ПОДАВЛЕНИЕ ВОЗМУЩАЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИИ В ДАТЧИКАХ ВЛАГОМЕРОВ
Способы минимизации влияния (помех, рассматриваемые в настоящем параграфе, относятся к влагомерам не только электрическим, но и других типов Задача наилучшего выделения полезного сигнала на фоне шумов в части, касающейся датчика влагомера, сводится к подавлению возмущений z и и. По способу оценки вносимой погрешности влияющие воздействия целесообразно разде - лить„ла:
А) «неучитываемые» (колебания химического состава, распределения влаги и т. п.), определение которых в процессе измерения влажности нецелесообразно из-за малости вносимой погрешности или слишком сложно. Влияние некоторых факторов МОЖНО ограничить на стадии предварительного проектирования;
Б) «учитываемые», влияние которых принимается во внимание при измерениях влажности и компенсируется в измерительном устройстве или в датчика
При компенсации в измерительном устройстве датчик должен лишь вводить в него информацию о действительном значении возмущающего воздействия. Для этого применяются" встроенные в датчик измерительные преобразователи. При компенсации в датчике необходимы активные воздействия иа объект измерения, которые либр служат для устранения самой причины возникновения возмущения (устройства для очистки электродов, фильтры), либо стабилизируют влияющий фактор (например,' давление газа или плотность сыпучего материала) на определенном уровне.
Количественную оценку эффективности компенсации возмущающих воздействий в самом датчике дает воспроизводимость процесса преобразования в нем, которую можно оценить среднеквадратичной погрешностью ряда измерений, выполненных па одном и том же образце при наличии только компенсируемых возмущений.
Из неучитываемых факторов одним из важнейших является неравномерность распределения влаги в материале. Как правило, влажность в пределах большого объема твердого материала неравномерна и колеблется в некоторых пределах. Объем образца, вводимого в датчик, должен быть возможно большим, чтобы лучше выражать средние свойства материала. При измерениях влажности проточными или погружными датчиками (без отбора пробы) предпочтение следует отдавать способам измерения, дающим интегральную (усредненную) оценку влажности всего контролируемого объема материала. Возможность такой интегральной оценки, а также значительного увеличения объема исследуемого образца относится к преимуществам физических методов по сравнению с химико-аналитиче - скими.
Из указанных соображений в датчиках диэлькометрических влагомеров следует стремиться к максимальной равномерности электрического поля в междуэлектродном пространстве.
Изолирующие детали должны изготовляться из негигроскопических диэлектриков, а сопротивление изоляции датчика должно значительно превосходить максимальное сопротивление материала между электродами. Особенно опасно, например, в кондуктометрических влагомерах повышение поверхностной проводимости изоляции, вызванное пленкой влаги или загрязнением контролируемым материалом.
При измерениях влажности материалов, обладающих повышенной адгезией, налипание материала, особенно на "электродах влагомеров непрерывного действия, может стать основным возмущающим фактором. Для устранения налипания применяют ряд способов. Простейшими являются вертикальное расположение деталей, соприкасающихся с объектом измерения, и выбор материалов для их изготовления. Можно рекомендовать применение гидрофобных диэлектриков, например некоторых фторопластов (тефлон); в датчиках диэлькометрических влагомеров из этого же материала изготовляются защитные покрытия электродов. Иногда предусматривают специальные устройства для периодической или непрерывной очистки электродов — механические (скребки, щётки), пневматические или гидравлические (промывка датчиков для жидкостей).
Наконец, в ряде случаев используется непрерывный нагрев электродов, так как повышение температуры их поверхности сда-
СобстЁует устранению налипанйя; таком способ был ирнмснеіі t!0 влагомере для бурого угля [Л. 3-3].
Из возмущающих факторов, информацию о которых получают в датчике, важнейшим является температура. Устранение температурной погрешности путем термостатирования датчика редко применяется во влагомерах. Температурная погрешность определяется погрешностью самого датчика и температурным коэффициентом измеряемой физической величины исследуемого материала; основное значение имеет вторая составляющая.
Температурная погрешность датчика без исследуемого материала обусловлена изменением геометрических размеров электродной системы и изменением свойств (в том числе и электрических) диэлектриков, пспользуемых в этой системе. Для уменьшения ее можно применять металлы и диэлектрики с минимальными температурными коэффициентами линейного расширения; диэлектрики должны обладать минимальной зависимостью электрических параметров от температуры. Температурная погрешность резко уменьшается при применении дифференциальных датчиков.
На практике в большинстве случаев ограничиваются подбором материалов для электродов и других деталей датчика с учетом их температурных коэффициентов расширения для ■взаимной компенсации изменений размеров при изменениях температуры - в определенных пределах.
Для измерения температуры контролируемого материала применяют известные методы и -измерительные преобразователи.
