КОНСТРУКТИВНЫЕ ИСПОЛНЕНИЯ ДАТЧИКОВ
Конструкция датчика определяется главным образом свойствами материала, для которого датчик предназначен: агрегатным состоянием, внешним строением, а также условиями работы (ручная или автоматическая загрузка. и выгрузка материала, проточные или погружные датчики).
1. Датчики для жидкостей имеют наиболее простую конструкцию, так как в них без дополнительных приспособлений обеспечивается однородное заполнение междуэлектродного пространства. На практике нашли применение датчики цилиндрические, плоские и с внешним полем (только в диэлькометрических влагомерах): Цилиндрические датчики, состоящие из металлического корпуса, который служит наружным электродом, и коаксиального внутреннего цилиндрического электрода, отличаются простотой конструкции и удобством сопряжения с трубопроводом.
Оценка погрешностей цилиндрических датчиков, вызванных изменениями размеров или взаимного расположения электродов, показывает возможность построения серии датчиков с малым разбросом электрических параметров при относительно невысокой точности изготовления [Л. 3-6].
Плоские многопластинчатые датчики имеют несколько металлических параллельных пластин, скрепленных с помощью изоляторов. Увеличивая число и площадь пластин и уменьшая зазор между ними, можно увеличить рабочую емкость и чувствительность датчика, например, для измерения низких влагосодержаний. Однако величина минимального зазора ограничена (это относится и к цилиндрическим датчикам) градиентом электрического поля, а также размерами дисперсных частиц; ширина зазора должна превышать эти размеры не менее чем на два порядка. Кроме того, в плоских датчиках сложнее осуществить защитные покрытия электродов; в них возрастают утечки тока по поверхности изоляционных деталей, а при высокой влажности контролируемой жидкости возможно накопление воды в зазорах между электродами. Последнее обстоятельство препятствует применению многопластинчатых датчиков для измерения высоких влагосодержаний. Их можно применить для некоторых вязких и пастообразных материалов; в этом случае число пластин обычно сокращают, а зазор между ними увеличивают. В автоматическом влагомере для сливочного масла JJI. 3-7] емкостный проточный датчик состоит -из трех плоских алюминиевых пластин; две наружные заземлены, а средняя омывается потоком масла.
Датчики с внешними электродами выполняются чаще всего в виде сосуда (в проточных датчиках — отрезка трубы) .из твердого диэлектрика, на внешней поверхности которого имеются электроды, большей частью кольцевые.
К недостаткам этих датчиков относится невозможность получения равномерного поля в пространстве между электродами. Выбором геометрических размеров датчика можно получить желаемое (оптимальное с точки зрения чувствительности) соотношение между его выходными параметрами — высокочастотной проводимостью и эквивалентной емкостью; методика такого расчета приведена в [JI. 3-8].
2. Датчики для-сыпучих материалов. К ним относятся многочисленные дисперсные насыпные материалы; в зависимости от максимального размера (крупности) частиц их можно разделить на порошкообразные, зернистые и кусковые.
Для этих материалов разработано много конструкций датчиков:
А) с произвольной засыпкой сыпучего материала;
Б) с самоуплотнением материала;
В) с принудительным уплотнением материала в междуэлектродном пространстве.
Основным недостатком датчиков первой группы является различная степень уплотнения материала между электродами, сильно влияющая на электрические характеристики -материала. Скорость - и высота падения материала при его введении в датчик, случайные сотрясения и удары по датчику меняют уплотнение. Электрическое сопротивление материала при низкой влажности (до 12— 13%) весьма велико, что несколько усложняет измерение кондуктометрическим методом. Еще важнее то .обстоятельство, что при измерении сопротивления зернистых и кусковых материалов результат измерения зависит от состояния поверхности отдельных зерен или кусков (например, от ее шероховатости, запыленности). Также сильно влияет на результаты измерения гранулометрический состав материала. В таких датчиках трудно полу - ч. ить постоянное сопротивление контакта материала с - электродами.
