Реферат: Датчик влажности

Одно из уникальных свойств воды - аномально высокая диэлектри­ческая проницаемость, вызванная тем, что оси 0-Н в молекуле воды имеют угол, близкий к 105°. Эта особенность, обусловленная законами квантовой механики, приводит к тому, что даже в отсутствие внешнего электрического поля молекула воды обладает собственным дипольным моментом. Ориентация полярной молекулы во внешнем поле отлична от ориентации неполярной молекулы при электронной или ионной поля­ризации, когда деформируется только электронное облако. При дипольной поляризации молекула поворачивается как единое целое, поэтому на процесс поляризации влияют энергия связи воды со скелетом и температура. Вращение молекулы отстает от вращающего момента, вызванного переменным электромагнитным полем, за счет сил трения, уменьшающих также и амплитуду результирующей поляризации. Это отставание удобно характеризовать временем релаксации, которое для воды равно 0,6*10-¹¹ с (Т = 293 К) и для льда 10"⁵ с (Т< 273 К) [2.3J. Полимеризация воды со скелетом вблизи поверхности твердой фазы при­водит к увеличению времени релаксации до 10^-9—10^-7 с. При совпадении частоты внешнего поля с собственной частотой диполей (область диспер­сии) возрастают потери и диэлектрическая проницаемость начинает зависеть от частоты.

5.2.6 Нейтронный метод

Нейтронный метод измерения влажности основан на замедлении быст­рых нейтронов при упругом столкновении их с атомами вещества. Так как массы ядра и нейтрона соизмеримы, то при упругом столкновении происходит уменьшение энергии нейтрона, равное энергии отдачи ядра. При столкновении с легкими атомами, в частности с атомами водорода. потеря энергии может быть весьма значительной. Анизотропный поток быстрых нейтронов, сохраняющий при прохождении через вещество свое первоначальное направление, превращается в изотропный поток тепловых нейтронов, которые можно регистрировать детектором, расположенным в непосредственной близости от источника быстрых нейтронов или в точке, удаленной на некоторое фиксированное расстояние.

В реальных средах, содержащих не только легкие, но и средние (с заря­дом Z > 35) ядра, быстрые нейтроны испытывают как упругие, так и неупругие столкновения, а затем, когда в результате столкновений нейт­рон потеряет большую часть энергии, он начнет терять энергию только на упругих столкновениях. В среде с легкими атомами роль неупругих столкновений значительно слабее. Так, замедляющая способность воды вычислена с учетом кислорода. Несколько большая замедляющая спо­собность у парафина. Высокую замедляющую способность углеводоро­дов объясняет сильное влияние органических примесей на точность при измерении влажности почв нейтронным методом. Используя свойство разной замедленности нейтронов в материалах, создаются нейтронные влагомеры.

5.2.7 Инфракрасные влагомеры

Известно, что в молекуле существуют два основных вида колебаний — валентные и деформационные. Колебания, в условиях которых атомы остаются на осях валентной связи, а расстояния между атомами периодически изменяются, называют валентными. Под деформационными понимают колебания, в условиях которых атомы отходят от оси валентных связей. Поскольку энергия деформационных колебаний значительно меньше энергии валентных колебаний, то деформационные колебания наблюдаются при больших длинах волн.

Валентные и деформационные колебания создают основные, обладаю­щие наибольшей интенсивностью полосы поглощения, а также обертонные полосы, имеющие частоты, кратные основной. Интенсивность обертонных полос поглощения меньше интенсивности основных.

Разграничение спектров по характеру поглощения совпадает с энерге­тическим делением инфракрасной (ИК) области излучений на ближ­нюю область, соответствующую области обертонов, и среднюю, соот­ветствующую области основных колебаний.

Главной особенностью ИК-спектров является то, что поглощение излу­чения зависит не только от молекулы в целом, но и от отдельных групп присутствующих в этой молекуле атомов. Это положение является основополагающим для ИК спектрального анализа вещественного состава и определения количеств тех или иных групп атомов, присутствующих в исследуемом материале.

Получают и исследуют ИК-спектры с помощью специальных прибо­ров — спектрометров или спектрофотометров, в которых излучение ис­точника направляется на исследуемый образец через монохроматор, вы­деляющий из интегрального пучка излучений монохроматическое излу­чение той или иной длины волны.