В диэлькометрических влагомерах (особенно автоматических) нашло 'применение сочетание температурного преобразователя с электрическим емкостным преобразователем, осуществляемое различными способами.
Предложенная автором конструкция преобразователя в виде ртутного стеклянного термометра схематически показана на рис. 3-5, на котором: 1 — резервуар с ртутью; 2 — Капиллярная трубка; 3 — электрод на внешней поверхности капилляра (металлический слой, нанесенный распылением на трубку 2) 4— Вывод от электрода S-- 5 ■— платиновая. проволочка, впаянная в капилляр (в точке, расположенной ниже - минимального уровня ртути); € — внешняя защитная стеклянная трубка. Обкладками конденсатора служат столбик ртути и электрод 3, диэлектриком — стенка стеклянной капиллярной трубки. Емкость, измеряемая между выводами 5 и 4, линейно возрастает с ростом температуры.
В другом конструктивном исполнении конденсаторный преобразователь имеет два наружных кольцевых электрода, охватывающих внешнюю поверхность термометра; перемещение ртутного столбика изменяет емкость между электродами.
Способ температурной компенсации, пригодный для высокочастотных влагомеров, основан на применении в колебательном контуре, содержащем датчики влажности, конденсаторов постоянной емкости с большим отрицательным температурным коэффициентом емкости.
Недостатками описанных емкостных термсжомпеисаторов являются:
А) невозможность или сложность изменения величины температурной поправки. Необходимость в таком изменении может возникнуть при применении влагомера к различным материалам;
Б) тепловая инерционность, вызывающая у автоматических влагомеров дополнительную динамическую погрешность.
Первый недостаток можно устранить, если в измерительное устройство вводится выходной сигнал не самого термодатчика, а его измерительной цепи (например, мостовой схемы, в которую включено термосопротивление). Для уменьшения динамической погрешности * следует применять малоинерциониые температурные преобразователи.
Информацию о других параметрах материала (кроме температуры) от датчиков влажности получают редко.
Перейдем к рассмотрению способов подавления возмущений активным воздействием па материал. Наиболее распространенными способами являются:
1. Измельчение образца сыпучего материала, освобождающее от погрешностей, связанных с гранулометрическим составом и состоянием поверхности частиц; достигается также значительное уменьшение погрешностей от неоднородности влажности материала. Измельчение образца чаще всего применяют в кондуктометрических влагомерах. Следует отметить, что для ряда материалов (дубовая кора, некоторые зерновые культуры) при использовании образцов, измельченных и уплотненных относительно высокими давлениями (0,6—0,7 кгс[смг и выше), были получены градуировочные зависимости, совпадающие с градуировочной характеристикой для неизмель - ченных образцов (при той же величине давления).
Для размола зерна до введения в датчик часто применяют лабораторные мельнички; опыт показал, что лучшими являются мель - нички с приводом от электродвигателя, дающие тонкое и равномерное измельчение образца за короткий промежуток времени. При. применении отдельного измельчающего устройства часть влаги образца теряется до его введения в датчик. Убыль влаги в мельн'ичке указанного выше типа сравнительно невелика и учитывается при градуировке влагомера, ио потери влаги при переносе измельченного образца из мельнички в датчик могут достигнуть больших величин (особенно при работе с зерном повышенной влажности). Они зависят от параметров (температура, влажность и скорость движения) окружающего воздуха и промежутка времени между размолом и измерением. Эти факторы могут служить источником неустранимых погрешностей.
Для устранения указанных недостатков, сокращения длительности и упрощения измерений в некоторых влагомерах размол образца зерна происходит непосредственно в датчике, что влечет за собой усложнение его конструкции.
2. Стабилизация плотности материала в воспринимающем элементе датчика. Плотность материала оказывает сильное влияние почти на все физические параметры, используемые для измерений влажности твердых тел и жидкостей. Для компенсации погрешности от плотности при измерениях влажности дисперсных материалов — сыпучих, рыхлых малосвязных, легко деформируемых волокнистых и т. п. — применяют принудительное уплотнение исследуемого образца.
Уплотнение сыпучего материала в меЖдуэлсктродном( пространстве уменьшает влияние не только размеров частиц, но и состояния их поверхности, уменьшает и делает более постоянными контактные сопротивления между отдельными частицами материала и между электродами и материалом. Значение перечисленных факторов особенно велико при измерении влажности сыпучих материалов кондук - гометрическими влагомерами.
При сжатии сыпучих материалов их проводимость увеличивается вначале достаточно резко; с повышением давления рост проводимости замедляется и, начиная с некоторой величины давления, изменения давления почти не влияют на величину сопротивления. Для уменьшения влияния колебаний степени уплотнения на результаты измерений приходится применять достаточно высокие давления, соответствующие области насыщения зависимости удельного сопротивления от плотности материала. В этом заключается основной недостаток датчиков с уплотнением: большие усилия деформируют образец и в ряде случаев (например, при измерении влажности зерна) частично его разрушают. Вместо материала в естественном его состоянии объектом измерения становится искусственно спрессованный брикет из этого материала. Электрическое сопротивление такого брикета зависит и от механических свойств материала, таких как твердость, стекловидность зерна и т. п. При прессовании образцов высокой влажности возможен частичный отжим влаги с ее выделением на электродах. Кроме того,. большие усилия приводят к повышенному износу датчика. Деформация или разрушение образца материала при измерении влажности исключают возможность повторного измерения, что также является эксплуатационным недостатком.