Перечисленные факторы вызывают большие погрешности измерения, и датчики без уплотнения материала находят применение лишь в автоматических влагомерах, где постоянство уплотнения создается самим потоком материала. Для получения постоянного заполнения датчика его выходное сечение делают меньше входного; 'иногда для регулирования расхода материала через датчик перед его выходным отверстием предусматривают выходную заслонку. Такой принцип используется в датчиках различной конструкции — с плоскими пластинчатыми и цилиндрическими коаксиальными электродами. Эти датчики отличаются простотой конструкции; однако в них не обеспечено одинаковое уплотнение материала в междуэлектродном пространстве и не устранена возможность забивания материалом.
Воспроизводимость датчиков со свободной засыпкой можно улучшить надлежащим выбором геометрических размеров, их согласованием с размерами частиц материала. В [Л. 3-9] на основании экспериментального исследования рекомендуются следующие соотношения размеров цилиндрического коаксиального проточного датчика для сыпучих материалов:
D>5a; 0,5(£>—D) >10о; Н^Ш,
Где D и d — диаметры электродов— внутренний наружного и внешний внутреннего; Н — высота электродов; а— максимальный размер частиц материала.
Выпускное отверстие рекомендуется делать круглого сечения с диаметром, равным 10с; угол выходного конуса должен быть на 15—20° больше угла естественного откоса исследуемого материала.
Датчики с самоуплотнением нашли применение в ди - элькометрических влагомерах для зернистых материалов. В таких датчиках междуэлектродное пространство заполняется образцом материала, падающим с определенной высоты под влиянием собственного веса.
Конструкция датчика этого типа показана на рис. 3-6,я, где 1 — бункер - прямоугольного сечения для исследуемого образца; 2— плоские прямоугольные металлические пластины конденсатора, переходящие в пластины 3 из изоляционного материала; 4 — поворотная заслонка, имеющая механизм с защелкой, который обеспечивает ее мгновенное открытие и падение образца в конденсатор с постоянной
73
Высоты И. Датчик рассчитан на постоянную навеску материала, заполняющую его на высоту, меньшую, чем высота пластин 2, что обеспечивает постоянство краевой емкости.
Необходимость во взвешивании образца отпадает при его дозировке по объему. При этом конденсатор следует заполнять на высоту, превышающую размер H пластии. Целесообразно использовать предложенную автором конструкцию цилиндрического конденсатора (рис. 3-6,6) с одинаковым кольцевым зазором по всей высоте датчика. При быстром открытии обеих половинок заслонки 1 с защелкой образец материала заполняет внутреннюю полость датчика на высоту, - превышающую на 2б% высоту обкладок 2 И 3. Для опорожнения датчика в выдвижной ящик 4 выдвигают задвижку 5. В рассмотренных конструкциях заслонки должны открываться мгновенно, что обеспечивает некоторый автоматизм заполнения конденсатора.
Экспериментальные исследования автора и последующий статистический анализ показали, что для зерна хлебных злаков датчики по рис. 3-6,с и б обеспечивают лучшую воспроизводимость показаний, чем датчик с произвольной засыпкой или принудительным уплотнением образца. При прочих равных условиях большая точность измерения влажности достигается при весовой дозировке образца (постоянство навески); объемная дозировка несколько увеличивает погрешность измерения.
Рассмотрим теперь наиболее характерные конструкции кондуктометрических датчиков с уплотнением.
У///Л МёпШлические детали Е&888 ЙзоляЩібнньїе детали Рис. 3-6. Емкостные датчики с падением образца с постоянной высоты. |
Г. Б. Пузрин еще в начале 30-х годов предложил конструкцию датчика для зерна, в котором постоянная навеска зерна подвергается сжатию в постоянном объеме с помощью ручного пресса. Этот принцип нашел ряд конструктивных воплощений; в частности, он был использован во влагомерах ВП-4 и ВЭ-2 (рис. 3-7), широко распространенных в хлебозаготовительной системе.