Излучение, прошедшее через контролируемый материал, улавливает­ся приемником, а сигнал, формируемый приемником, усиливается и об­рабатывается электронным блоком. Обычно в видимой и ближней ИК-областях источниками излучения служат лампы накаливания, а приемника­ми — фоторезисторы, например PbS, GaS, InSb и т.п. В средней и дальней ИК-областях источниками излучений могут быть накапливаемые керами­ческие стержни, а приемниками - термопары, болометры и т.п.

Количественный анализ содержания в контролируемом материале того или иного компонента достаточно прост, если имеется полоса погло­щения данного компонента, не перекрывающаяся полосами поглощения других компонентов. Тогда глубина полосы хорошо коррелируют с кон­центрацией исследуемого компонента.

Прибор обычно регистрирует прозрачность характеризующую отношение потока, прошедшего через вещество, к потоку, падающему на вещество:

5.2.8 Кондуктометрические датчики

Капиллярно-пористые влажные материалы с точки зре­ния физики диэлектриков относятся к макроскопически неоднородным диэлектрикам. Их неоднородность обуслов­лена в первую очередь наличием вкраплений влаги в основ­ной (сухой) материал. Кроме того, подавляющее большин­ство естественных и промышленных материалов неодно­родно по своему химическому составу, содержит примеси, загрязнения и воздушные включения.

Для таких материалов характерно превалирующее влия­ние влажности на электрические свойства материала. Являясь в сухом виде изоляторами с удельным объемным сопротивлением Pv=10¹⁰—10¹⁵ ом-см и выше, в результа­те увлажнения они становятся проводниками: величина Py понижается до 10^-2—10^-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 прово­димости, но и на качественных особенностях электропро­водности: на ее зависимости от температуры и напряжен­ности электрического поля.

5.2.9 Выбор метода

Для моего технического задания наиболее полно подходит кондуктометрический метод измерения влажности.

Метод высушивания очень надежен, но имеет большую погрешность и достаточно ограниченную область применения. Конструкция сушильных шкафов достаточно сложна и дорогостояща.

Дистилляционный метод, как уже оговаривалось, имеет много недостатков, таких как: огнеопасное и хрупкое оборудование, большая погрешность.

Экстракционный метод слишком сложн в своей постановке. Используются расходные материалы.

Химический метод в отличие от других методов учитывает содержание связанной воды в материале, достаточно прост, но использует расходные материалы.

СВЧ-технология измерения влажности надежна, позволяет бесконтактно измерять влажность материала, но по сравнению с кондуктометрическим методом более сложен в исполнении.

Нейтронный метод измерения влажности имеет очень маленькую погрешность (0,3-1%), удобен для измерения влажности почвы, бетона. Но слишком большой объем навески (слой 10-20см или сфера D=15-40см), влияние на показания органических примесей, фоновая радиоактивность, делает его не применимым к текущему техническому заданию.

Инфракрасный влагомер сложен. Требует дополнительное дорогостоящее оборудование (спектрометр, монохроматор).

В отличие от всех выше перечисленных методов кондуктометрические датчики являются очень чувствительными (изменение удельного сопротивления на 10-12 порядков), конструктивно легко выполнимы, не требуют дополнительно дорогостоящих приборов в большей степени отвечает моему техническому заданию, а главное дополнительному условию: измерение влажности сыпучих материалов.

3. Выбор и описание датчика

Основным требованием, предъявляемым к датчикам электрических влагомеров, является требование воспроизводимости факторов, влияющих на результаты измерения. В связи с этим в некоторых датчиках предусматриваются дополнительные устройства, предназначенные для создания одинаковых условий подготовки или введения образца ма­териала в междуэлектродное пространство. Кроме того, к конструкции датчиков предъявляются и другие требова­ния, как-то: небольшой вес (особенно в переносных влаго­мерах), высокое сопротивление изоляции, которое должно быть в несколько раз выше максимального сопротивления материала между электродами. Последнее требование вле­чет за собой необходимость тщательной очистки и наблю­дения за состоянием изоляции в процессе эксплуатации, особенно при возможности загрязнения или увлажнения изоляции исследуемым материалом.

Для кондуктометрических влагомеров было разработано много конструкций датчиков; ниже рассматриваются наи­более характерные датчики, нашедшие практическое при­менение.

По принципу действия датчики для сыпучих материалов их можно разделить на две группы: