ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ

КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКИЕ ВЛАГОМЕРЫ

Характер зависимости сопротивления датчика от влажности материала iRx(W), рассмотренный в ■§ 2-1, а также практические требования обусловливают сле­дующие особенности измерительных устройств кондукто- метричесюйс влагомеров:

А) необходимость измерения сопротивления в весьма широком диапазоне: от 103—104 до 1010—1011 ом и выше;

Б) целесообразность перекрытия всего диапазона из­меряемых сопротивлений минимальным числом поддиа­пазонов (в автоматических влагомерах — одним). Же­лательно, чтобы градуировочная характеристика шкалы влагомера в единицах влажности была равномерной, для чего чувствительность измерительной схемы должна быть переменной;

■в) возможность измерения сопротивления датчика с относительно невысокой чувствительностью и точно­стью, особенно в диапазонах низкой и средней влажно­сти;

Г) невысокие напряжения на электродах, допустимые с точки зрения техники безопасности;

Д) применение в измерительной цепи наряду с по­стоянным током также и переменного тока, преимущест­венно промышленной частоты.

В кондуктометрических влагомерах при относительно невысоком максимальном сопротивлении датчика (Дх<. <108-т-109 ом) используются упрощенные измерительные устройства, позволяющие быстро определить измеряемую величину без вычислений, в частности омметры магнито­электрической системы и с генераторами релаксацион­ных колебаний.

Основанные па принципе омметра со стрелочным при­бором измерительные схемы ряда влагомеров (например, влагомеров для зерна ВЭ-2 и TAG [J1. 0-1]) имеют в ка­честве источника питания батарею сухих элементов со сравнительно высоким напряжением (80—90 в). В кон - дуктометрических влагомерах, разработанных в послед­ние годы, часто применяют транзисторный генератор по­вышенной частоты, питаемый от источника .постоянного напряжения (сухие элементы, малогабаритные аккуму­ляторы) .

Напряжение высокой частоты повышается трансфор­матором и выпрямляется полупроводниковыми диодами (иногда по - схеме удвоения напряжения), благодаря чему получают относительно высокое напряжение, необ­ходимое для цепи датчика. Такой источник питания осо­бенно удобен для переносных приборов; без выпрямителя его можно использовать во влагомерах, работающих на звуковой частоте.

В омметрах с приборами тлеющего разряда использу­ются релаксационные генераторы с лампой тлеющего разряда по простейшей схеме: лампа тлеющего разряда.(например, неоновая), шунтированная емкостью С, при­соединена через последовательное омическое сопротив­ление R к источнику постоянного тока с напряжением U.

Если один из сомножителей произведения RC сделать неизменным, то по частоте колебаний можно определить вторую величину: R или С. Частоту F можно определить различными способами, например по числу вспышек лампы, наблюдаемых за определенный промежуток вре­мени.

Величиной, изменяющейся в функции сопротивления датчика, является также промежуток времени от вклю­чения цепи до первой вспышки неоновой. лампы.

Достоинства измерительных цепей с лампами тлею­щего разряда заключаются в простоте и надежности.

В схемах отсутствует электроизмерительный прибор, они не чувствительны к колебаниям напряжения источ­ника тока (в определенных пределах). Однако точность измерения при применении схем этого типа невысока. Напряжения зажигания и потухания одной и той же лампы являются не постоянными величинами, а слож­ными функциями частоты, температуры, освещенности электродов лампы и величины разрядного тока. На ре­зультаты измерения влияют также изменения емкости и утечки конденсаторов со временем и под действием тем­пературы. Таким образом, релаксационные омметры с лампами тлеющего разряда представляют собой до­статочно грубые измерители сопротивления.

С применением ламп тлеющего разряда можно, одна­ко, осуществить очень простые 'конд у кто метрические бес­шкальные индикаторы и сигнализаторы. Такого рода сигнализаторы в различных модификациях нашли неко­торое распространение на практике. Их относительная погрешность достигает 20—-.25%' измеряемого сопротив­ления датчика.

Автоматические влагомеры во многих случаях рас­считаны на измерение влажности в сравнительно узких пределах; их измерительные схемы проще, чем у широ­кодиапазонных влагомеров.