Навеска зерна / (для пшеницы, ржи, ячменя — 8 г, 'для овса — 7 г) насыпается в металлический стакан 2. Одним из электродов служит кольцо 3, изолированное от стакана с помощью прокладок 4. Второй, центральный электрод 5 соединен с корпусом датчика; конструкция электродов рассчитана на уменьшение влияния сопротивления торцовых частей брикета зерна. Пуансон Є служит для уплотнения образца; давление на пуансон создает ручної"; винтовой пресс, снабженный визирным устройством, указывающим іпредел вращения зажимного. винта ■прц каждом прессовании образца. Это устройство должно обеспечить постоянство давления на - образец аїри определениях влажности. Стакан 2 заключен в - футля-р 7 из диэлектрика. У этого датчика необходимо часто проверять правильность установки визя-рного устройства с помощью контрольного цилиндра, вставляемого в датчик; в случае необходимости положение визирного* устройства корректируется.
■В других датчиках (кондуктоме - трические влагомеры английской фирмы «Маркони» для измельченных порошкообразных материалов и др.) электродное устройство имеет два металлических концентрических электрода в іформе мелкой чашечки и охватывающего ее кольца. Рабочие поверхности электродов расположены в одной плоскости. Благодаря этому взвешивания пробы материала не требуется; достаточно, чтобы объем образца был не меньше определенной величины. Образец испытывает^ся ' при постоянном давлении (около 0,7 кгс/см2), создаваемом ручным винтовым прессом.
Значительно реже, напр-имер в диэлькометрическом влагомере для торфа, для уплотнения образца материала используется гидравлический пресс.
Перейдем к рассмотрению конструкций с размолом образца зерна непосредственно в датчике.
Датчик, применяемый в распространенном в США влагомере TAG для зерна, уплотняет сыпучий материал в узком зазоре между двумя вращающимися металлическими валиками с рифленой цилиндрической поверхностью. Общий вид датчика показан на рис. 3-8.
Рис. 3-7. Датчик для зерна с прессованием образца. |
Электродвигатель вращает через редуктор (электродвигатель и редуктор не показаны на рисунке) со скоростью 32 о б/мин валик 1, который электрически соединен со станиной датчика. Второй валик 2 Изолирован от корпуса стойками 3 из электроизоляционого материа
ла. Валик 2 снабжен пружииящим трущимся контактом и ручкой 4 Для поворачивания вручную. Сцепление между валиками осуществляется через сл-ой материала; последний поступает в зазор между валиками нз засыпного бункера 5. Валики 1 и 2 выполняют роль электродов; сопротивление слоя сыпучего материала измеряется во время вращеиия валиков. Длина валиков 105 мм- величины зазора между ними регулируются с помощью сменных прокладок 6 в зависимости от того, какая зерновая культура исследуется. Цри равенстве скоростей обоих валиков измеряется сопротивление слоя зерна, уплотненного в зазоре іпо образующей обоих цилиндров. Под валиками установлены ива окребка. 7 из пластмассы; скребки прижимаются пружиной 8 к поверхности валиков и очищают ее при вращении электродов. Весь датчик смонтирован на станине 9 из чугунного литья, имеющей два винта для закрепления на столе.
Датчик с валиками отличается громоздкостью и большой массой; ой неприменим для тонко измельченных материалов, таких как мука. При измерении зерна с повышенной влажностью оно налипает на поверхность валика 2 и измерение становится невозможным. В то же время при. 'применении этого датчика результаты измерения не зависят от величины навески; можно использовать большие навески (100—150 г и больше), значительно лучше отражающие среднюю влажность материала, чем мальїе навески, используемые в датчике с ручным прессом. Здесь, так же как и в других датчиках с прессованием - материала,-на результаты измерения влияет износ электродов, происходящий вследствие больших усилий при прессовании.
J |
Рис. 3-8. Датчик с вращающимися валиками. |
Предварительный размол зёрна и его уплотнение осуществляются иногда с помощью миниатюрных ручных
В диэлькометрических влагомерах, как уже указывалось, сыпучие материалы уплотняются в меньшей степени, чем в кондуктометричеоких. Для порошкообразных материалов, например для муки и других измельченных продуктов переработки зерна, лучшим по воспроизводимости результатов измерения является датчик с принудительным уплотнением постоянной навески в постоянном объеме. Различные конструкции таких емкостных датчиков показаны на рис. 3-9. В датчике рис. 3-9,с образец уплотняется внутри плоских параллельных пластин 1 с помощью вкладыша 2 из твердого диэлектрика; при измерении вкладыш закрепляется на крышке датчика с помощью подпружиненных фиксаторов.
В датчике на рис. 3-9,6 образец материала 1 вводится в цилиндр 2 из изоляционного материала. Электродами служат дно цилиндра 3 и поршень 4, нагруженный калиброванной пружиной 5, которая упирается в крышку 6, Закрепляемую на цилиндре затвором 7.
Датчик, применявшийся для измерения влажности пылевидного угольного топлива (угольной пыли рис.3-9,в), {Л. 3-11], имеет коаксиальные латунные электроды 1 и основание 2 из органического стекла. Верхняя крышка 3 закрывает датчик при помощи байонетного затвора 4 їй уплотняет постоянную навеску материала.
Уплотнение постоянной массы материала в постоянном объеме затруднительно, если изменениям влажности образца сопутствует значительное изменение плотности материала. Поэтому находит применение уплотнение также - с помощью грузов постоянной величины и специальных вибрационных устройств. Первый способ применял-
Рис. 3-9. Емкостные датчики с принудительным уплотнением с помощью вкладыша (а), поршня (б) и крышки (в). |
Ся, например, в датчике кондуктометрического влагомера для древесной стружки, конструкция которого аналогична показанной на рис. S-9,6; в нем уплотняющее усилие создает груз, воздействующий на поршень [Л. 3-12].
Датчик с вибрационным уплотнением, предложенный С. Д. Звягиным (рис. 3-10), состоит из цилиндрического стакана 1, являющегося внешним электродом, и внутреннего цилиндрического электрода 2, закрепленного в стакане с помощью шпилек 3 с изоляционными втулками 4.
В нижней части датчика находится электромагнитный вибратор, электромагнит которого (сердечник 5 с катушкой 6) имеет якорь 7, соединенный через тягу 8 с мембраной 9 (толшииой 0,1—0,2 мм). Мембрана является дном верхней части датчика, в которую засыпается исследуемый образец. .При включении катушки электромагнита в сеть переменного тока частотой 50 гц мембрана вибрирует и ее колебания - передаются материалу в междуэлектродном пространстве.
В цилиндрическом датчике для литейных формовочных ■смесей [Л. 3-13] применен маг- нитострикционный вибратор, стержень которого одновременно служит внутренним электродом; в другой модификации трубка вибратора используется в качестве внешнего электрода.
Рис. 3-10. Датчик с вибрационным устройством. |
В некоторых из рассмотренных конструкций датчиков можно отказаться от взвешивания образца. Это возможно в описанных датчиках с электродами в одной плоскости, а также с коаксиальными цилиндрическими электродами, у которых высота внутреннего электрода меньше высоты наружного электрода, а. полость между ними полностью заполняется материалом. В нижней, активной части датчика материал имеет примерно одинаковое уплотнение даже при некоторых колебаниях объема образца. Такой способ применим при различных методах уплотнения (прессом, грузом и т. .д.), но обеспечивает
ббсііроизводймость, Несколько худіїіую, чём при постоянстве навески.
В датчиках автоматических электровлагомеров, контролирующих поток сыпучих материалов, используются некоторые из рассмотренных способов уплотнения, а также питатели непрерывного или дискретного действия различных типов. Задачей питателей является не только уплотнение, но и загрузка и опорожнение датчика.
