ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ. ОСНОВЫ КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКОГО МЕТОДА
Основой электрических (кондуктометрического и ди - элькометрического) методов измерения влажности является зависимость от влажности параметров, характеризующих поведение влажных материалов в электрических полях. Главной задачей теории этих методов является создание достаточно точных математических моделей влажного материала, описывающих зависимости электрических свойств материала от его влагосодержания и других (параметров, т. е. зависимости вида e=f(W, z) Первичного преобразователя влагомера (рис. В-2). Такие модели нужны для анализа и синтеза влагомеров и, самое главное, для перехода от эмпирических методов градуировки и расчета этих приборов к строгим и точным математическим.
Современная теория диэлектриков не дает полного решения этой задачи для капиллярнопористых влагосо - держащих тел, представляющих собой многофазные гетерогенные системы с резко отличными физическими (в том числе и электрическими) свойствами фаз. Во вла - госодержащих дисперсных системах имеются также поверхностные фазы, физико-химические свойства которых отличаются от свойств воды в объеме. .Неоднородности состава и структуры, в частности пористой, этих тел обусловливают неоднородности внутреннего электрического поля, оказывающие влияние на электрические параметры тела. 32
Такие-системы нельзя рассматривать как механические смеси сухого вещества и влаги. Для создания упомянутых математических моделей необходимо макроскопическое (электротехническое) и микроскопическое (молекулярное) приближения физики диэлектриков дополнить физико-химическим подходом, учитывающим состояние влаги и ее формы связи с сухим веществом. Второе существенное требование — исследование параметров материалов в широком диапазоне частот.
Для удовлетворения указанных требований приходится использовать преимущественно не аналитические, а экспериментальные зависимости.
Наиболее простой характер имеет зависимость от влажности проводимости' материала при постоянном токе, а также при промышленной и низких звуковых частотах, т. е. при существенном преобладании чисто омической проводимости, вызванной перемещением носителей заряда.
Влагосодержащие материалы, являясь в сухом виде диэлектриками с удельным объемным сопротивлением Pv= 1010—1015 ом-см и выше, в результате увлажнения становятся полупроводниками; величина pv понижается до 10-2—Ю-3 ОМ'см. Удельное сопротивление изменяется, следовательно, в зависимости от влажности в чрезвычайно широком диапазоне, охватывающем 12—18 порядков. Неоднородность диэлектрика, наличие в нем влаги сказываются не только на величине удельной прово-. димости, но и на качественных особенностях электропроводности: на ее зависимости от напряженности электрического поля и температуры. Проводимость таких материалов не является чисто ионной. С другой стороны, эти материалы не являются химически чистыми полупроводниками, у которых носителями тока являются только электроны атомов полупроводникового вещества. Основное количество носителей тока дает влага. Чистая вода имеет заметную электропроводность (pv~22-106 о м-см При +20°С); важнее, однако, сильное диссоциирующее действие, оказываемое водой на многие электролиты. Электропроводность твердого материала определяется электролитами, растворенными в воде; эти электролиты содержатся главным образом в самом материале. При этом характер зависимости удельной электропроводности материала от содержания влаги определяется распределением влаги в нем, зависящим в свою очередь от
пори-стой структуры материала, формы пор, их размеров и характера распределения.
При измерениях влажности гигроскопических материалов возникают затруднения при оперировании удельными электрическими характеристиками. У этих материалов удельное электрическое сопротивление не является строго неизменной характеристикой. В определенных условиях сопротивление датчика зависит от напряжения на измерительных электродах, что приводит к нелинейности вольт-амперной характеристики. Еще большее влияние имеют конфигурация электродов и их механические воздействия на материал.
Поверхностная электропроводность диэлектриков не является четко определенным понятием. Величина тока, протекающего между электродами, расположенными на
Одной стороне поверхности диэлектрика, зависит от того, одинаковы ли проводимости поверхностного и внутренних слоев материала или имеется поверхностный слой с заметно повышенной по сравнению с внутренними слоями проводимостью.