В большинстве современных кондуктометрических влагомеров измерительная часть представляет собой ом­метр на электронных лампах или полупроводниковых приборах.

Сопротивления до 1011—1012 ом можно измерять ме­гомметрами с применением транзисторов и усилительных ламп обычного типа. Для измерения более высоких со­противлений применяют специальные электрометриче­ские лампы или электронные лампы, работающие в элек­трометрическом режиме. Электрометрические лампы ред­ко применяются во влагомерах; обычно верхний предел измерения ограничивают' величиной Ю10—Ю11 ом. В большей части электронных омметров измеряется па­дение напряжения на сопротивлении с помощью вольт­метра.

Электронные вольтметры автоматических и неавто­матических влагомеров-можно разделить на:

А) вольтметры с измерительной схемой по методу пря­мого преобразования (с усилителями по неуравновешен­ной схеме);

Б) вольтметры с измерительной схемой по мето­ду сравнения (с применением уравновешенных усили­телей) .

Входная цепь одинакова вч схемах обоих типов. В не­автоматических влагомерах приборы имеют одну основ­ную шкалу, а расширение пределов измерения осущест­вляется с помощью входного делителя напряжения, об­разованного сопротивлением датчика и несколькими ка­либрованными резисторами. Делитель питается от стаби- визированного источника постоянного тока; часть дели­теля служит сопротивлением утечки сетки лампы. •

Электронные вольтметры по методу. сравнения имеют ряд преимуществ по сравнению с вольтметрами на прин­ципе прямого преобразования, в частности меньшее влия­ние питающих напряжений на величину выходного на­пряжения и небольшой дрейф нуля.

Наиболее широкое применение нашли многопредель­ные омметры с ламповыми уравновешенными усилителя­ми, в частности с мостовыми схемами с симметричным расположением двух ламп, имеющих параллельное пита­

Ние. Лампы могут иметь анодную - или катодную нагруз­ку, а измерительный прибор включается соответственно между анодами или 'катодами ламп.

В качестве примера рассмотрим принципиальную схе­му влагомера типа ЭВК-1 для кож [Л. 3-17]). Прибор (рис. 4-1) имеет стабилизированный источник питания, состоящий из феррорезонансного стабилизатора (Три Сі, С2), выпрямителя ВІ с фильтром Сз, R, С4 и газораз­рядного стабилитрона Лі, который дополнительно стаби­лизирует напряжения анодной и сеточной цепей. Коле­бания напряжения питания в пределах ± 10%' номиналь­ного" не влияют на показания влагомера.

Прибор позволяет измерять сопротивление датчика Rx как в цепи постоянного тока, так и при переменном

91

Токе с частотой 50 гц (см. ниже). При измерениях На постоянном токе мостовую схему образуют внутренние сопротивления двойного триода Л2, постоянные резисто­ры <R3, IRl И потенциометр

Показьгвающий прибор (микроамперметр цА) вклю­чен через переключатель Пг в диагональ моста. Сетка правой половины Jl2 заземлена, а на вторую сетку через переключатели П2 и П3 подается переменное по величи­не напряжение из цепи датчика.

На постоянном токе прибор имеет три диапазона из­мерения, соответствующие положениям 1, 2 и 3 пере-

Ключателя Пз. Положение 4 используется для настройки электрического нуля схемы посредством потенциометра Rs. Кроме того, после выбора диапазона измерения с по­мощью потенциометра Re микроамперметр устанавлива­ется на 100-е деление. При этом электроды датчика дол­жны находиться в воздухе (Rx=оо). Проверка показаний

92 прибора при наличии материала между электродами производится в положении 5 переключателя IJS; при этом кнопкой К подключают к схеме вместо Rx образцовый резистор Rs.

Пределы измерений для - каждого диапазона опреде­ляются омическими делителями из двух постоянных ре­зисторов: Rio—Rib R12—'Ris и RI4—JRI5. Датчик подключа­ется параллельно меньшему сопротивлению делителя с помощью коаксиального кабеля.

Усилительные уравновешенные каскады широко при­меняются также в измерительных схемах, построенных на - транзисторах.