Простейшее решение заключается в использовании односторонних датчиков с внешним полем., установленных в стенке лотка, по которому перемещается сыпучий материал, под лентой транспортера или выполненных в виде «лыж» (одинарных или пар), скользящих по ■поверхности перемещаемого материала. Толщина слоя сыпучего может изменяться в широких пределах (начиная с определенного минимального значения), если при этом не изменяется плотность материала. Перед датчиком на конвейере обычно устанавливают ограничитель, стабилизирующий толщину слоя сыпучего и частично его плотность. Недостатком рассматриваемых датчиков при любом способе установки является контроль ■влажности только в слое, прилегающем к поверхности датчика. При установке датчика под лентой конвейера устраняется возможность налипания материала на рабочей поверхности
Датчика, но появляются дополнительные источники погрешностей— колебание толщины ленты и изменение ее электрических свойств.
Шнековые и тарельчатые питатели, используемые для различных материалов, в том числе тонко измельченных и порошкообразных, могут быть установлены перед датчиком и после него по ходу материала. В первом случае питатель стабилизирует расход материала через датчик.
Рис. 3-11. Датчик для сыпучих материалов со шнековым. питателем, установленным перед датчиком и после датчика. |
Датчик для угольной шихты состоит из шнека 1 (рис. 3-11,о) и направляющей трубы 2 из винипласта,
имеющей диаметр., нееколькб больший, чем корпус шнека, и конусность около 1 % ДЛЯ свободного прохождения шихты. Металлические электроды 3 установлены на внешней поверхности трубы и не соприкасаются с шихтой. Приемная воронка 4 имеет. непрерывно движущееся устройство с ножом для рыхления шихты и стержнями, устраняющими ее зависание в воронке.
Для предотвращения забивания датчика материалом более рациональна установка питателя после датчика (рис. 3-11,6). Сыпучий 'материал проходит из бункера 1 по вертикальной трубе через проточный конденсатор с внешними электродами 2, опорожняемый непрерывно работающим шнеком 3. Производительность шнекового питателя устанавливается из такого расчета, чтобы конденсатор был всегда заполнен с некоторым избытком. Илишнее количество материала возвращается в общую транспортную систему через байпасную трубу 4. В этом случае уплотнение материала в конденсаторе обусловлено давлением столба материала высотой Н. Для устранения накопления-сыпучего при выходе из конденсатора шнек выполняется с плавно увеличивающимся - сечением в направлении транспортирования. Известно также применение вибраторов в сочетании с проточными цилиндрическими датчиками для порошкообразных материалов. Вибратор выполняет двоякую функцию: а) при закрытой выходной заслонке уплотняет материал; б) после открытия заслонки опорожняет датчик.
Последнюю категорию образуют датчики-зонды, предназначенные для введения в массу материала (зерно, грунт) и проведения разовых измерений или непрерывного контроля его влажности без отбора образца. Датчики' этого типа имеют форму (ножевидную, копьевидную, с конусным наконечником и т. п.), облегчающую введение в материал. Датчики-зонды можно разделить на: а) датчики без уплотнения материала; б) датчики с приспособлениями для уплотнения материала.
Датчики первой группы вводят в сыпучий материал в тех местах, где масса материала, расположенная выше, создает постоянное (или близкое к постоянному) уплотнение. Наиболее простую конструкцию имеют датчики с одиночным электродом; часто применяют зонды и с двумя электродами.
Для песчаных грунтов в естественных условиях залегания Г. Я. Черняк (Л. Зт14] предложил датчик
(рис. 3-12,а), в котором электродами служат два полых металлических цилиндра 1 и 2, расположенных на одной оси. на некотором расстоянии друг от друга. Верхний электрод 2 заземляется, электрод 1 посредством провода 3 подключается к измерительному устройству - Электроды соединены механически с помощью изоляционной втулки 4. Линии электрического поля в основном параллельны оси датчика и охватывают некоторое пространство вокруг него, которое в первом приближении имеет форму цилиндра, коаксиального с зондом.
< |
Рис. 3-12. Емкостные датчики-зонды. |
Другая конструкция конденсаторного датчика-щупа («вилка») для сыпучих материалов показана на рис. 3-12,6. Обкладками являются два заостренных^ но
Жевых электрода 1, смонтированных в рукоятке 2 из изоляционного материала и снабженных ребрами жесткости 3. Через центральное отверстие рукоятки проходит гибкий коаксиальный кабель 4 для присоединения датчика к измерительному прибору.