Если измерения проводятся при повышенной частоте, контактное сопротивление электрод — материал имеет меньшее значение, а значительное повышение проводимости материала между электродами усложняет измерение. _ Поэтому в датчиках диэлькометрических влагомеров величины удельных нагрузок, как правило, меньше, чем в кон- дуктометрических, и материал не подвергается большим деформациям. Конструктивное выполнение устройств для измельчения или уплотнения материала рассматривается ниже при описании конструкций датчиков.
3. Эмульгирование пробы, применяемое в неавтоматических электровлагомерах для эмульсий, в первую очередь нефтей, для перевода всей воды в устойчивое диспергированное состояние и предотвращения расслоения эмульсии. Эмульгаторами-служат обычно механические устройства — мешалка, ласосы, входящие в состав пробоподго- товитсльного устройства влагомера.
Значительно меньшее применение нашли другие способы изменения состава или строения исследуемого образца перед измерением влажности с целью улучшения физических параметров, используемых для этого измерения. Для уменьшения диэлектрических потерь в датчике можно смешивать сыпучие материалы (в определенном массовом отношении) с «растворителем» — дисперсным материалом с малыми « и tg б, например сухим песком. При этом одновременно устраняется влияние поверхностной влаги, но уменьшается чувствительность. Для измерения очень больших влагосодержаний нефтей также применялось смешивание исследуемого продукта-с обезвоженной нефтью.
Увеличение удельного сопротивления сливок СЛ. 3-4] достигалось переходом от эмульсии типа «жир в воде», в которой вода с рас - ■І'вореиньшн в ней солями образует непрерывную фазу, к эмульсии «вода в жире» с водой в виде прерывистой фазы. Для этого применялся датчик специальной конструкции, в котором сливки перед поступлением в междуэлектродное пространство подвергались интенсивному механическому воздействию при одновременном охлаждении.
Другим способом, сильно влияюшим на характеристики объекта измерения, может служить изменение его температуры. Для измерения диэлькометрическим методом низких влагосодержаний в области преобладания связанной влаги сухих молочных продуктов было предложено подогревать их до +60 °С [JI. 3-5]. Диэлькометрические измерения влажности материалов с большой сквозной проводимостью, например пищевых продуктов с высокой влажпосгыо, облегчаются путем перевода свободной влаги в твердую фазу, влекущего за собой повышение удельного ■сопротивления материала. Для дискретных измерений с использованием этого способа была предложена конструкция емкостного датчика с термоэлектрическим холодильником.
"Для изменения характеристик объекта можно использовать и другие виды воздействий: упругие колебания, наложение электрического поля различной частоты и напряженности. Перечисленные способы усложняют конструкцию датчиков влажности и процесс измерения; в связи с этим они не нашли широкого применения.
Более распространен метод сравнения, в котором один датчик («измерительный») измеряет влажность контролируемого материала, а второй («эталонный») содержит этот же материал, но с постоянной влажностью (чаще всего равной нулю). Измерительный и эталонный преобразователи конструктивно могут быть объединены в одном датчике. Измерительное устройство сравнивает выходные сигналы обоих преобразователей; так как все свойства материала, кроме влажности, одинаковы, результат измерения является функцией одной лишь влажности. Этот способ может обеспечить одновременную компенсацию нескольких возмущающих величин — температуры, плотности, химического состава, сорта и других свойств материала. Он нашел применение в некоторых гигрометрах, а также в лабораторных и автоматических влагомерах для жидкостей -— неф - тей и нефтепродуктов. В последних применяются различные физико - механические и физико-химические способы получения обезвоженного «внутреннего эталона».
.В автоматических влагомерах непрерывного действия инерционность этой операции является серьезным недостатком, вызывая большие динамические. погрешности влагомера. Громоздкость и большая длительность получения абсолютно сухого образца еще в большей степени сказываются (цри измерениях влажности твердых материалов, где добавляются затруднения, связанные с сохранением неизменным этого образца.-
В некоторых датчиках. предусмотрена возможность изменения постоянной электродов в процессе эксплуатации.
Перенастройка датчика осуществляется изменением его геометрических параметров, чаще всего расстояния между электродами. Она используется не только для обеспечения взаимозаменяемости датчиков при их серийном выпуске, но и для улучшения характеристик влагомера (повышение чувствительности датчика, настройка на определенный сорт материала) при работе с различными материалами.