Простейшая схема (рис. 4-2,а) представляет собой уравновешенный усилитель постоянного тока, собранный на двух триодах / и Т2. Датчик іRx включен в цепь эмит­тера триода 1; второй триод является компенсирующим. Переменные резисторы Ri и Rz служат соответственно для регулировки нуля и чувствительности измерительно­го прибора П, включенного в коллекторную цепь.

Более сложную входную цепь, позволяющую охватить широкий диапазон сопротивления датчика до очень боль­ших значений, имеет влагомер для древесины.

В эту цепь (рис. 4-2,6) входит катодный повторитель на электрометрическом триоде Л}, присоединенный к вы - ■ходу омического делителя напряжения, состоящего из со­противления датчика Rx и набора из трех постоянных резисторов Rr—Rx, соответствующих диапазонам влаж­ности: 6—13, 12—21 и 20—70%. К выходу катодного пов­торителя присоединен один из входов уравновешенного усилителя, собранного на двух полупроводниковых трио­дах. База второго триода присоединена к движку потен­циометра, подключенного к источнику питания. Между эмиттерами обоих триодов включен микроамперметр со шкалой, градуированной в процентах влажности древе­сины. Установка нуля производится при нахождении электродов датчика в воздухе перемещением движка по­тенциометра JRB- В качестве источников питания исполь­зуются две батареи сухих элементов (Et и Е2) напря­жением 22,5 и 1,3 е.

В измерительных устройствах, работающих на пере­менном токе, чаще всего применяются схемы измерения полного сопротивления датчика при частоте 50 гц. Из них наибольшее распространение получила простейшая схема последовательного омметра с магнитоэлектриче - екйм прибором Детекторной системы (рис. 4-3,А); рези­стор, включенный последовательно с прибором, позволя­ет подключать к выходу схемы 6 автоматический потен­циометр. Недостатком последовательного омметра, как и при измерениях на постоянном токе, являются малые чувствительность и точность в начале и конце шкалы.

От этих недостатков в значительной степени свободен измеритель полных сопротивлений по дифференциальной схеме {Л. 4-1].

В двух цепях I и II (рис. 4-3,6), питаемых от сети переменного тока посредством двух одинаковых пони­жающих обмоток трансформатора 1, действуют одинако-

7

Вые по амплитуде и фазе э. д. с. Цепь I содержит сопро­тивление 4 датчика; в цепь II включено переменное со­противление 7. Токи в обеих цепях выпрямляются двумя одинаковыми выпрямителями 2, собранными по мостовой схеме. Выпрямители включены навстречу с полярностью, указанной на рисунке, и прибор 3 показывает разность выпрямленных токов обеих цепей.

Измерение - по компенсационному (пулевому) методу сводится к уравновешиванию измеряемого (полного) со­противления 4 переменным сопротивлением 7; указате­лем равновесия служит прибор 3. Для предварительной •настройки схемы на нуль используется потенциометр 8, При этом в цепь I вместо датчика вводится образцовое сопротивление.

Можно также измерять разность выпрямленных на­пряжений обоих выпрямителей, являющуюся функцией сопротивления 4, с помощью автоматического электрон - ного потенциометра. В этом случае необходима стаби­лизация величины напряжения питания.

Схема отличается простотой и независимостью ре­зультатов измерения от колебаний напряжения питания в широких пределах. Чувствительность измерений воз­растает -с-увеличением сопротивления Rx по закону, близ­кому к линейной зависимости от gRx, т. е. пропорцио­нально уменьшению влажности. Известны дифференци­альные схемы переменного тока с усилителем, собран­ным на двойном триоде (или двух транзисторах).

Применяются также электронные мегомметры пере­менного тока, основанные на сравнении напряжений на датчике и образцовом сопротивлении, т. е. на том же принципе, что и описанные приборы постоянного тока. В некоторых приборах предусматривается возможность измерения сопротивления датчика как при постоянном, так и при переменном токе; переменный ток использует­ся для диапазонов, соответствующих повышенной влаж­ности. У влагомера ЭВК-1 (рис. 4-1) измерительная цепь переменного тока выполнена по схеме последовательного омметра и состоит из обмотки трансформатора Трь со­противления Rx, включаемого переключателями после­довательно с микроамперметром и выпрямителем В-1.

У всех рассмотренных омметров характер зависимо­сти сопротивления датчика от влажности материала Rx(W) определяет нелинейность шкалы влагомера при ее градуировке в процентах влажности. Неравномерность ■шкалы несколько сглаживается в многопредельных при­борах при исключении в каждом из диапазонов крайних участков шкалы.

Более удобны влагомеры с широким диапазоном из­мерений без. переключении пределов, что, в частности, желательно для автоматических приборов. Получение равномерной шкалы в широком диапазоне, влажности, соответствующем линейному участку зависимости lg достигается в мостовых уравновешенных и не­

Уравновешенных схемах применением функциональных (логарифмических) потенциометров или выбором значе­ний постоянных сопротивлений, образующих три плеча моста.

Для спрямления шкалы омметров со стрелочными показывающими приборами применяется схема [J1. 4-2], состоящая из последовательно включенных сопротивле­ния датчика X, добавочного сопротивления R, величину которого можно изменять ступенями с помощью пере­ключателя, и источника постоянного напряжения U= = const. Падение напряжения" на добавочном сопротив­лении R в определенных пределах является линейной функцией IgX.

Значительный интерес представляет (особенно для широкодиапазонных автоматических влагомеров) воз­можность переключать ступени R не вручную, а автома­тически. Эта задача была решена [J1. 4-3] введением функционального преобразователя типа диодной матри­цы между датчиком (сопротивление X) и входом элек­тронного вольтметра. Потенциальный электрод датчика соединен с выводами омического делителя напряжения несколькими цепями, каждая из которых содержит диод и последовательно включенный резистор. При сопротив­лении X—»-оо, т. е. малом входном. напряжении преобра­зователя, все диоды заперты. По мере уменьшения X' и возрастания входного напряжения диоды поочередно от­пираются и параллельно постоянному сопротивлению R Включается все большее число резисторов.

Шкалу влагомеров с ламповыми вольтметрами мож­но спрямить с помощью логарифмических усилителей, т. е. усилителей, имеющих логарифмическую зависи­мость выходного напряжения от входного [J1. 4-4].

Д О П о Л"Н и тельные погрешности кондук - тометрических влагомеров. Результаты измере­ний в кондуктометрических влагомерах зависят не толь­ко от средней влажности материала, но и от многих дру­гих факторов: а) формы и взаимного расположения электродов; б) стадии завершения переходного процесса в электрической цепи в момент отсчета; в) напряжения источника питания; г) температуры материала; д) Хи­мического состава материала; е) степени однородности материала, а у дисперсного материала и от степени его уплотнения; ж) распределения влаги в материале; з) рода тока (его частоты).

При измерении проводимости в цепи постоянного то­ка при постоянной величине напряжения у влажных ма­териалов наблюдается уменьшение со временем прово­димости, а следовательно, и силы тока в цепи. Явление убывания силы тока во времени может быть объяснено появлением в диэлектрике нарастающей э. д. с. поляри­зации, противодействующей приложенному напряжению. Скорость уменьшения силы тока во времени постепенно снижается. Явление спадания тока усиливается с ро­стом влажности; оно зависит и от химического состава материала.

В связи с ионным характером проводимости влажных материалов явление поляризации в этих материалах подчиняется законам, подобным законам поляризации в растворах электролитов. Эффект поляризации усили­вается с ростом напряженности электрического поля, т. е. с увеличением напряжения, приложенного 'К элек­тродам, а также с увеличением плотности тока на элек­тродах.

Определенное значение имеют конструкция электро­дов и материал, из которого они изготовлены. Так, на­пример, при измерении влажности сыпучих материалов принудительное сжатие образца материала уменьшает эффект поляризации. При измерении влажности посред­ством вращающихся электродов спадания тока во вре­мени не обнаруживается.

Спадание тока, проявлением которого является кажу­щееся увеличение сопротивления датчика, может слу­жить причиной погрешности измерения, величина кото­рой зависит от промежутка времени между включением влагомера и моментом отсчета.