В датчиках второй группы, предназначенных для измерения влажности материалов в мешках, тюках, насыпи и т. п., для уплотнения - чаще всего используется калиброванная пружина. Специфической разновидностью зондов, применимой не только для сыпучих материалов, но и в строительных конструкциях, сооружениях различного рода и т. п., являются так называемые «закладные» датчики, вводимые в массу "материала для длительного измерения влагоеодержания. Датчики этого типа служат
для локальных Измерений в определенном объеме Материала; при условии миниатюризации они могут измерять поля влажности. Примером могут служить датчики, выполненные фотохимическим способом на фольгированном стеклотекстолите в виде плоского одностороннего конденсатора с электродами различной формы, например в виде спиралей, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга [Л. 3-15].
Погружные датчики-зонды применяются также в автоматических влагомерах для сыпучих материалов (а также жидкостей) в неподвижном состоянии или в потоке.
3. Да'тчики для мягких волокнистых материалов. К этой категории можно отнести легко деформирующиеся (прессующиеся) рыхлые материалы с малой плотностью. Большинство таких материалов имеет волокнистую структуру, как, например, хлопок - сырец, хлопковое волокно, льняное волокно, вата гигроскопическая, минеральная и стеклянная и т. пГ Для материалов данной группы применимы датчики сыпучих материалов с принудительным уплотнением, а также датчики-зонды, описанные выше.
Во влагомерах для волокнистых материалов растительного происхождения, состоящих из отдельных' тонких волокон, стеблей и листьев (колосья хлебных злаков, трава, сено, клевер и т. п.), применяют «цанговые» датчики в виде щипцов, на верхнем и нижнем концах которых укреплены изолированные от них электроды. Электроды выполняются плоскими или с выступами. Пучок волокон сжимают вручную между электродами до получения постоянного показания влагомера (обычно кондуктометр ического) .
При необходимости измерения влажности легко деформируемых материалов в потоке, например в виде хлопьев, чешуек или сплошной массы, можно получать однородный уплотненный слой материала с помощью вращающихся металлических валков. При перемещении на ленте конвейера достаточно одного валка; при свободном падении материала он уплотняется в зазоре между двумя валками, которые (могут одновременно служить электродами кондуктометрического датчика.
'4. Датч-икидлятвердыхсвязных материалов. Органические и неорганические влагосодержащие монолитные (сплошной массы) материалы могут иметь правильную геометрическую форму (блоки, бруски, пли
ты) или форму тел, ограниченных нерегулярными поверхностями, Листовые материалы, имеющие форму слоев малой толщины, являются одной из разновидностей этой категории материалов.
Для рассматриваемой группы материалов применяются датчики с электродами:
Рис. 3-13. Односторонний датчик с перемещаемыми электродами. |
Б) вводимыми в тол - ^ |
А) односторонними, контактирующими с одной поверхностью материала, а также изолированными от нее воздушным зазором или слоем тонкого диэлектрика; в последнем случае они
Применяются только в ди- J IУ////////////^ З
Элькометрических влагомерах;
Щу материала.
Форма поля одностороннего датчика и, следовательно, контролируемая им зона материала опре-' деляются формой и размерами электродов, в первую очередь расстояиия-
Ми между электродами,' а при измерениях на повышенной частоте также расстоянием между электродами и поверхностью материала. Поэтому представляет интерес конструкция датчика (рис. 3-13) (Л. 3-16], позволяющая изменять указанные расстояния. Центральный потенциальный электрод 1 можно перемещать перпендикулярно плоскости поверхности объекта измерения 2; крайние заземленные электроды 3 можно сдвигать в плоскости, параллельной поверхности объекта. Перемещение всех электродов выполняется с помощью регулировочных' винтов 4. Трубки 5 имеют радиальные отверстия для очистки сжатым воздухом зазоров между электродами и изолирующих деталей датчика, что особенно полезно для автоматических влагомеров.
Металлические электроды односторонних датчиков могут иметь разную форму.
