигнуты при равенстве 'размеров пор датчика и влаж­ного материала; это приводит к использованию в датчи­ке самого исследуемого материала.

Б рассматриваемом методе наиболее правильно ха­рактеризовать влагосодержаиие материала потенциалом массопереноса. Такая градуировка была бы единой для различных типов почв, а также для других материа­лов.

Одной из особенностей гидротермических влагоме­ров является сорбционный гистерезис их статических характеристик. Гистерезисные погрешности измерения неустранимы; их можно лишь уменьшить выбором дат­чика.

Вторым недостатком (особенно при применении гип­совых датчиков) является значительная инерционность. У этих влагомеров сведена к минимуму - инерционность переноса влаги через воздушную прослойку, присущая гигротермическим влагомерам, однако перенос влаги в абсорбционном ЭГД со значительным объемом сорбен­та также может быть очень длительным. У гипсовых датчиков установившееся значение сопротивления датчи­ка достигалось через 1—2 ч в воздухе и лишь по истече­нии нескольких часов — в почве [JI. 10-14]. Инерция этих датчиков при убыли влаги больше, чем при увлажнении.

Температура оказывает закономерное влияние на результаты измерения — при постоянной влажности и повышении температуры сопротивление датчика умень­шается.

По экспериментальным данным В. П. Остапчика ло­гарифм сопротивления гипсового датчика линейно уменьшается с ростом его температуры;. угол наклона прямых lg Rx(T) мало изменяется с изменением влажно­сти. Это позволяет принять единую величину темпера­турного коэффициента влажности, равную 0,08% на 1 °С.

Засоленность почв или грунтов перемещает характе­ристику lg RX(W) вниз и уменьшает чувствительность к изменениям влажности и температуры. Для каждого типа датчика существует некоторый верхний предел со­держания солей в почве, выше которого точность изме­рения влажности становится недостаточной

Рассматриваемый метод весьма удобен для контроля влажности почв, грунтов, строительных конструкций и сооружений; датчики отличаются своей простотой, а из­мерения свободны от некоторых недостатков прямых электрических методов. Наряду с этим по ряду показа­телей (инерционность, гистерезисные погрешности, огра­ниченные пределы измерений) контактные влагомеры весьма несовершенны. Это в значительной степени явля­ется следствием несовершенства применяемых датчиков, например гипсовых. Необходимо дальнейшее улучше­ние статических и динамических свойств датчиков, в ча­стности разработка способов получения нужной геомет­рии капилляров чувствительных элементов.

Областью, где контактный влагообмен используется более успешно, является измерение влажности жидко­стей, в первую очередь некоторых нефтепродуктов. Изве­стны приборы для контроля влагосодержания (обычно низкого — в пределах до 100—120 м. д.) трансформатор­ного масла, авиационных топлив и т. п., в которых вла- гочувствительным элементом проточных датчиков слу­жили тонкие бумажные мембраны, зажатые между металлическими перфорированными пластинами или кольцами.

Б современных влагомерах для жидкостей использу­ются более совершенные твердые сорбенты — цеолиты, окись алюминия, силикагель. Разработанный в США автоматический влагомер |[Л. 10-15] имеет проточный датчик, встраиваемый в трубопровод. Его чувствитель­ный элемент выполнен в виде коаксиального конденсато­ра с двумя металлическими перфорированными электро­дами; узкий зазор (шириной меньше 1 мм) между ними заполнен мелко измельченным сорбентом. С торцов кон­денсатор закрыт дисками из пористого влагопроницае - мого ■ фторопласта. Измерительная схема работает при частоте 15 кгц на принципе автоматического, уравнове­шивания емк-ости датчика переменным конденсатором, которым управляет следящая система.

Значительный интерес представляет применение для измерений очень низких влагосодержаний жидкостей ЭГД сорбционного типа с тонким влагочувствительным слоем (§ 8-2); в частности, для этой цели использова­лись алюми. ниевооксидные датчики. При этом существен­ное значение имели малые габариты, прочность и малая инерционность этих датчиков." Ограничением является их чувствительность к перегрузкам по влажности. Отсут­ствуют также данные о длительной устойчивости их ха­рактеристик при работе в жидкостях.