Наиболее эффективным способом борьбы с поляри­зацией является измерение сопротивления датчика в це­пи переменного тока. Однако при применении тока ча­стотой 50 гц явление поляризации, особенно при повы­шенной влажности, "сохраняется в достаточно сильной степени. Для полного его устранения необходимо повы­сить - частоту до предела, обусловленного конкретными условиями измерения (максимальной влажностью и хи­мическим составом исследуемого материала, конструк­цией датчика, материалом электродов и т. п..). Как пра­вило, эта частота находится в звуковом диапазоне. Не­обходимо подчеркнуть, что применение переменного тока, устраняя или ослабляя эффект поляризации, не оказывает существенного влияния на другие характери' стики кондуктометрического метода измерения влажно­сти; изменяется лишь абсолютная величина сопротивле­ния датчика.

С ионным характером проводимости связано влияние и другого электрического параметра —величины напря­жения, приложенного к электродам. Сквозная проводи­мость образца влажного материала зависит от величи­ны приложенного напряжения (при прочих. неизменных условиях измерения). Величина сопротивления изменяет­ся по гиперболической кривой, характерной для полу­проводников: при повышении напряжения сопротивле­ние уменьшается. Это обстоятельство имеет особое зна­чение для кондуктометрических влагомеров по схеме многопредельного омметра. Если различным поддиапа­зонам соответствуют неодинаковые напряжения на элек­тродах, то одной и той же влажности соответствуют различные величины измеряемого сопротивления Rx ча соседних перекрывающихся поддиапазонах.

Из факторов, связанных со свойствами и состоянием материала, наибольшее значение имеег влияние темпе­ратуры материала. Сопротивление капиллярнопбристых материалов, как и всех диэлектриков с ионной проводи­мостью и большинства полупроводников, уменьшается с повышением температуры. Зависимость сопротивления Rx влажных материалов от температуры І описывается показательной функцией

Rx = kie-'ht, (4-1)

Где Ki, -.K2 — постоянные положительные коэффициенты, характерные для данного материала при определенных условиях измерения.

Логарифмирование (4-1) дает:

Lg lg ki—Ы lge=A—Bt,

Где А и В — постоянные.

Температурная зависимость сопротивления материа­ла имеет, следовательно, такой же характер, как и зави­симость этого сопротивления от влажности при малой и средней влажности {см. формулу (2-2)].

Линейная зависимость lgjR* от температуры под­тверждается и экспериментальными данными, получен­ными автором. На рис. 4-4 представлена эта зависимость для трех образцов зерна пшеницы и ржи при постоянной влажности образцов. Кривая / была получена на датчи­ке с вращающимися электродами, кривые 2 и 3— на датчике с прессованием образца.

В пределах линейной зависимости lgjRx(lF) влияние температуры на результаты измерения влажности можно
учесть, вводя поправку, пропорциональную отклонению температуры материала от значения температуры, при котором градуировался влагомер. Расчетное значение температуры обычно указывается на шкале влагомера или в градуировочных таблицах (графиках). Величина температурной поправки выражается в процентах влаж­ности и также приводится в градуировочных таблицах влагомера. С ростом влажности и температуры величи­на температурной поправки изменяется достаточно слож­ным образом.

Обычно для упрощения расчетов величину темпера­турной поправки усредняют и принимают одинаковой для всего диапазона измерений температуры и влажности. У большинства материалов она близка к 0,08—0,1% влажности на 1 °С, а при высоких температурах и влаго­содержаниях может иметь зна­чительно большую величину. При тем-пературе материала выше нормальной поправку следует вычитать из результа - ■ та .измерения, выраженного в процентах влажности; если температура материала ниже нормальной, поправку прибав­ляют к результату измерения.

Следующими важными фа­кторами являются химический состав и строение материала. Известно, что электропровод­ность смесей аддитивно зави­сит от значений электропро­водности отдельных компонен-

V. и-- іішсипцо w—»«,« /о cdia> и-

Тов. Характерной особенностью мер вп-4).