Весьма распространены датчики с металлическими электродами в виде параллельных прямоугольников с рабочими поверхностями, расположенными в одной плоскости. Электроды соединены электрически через один. Недостатком является влияние близости края образца на результат измерения.
Датчик для мягких кож коидуктометрического влагомера ЭВК {Л. 3-17] имеет электроды в виде металлических зубчатых гребенок, закрепленных на общем основании из твердого диэлектрика. Центральная призма с двумя гребенками представляет собой один электрод; две параллельные ей внешние гребенки образуют второй электрод. Надежный контакт с кожей обеспечивается весом датчика (около 5,5 кг). Автор применял также датчик аналогичной конструкции с зубчатыми гребенками, расположенными по двум концентрическим окружностям.
Для материалов высокой твердости электроды изготовляются из электропроводящей резины. Такие электроды применялись, например, в датчиках коидуктометрического влагомера, предназначенного для измерения влажности стен и других строительных ограждений -и конструкций. Для этой же цели применялись проволочные щетки или густые металлические сетки, закрепленные на губчатой резине.
Автор предложил конструкцию [Л. 3-18], в которой электроды с рабочими поверхностями в одной плоскости выполнены в виде двух или нескольких концентрических металлических колец, находящихся под знакопеременными потенциалами. Внешнее кольцо заземляется, и поле распределяется только внутри участка материала, ограниченного внешним кольцом; такой датчик не реагирует на близость края материала. Односторонние электроды могут быть разделены друг от друга воздушными промежутками или же утоплены в изолирующем основании, поверхность которого совпадает с их рабочей поверхностью. В последнем случае увеличивается начальная емкость датчика, но. в то же время устраняются погрешности, связанные с загрязнением воздушных промежутков между электродами. Для воспроизводимости результатов измерений необходим хороший контакт всей рабочей поверхности электродов с материалом. Это особенно важно для кондуктомстрических влагомеров и представляет собой достаточно сложную задачу при. неровной поверхности -материала. Необходимо уменьшить рабочую поверхность отдельных электродов и создать постоянное давление на датчик; эти меры достаточны для получения хорошего контакта, если материал мягок. Рабочие и защитные (заземленные) электроды могут иметь и более сложную форму, например параллельных меандров. Односторонние датчики описанных форм удобно изготовлять техникой печатных схем. Затруднения, обусловленные воздушными прослойками между электродами и объектом измерения, отпадают, если электроды выполнены в виде металлических слоев, нанесенных непосредственно на поверхность материала (влагомер для строительных конструкций и материалов JJI. 3-19]). Хорошие результаты были получены автором при измерениях влажности бетона и бетонных изделий с помощью поверхностных электродов, изготовленных вжиганием серебряной пасты. Применение электродов в виде металлических слоев целесообразно только в тех случаях, когда требуется длительный контроль влажности 'материала в месте их установки.
Из электродов, вводимых в толщу материала, наибольшее распространение получили так называемые «игольчатые» электроды в виде заостренных металлических стержней.
При работе с материалами невысокой твердости и надлежащем выборе диаметра игл и угла конуса введение электродов в материал не требует значительных усилий. В некоторых конструкциях датчиков каждый из электродов состоит из двух и больше игл, например из четырех игл, расположенных в вершинах прямоугольника. При работе с твердыми и сухими материалами иглы трудно вводить вручную.
Игольчатые электроды нашли практическое применение во влагомерах для ряда материалов и в первую очередь для древесины. Датчик электровлагомера ЦНИИМОД имел три стальные иглы, закрепленные в основании по прямой линии. Уменьшение изгиба контактов при их введении в древесину и извлечении из нее обеспечивается конструкцией датчика.
Недостатком игольчатых датчиков является то, что для их введения в твердые сухие материалы требуются большие усилия, расшатывающие иглы после некоторого числа измерений.