При оценке влажности материала по его проводимости ток, проходящий через внутреннюю область материала, лучше характеризует установившуюся среднюю влажность материала по сравнению с током поверхностной утечки или током в поверхностном слое. Однако практически на результат измерения сопротивления датчика с материалом оказывает влияние не только объемный, но и поверхностный ток между электродами.
Из изложенного вытекает, что расчетные и экспериментальные значения удельных сопротивлений однозначно сопоставимы только при одинаковых условиях измерений.
Можно, однако, установить некоторые общие для рассматриваемого метода закономерности и в первую очередь закон зависимости сопротивления от влажности материала. На рис. 2-І приведены в полулогарифмических координатах зависимости сопротивления датчика Rx от влажности материала, полученные для различных материалов в различных условиях измерения. Для всех рассмотренных материалов органического. происхождения (как и почти для всех капиллярнопористых материалов) зависимость сопротивления Rx от влагоеодержания и в общем виде может быть выражена степенной функцией
Где с и Ik — положительные постоянные, зависящие от исследуемого материала и условий измерения.
График функции (2-1) представляет собой кривую, асимптотически приближающуюся к оси и. Функция Rx(W), используемая в кондуктометрических влагомерах, имеет два характерных участка:
(2-2) |
А) начальный участок, соответствующий низкой и средней влажности, характеризуется очень высокой крутизной и в полулогарифмических координатах может быть аппроксимирован прямой
Lg Rx=a—bW,
где а и Ь — постоянные, зависящие от материала и условий измерения.
На этом участке влагомер имеет очень высокую чувствительность к изменениям влажности, являющейся Основной величиной, которая определяет величину Rx, Влияние других факторов на величину iRx незначительно по сравнению с влиянием влажности. Как следствие результат измерения влажности мало зависит, например, от изменений геометрических размеров электродов;
Б) участок повышенной влажности характеризуется значительным снижением крутизны характеристики RX{W) и соответственно чувствительности влагомера с ростом влажности. На величину измеряемого сопротивления начинают оказывать' превалирующее влияние факторы, не связанные с влажностью (химический состав материала и т. д.). Начиная с определенных значений влажности применение рассматриваемого метода становится практически невозможным вследствие недостаточной чувствительности и больших погрешностей влагомера. Кривая не имеет точек перегиба, и переход от первого участка ко второму происходит плавно. Можно считать, что для большинства твердых материалов граница между ними близка к максимальной гигроскопической влажности.
Очевидно, что основная область применения кондук - тометрического метода измерения влажности материала ограничена первым участком характеристики RX(W
При этом нижний предел измерений ограничен трудностями, связанными с измерением очень больших сопротивлений 101Z Ом), и для большинства твердых материалов соответствует влажности 5—8%-
У неводных жидкостей зависимость электрической проводимости от влагоеодержания в узком диапазоне во многих случаях близка к линейной. Такая связь была установлена, например, для ракетных топлив [Л. 2-1] — гидразинной топливной смеси при измерениях влажности в пределах 0,5—3,3%.
Ионный характер 'проводимости влажных материалов является причиной электрохимических процессов, возникающих в системе электроды—-материал при протекании через нее постоянного тока; эти. процессы изменяют •проводимость системы. Для устранения эффекта поляризации сопротивление датчика измеряют на переменном токе. При этом датчик представляет собой комплексное сопротивление с эквивалентными активной и реактивной (емкостной) составляющими.
При переменном токе промышленной частоты влияние поляризации электродов сохраняется, хотя и в значительно меньшей степени, чем при постоянном токе. Поляризация зависит от природы материала и условий измерения. Повышение частоты тока существенно ослабляет поляризацию электродов, однако с повышением частоты все большее значение приобретают диэлектрические характеристики материала, и кондуктометрический метод переходит в диэлькометрический.