Проводимости диэлектриков яв­ляется высокая чувствительность к примесям и загрязне­ниям. Наличие в материале ионов солей, кислот или щело­чей оказывает сильное влияние на результаты измерения влажности по кондуктометрическому методу, влияние электролитов возрастает с ростом влажности материала. При большом содержании элекролитов надежные ре­зультаты можно получить лишь при условии постоянства их концентрации; в противном случае кондуктометриче - ский метод имеет большие погрешности. В качестве при­мера укажем на данные, относящиеся к текстильным
тканям. Функция ^(VF) для определенной ткани выра­жается семейством кривых, зависящих: а) от удельного сопротивления электролита; б) от его природы (раство­ры кислот или солей); в) от способа - удаления влаги (при отжиме концентрация электролитов постоянна, при сушке концентрация увеличивается). Расхождения между крайними кривыми достигают 10% влажности. Значительное влияние могут оказать и непроводящие примеси и загрязнения. Так, например, были установле­ны большие погрешности при измерении влажности зер­на, сильно загрязненного минеральными примесями (пыль, комки земли и т. п.).

Влияние неоднородности строения вещества сильно проявляется, например, у древесины. Электрические свойства древесины при поперечном или продольном рас­пиле дерева неодинаковы. Если рассмотреть зависимость активной проводимости древесины от влажности, то ма­ксимальная проводимость наблюдается вдоль радиаль­ных лучей, меньшая проводимость соответствует измере­ниям вдоль ствола и минимальная — измерениям попе­рек ствола. Так же у других волокнистых материалов растительного происхождения удельное сопротивление вдоль волокон обычно меньше, чем поперек волокна. У каменного угля в блоках проводимость в плоскости, параллельной слоям, в несколько раз больше, чем в пер­пендикулярном направлении.

На проводимость биологических материалов оказы­вают влияние изменения биохимических, ферментатив­ных и других процессов, происходящих в этих материа­лах.

Из факторов, относящихся к состоянию влаги в мате­риале, наибольшее влияние на проводимость, как и на другие электрические свойства, оказывает распределение влаги в материале. При одной и той же величине сред­ней влажности образца неравномерное распределение влаги изменяет электрические свойства образца. Роль этого фактора особенно возрастает после искусственно­го перераспределения влаги в материале. Так, после увлажнения поверхностные и прилегающие к ним слои материала оказываются более влажными по сравнению с внутренними слоями. Аналогично после сушки (за исключением сушки токами высокой частоты) внешние слои материала имеют влажность более низкую, чем внутренние. В обоих случаях кондуктометрический элек­тровлагомер дает неправильные показания; устойчи­вые результаты измерения будут получены после выра­внивания влажности всех частей исследуемого об­разца.

При увлажнении поглощением водяных паров из воз­духа влага распределяется более равномерно, чем при увлажнении водой. Скорость достижения равновесного состояния определяется главным образом сорбционными свойствами самого материала. Некоторое значение име­ет также конструкция датчика. Отмеченное явление во всех случаях исключает возможность применения кон - дуктометрических влагомеров для измерения влажности материалов непосредственно после их искусственного увлажнения или замачивания, а также при наличии вла­ги или снега на поверхности материала и т. п.

Строго говоря, кондуктометрические влагомеры могут применяться лишь после достижения перед измерением равновесного распределения влаги в мате­риале.

Известно, что состояние полного гигроскопического равновесия с окружающей средой достигается в течение весьма длительного времени. Однако практически влаго­меры начинают давать устойчивые показания значитель­но быстрее, как только влияние неравномерности рас­пределения влаги станет меньше погрешности измере­ния.

У материалов растительного и животного происхож­дения из факторов, связанных с характером распределе­ния влаги, на проводимость может оказать влияние «история влажности» материала, т. е. характер изменений его влажности до измерения. Возможность такого влия­ния связана с тем, что в процессе сушки и увлажнения материалов изменяются не только количество влаги и ее распределение, но и форма связи с сухим веществом, а также и некоторые физические свойства высушивае­мого материала. Однако в экспериментальных исследо­ваниях это влияние не обнаружено.

Рассмотренные в этом параграфе факторы ограничи­вают точность и возможности применения кондуктоме - трических влагомеров; к ним следует добавить сильное влияние на результаты измерения контактного сопротив­ления между электродами и материалом, зависящего от состояния ^контактирующих поверхностей и давления электродов на материал.