Игольчатые датчики обеспечивают хорошую воспроизводимость показаний влагомера. Игольчатые датчики - щупы с иглами значительной длины применялись для определения влажности хлопка-сырца, табака в кипах, зерна в мешках и других материалов без выемки пробы. Кроме того, игольчатые датчики применялись для - мягких и пластичных материалов, таких как сливочное масло, рыба, некоторые кондитерские изделия и т. д. В. рас
смотренных конструкциях игольчатых электродов ток между электродами протекает не только через толщу материала, но и по его поверхности или в поверхностном слое. Введение игл не на полную их длину является возможным источником погрешности измерения.
Эти недостатки устранены в конструкции датчика, предложенной автором для измерения влажности естественных и искусственных смол, битумов, асфальтов и других материалов с низкой температурой плавления [Л. 0-1]. Игольчатые электроды снабжены изоляционными втулками, покрывающими верхнюю часть электродов, ■начиная с основания, благодаря чему при измерениях исключается проводимость поверхностного слоя материала. Второй отличительной особенностью датчика является устройство для нагрева электродов.
5. Датчики для листовых материалов. У простого датчика с двусторонним контактом, применяемого в неавтоматических диэлькометрических влагомерах для кож, электродами являются параллельные круглые металлические диски. Нижний неподвижный электрод заземлен, верхний электрод может перемещаться с помощью микрометрического винта, позволяющего одновременно определять толщину материала и вносить •соответствующую поправку в показания влагомера. Для улучшения "контакта между обкладками и материалом в датчиках рассмотренного типа иногда применяют прокладки из фольги или наносят слой графита на рабочие поверхности обкладок.
"где Dx — толщина образца материала; DB — уменьшение зазора между электродами при втором измерении. 86 |
Другой метод измерения заключается в сохранении воздушного зазора между одной поверхностью листового материала и верхней пластиной конденсатора. Этот же датчик можно использовать для измерения методом «двух толщин»; производят измерение с исследуемым образцом листового материала между обкладками, а затем образец удаляют и верхний электрод приближают к нижнему до получения результата измерения емкости, равного первоначальному. Легко подсчитать, что диэлектрическая проницаемость материала определяется соотношением (без учета краевого эффекта)
Таким образом, измерение е сводится к (двум линейным измерениям величин Dx и DB; отпадает необходимость в контакте одного из электродов с материалом и в поддержании постоянства давления этого электрода, что является большим преимуществом, особенно при работе с мягкими материалами. То же самое можно сказать и о способе измерения с воздушным зазором. В обоих случаях точность измерения определяется главным образом точностью измерения толщины материала, а в методе двух толщин — и перемещения верхнего электрода. Если поверхности образца или электродов не строго параллельны, это вызывает погрешность измерения.
Для контроля влажности непрерывно движущегося полотна тонких листовых материалов (бумага, текстильные ткани, листы фанеры, пленочные материалы и т. п.), а. также нитей применяют датчики нескольких типов.
В кондуктометрических влагомерах, предназначенных для текстильных тканей, нашли наибольшее применение датчики в виде металлических роликов, непрерывно контактирующих с движущейся тканью. Контактный ролик лежит на ткани, огибающей направляющий ролик, и сжимает ее своим весом; измеряется сопротивление поперек полотна. Для тканей, влажность которых высока, а сопротивление весьма мало, контактные ролики располагают по одну сторону ткани на значительном расстоянии друг от друга и измеряют сопротивление ткани вдоль ее длины.
Обычно распределение влаги по поверхности ткани неравномерно, и при применении роликовых датчиков возникает задача измерения средней влажности контролируемого участка ткани. В литературе описаны различные решения этой задачи. В одном из влагомеров применяются три контактных ролика, закрепленных на шарнирных подвесах и расположенных по ширине ткани следующим образом: один ролик посередине и два — по краям. Ролики электрически соединены параллельно; вторым электродом является корпус машины. Контактный ролик датчика другого влагомера имеет на своей поверхности две спиральные ленточки; при вращении ролика они соприкасаются с тканью на различных участках, ее поверхности.
В диэлькометрических влагомерах для листовых материалов предпочтение отдается конденсаторным датчикам, в которых контролируемый материал. не соприкасается с электродами — плоскопараллельным с воздушным зазором между материалом и обкладками или, чаще всего, односторонним с «внешним полем».