Метод измерения влажности

Назначение поточный влагомер MICRORADAR – 113 К-2

Микроволновый бесконтактный поточный влагомер MICRORADAR – 113 К-2 может быть использован для измерения влажности силикатной массы, формовочных смесей, глиняных порошков, песка, каолина, рудных концентратов, угля, оксида алюминия и многих других материалов. Приборы предназначены для работы на ленточных конвейерах и в бункерах в условия высоких температур и запыленности, при высокой абразивности, агрессивности материала и склонности его к налипанию. Принцип действия влагомеров основан на измерении величины поглощения СВЧ энергии влажным материалом и преобразовании этой величины в цифровой код, соответствующий влажности материала. Влагомеры обеспечивает автоматическую коррекцию результатов измерения при изменении температуры материала, имеет токовый выход и последовательный канал связи с ЭВМ RS-485. Сигнал сенсоров поступает в микропроцессорный блок обработки, в котором происходит вычисление влажности. Величина влажности показывается на индикаторном табло микропроцессорного блока и преобразуется в аналоговые выходы 4-20 мА и 0-5 В. По каналу RS485 влажность, температура и сигналы сенсоров могут передаваться в компьютер. В комплект поставки прибора входит программа накопления и отображения влажности в реальном масштабе времени, что позволяет записывать на компьютер, наблюдать, хранить и печатать информацию о влажности за любой период времени. Точность измерения влажности от 0,15% до 1 % в зависимости от диапазона влажности. с учетом погрешности проба отбора и погрешности измерения влажности стандартным методом, например, сушкой в сушильном шкафу.

Рисунок 7.1 – Внешний вид влагомера MICRORADAR – 113 К-2

Метод измерения влажности

Методы измерения влажности в свободном пространстве широко применяют благодаря простоте, несложной методике измерения, отсутствию контакта с пробой и представительности последней, так как проба берется в большом объеме, достигающем десятков кубических дециметров.

В большинстве СВЧ-влагомеров используется измерение влажности по поглощению СВЧ-энергии (по затуханию). Измеряемым параметром является затухание А (дБ), которое в случае достаточно больших толщин слоя, когда можно пренебречь отражением от задней стенки, связано с влажностью приближенным соотношением [4]

А = 8,68α_в W ρ kD + | R |. (7.1)

Коэффициент затухания для воды (дБ/м)

α_в = . (7.2)

Здесь для расчета αв значения ε ' и ε " можно брать из [6], дБ/м; ρ – плотность влажного материала, кг/м3; k – эмпирическая константа, м3/кг; D – толщина материала, м; R – модуль коэффициента отражения поверхности раздела воздух – материал.

Выражение (7.1) является приближенным прежде всего потому, что поверхность взаимодействия организуют в ближней зоне, где фронт волны сферический. Это приводит к погрешности, учитываемой коэффициентом k. На результат измерения непосредственное влияние оказывает плотность, и поэтому стремятся компенсировать эту погрешность, например, используя γ-плотномеры или производя измерения на двух частотах. В [7] предлагается повысить чувствительность метода измерением затухания при двух значениях D, выбираемых из условия

D 1 – D 2 = π (2 k – 1) / (β_в – β_о); k = 1, 2, …,

где индекс «0» относится к свободному пространству;

Фазовая постоянная, т.е. мнимая составляющая волнового числа вычисляется по формуле

β = = . (7.3)

При k = 1 чувствительность максимальна (диапазон ограничен W max), свыше которой нарушается однозначность измерений, а градуировочная характеристика близка к квадратической. Измеряемым параметром является разность затуханий в каналах. Диапазон измерений может быть достаточно велик, например, для хлопкового семени W = 4…10,4 % (W max = 12,6 % массовой влажности), при этом чувствительность возрастает по сравнению с методом «на просвет» от 3 (W = 4 %) до 7 (W = 10,4 %) раз для D 1 – D 2 = 9 см. С уменьшением разности D 1 – D 2 чувствительность метода возрастает. В реальных условиях толщина зависит от массы навески в кювете площадью 0,2 ×0,2 м², при этом в диапазоне 4…10,4 % погрешность не превышает 0,5 % влажности при доверительной вероятности 0,95. Измерения проводились на λ = 3 см.

Для однородных материалов, когда ε ' и ε " не зависят от координаты, общий сдвиг фазы волны, проходящий через материал

Δφ = (7.4)

при постоянной толщине пробы D однозначно связан с влажностью.

Установка для экспериментального исследования фазовлажностных характеристик [9] содержит фазовращатель. Для измерения сдвига фазы, вносящего пробой, производят предварительную установку фазовращателя по минимуму показания регистрирующего прибора.

Как и для метода ослабления, фазовый сдвиг пропорционален объемной влажности, т.е. на результат измерения влияют толщина слоя и насыпная плотность материала. В [10] на примере естественных и искусственных цементных шламов показано, что при W > 7 % массовой влажности состав твердой фазы на фазовлажностную характеристику не влияет.

Недостаток описанных влагометрических систем – зависимость результата измерения от плотности и толщины слоя, избежать которой в некоторых случаях можно одновременным измерением затухания и фазы [11].

Для однородной смеси возможно нахождение линейной формы, позволяющей посредством эмпирических коэффициентов исключить плотность и толщину слоя.

Коэффициенты существенно зависят от температуры, поэтому в устройство необходимо вводить канал температурной коррекции [12]. При погрешности измерения фазы 3° и амплитуды 0,1 дБ погрешность (Т = const) измерения влажности не превышает 0,25 %. Как и для всех фазовых методов, максимальное изменение фазы не должно превышать 2π.

Метод свободного пространства позволяет размещать датчик по одну сторону измеряемого материала, что в некоторых случаях является важным преимуществом. Для этого можно использовать нормальное или наклонное падение луча, причем в первом случае достаточна одна совмещенная антенна.

При нормальном падении и отсутствии отражения от задней поверхности (D >> λ и затухание велико) модуль коэффициента отражения R & связан с ε ' и ε " материала зависимостью [13]

R = (1−[ ε′ − j ε′′]^0.5)² /(1+ [ε′ − j ε′′]^0.5)² (7.5)

при полном отражении от заданной поверхности пробы ослабление

А = 8,65(2π/ λ) ε′ D tg δ (7.6)

В случае применения одной совмещенной антенны для приема волны нужен направленный ответвитель или двойной тройник, позволяющий получить более высокий уровень сигнала и лучшую развязку СВЧ-генератора с приемным трактом.

Сравнительный анализ методов свободного пространства на основе трехкомпонентной одномерной модели [14] показал, что в диапазоне волн от 1 до 3 см наибольшей чувствительностью обладает метод поглощения, на более низких частотах чувствительность трех методов примерно одинакова. Для наиболее часто применяемой длины волны 3 см амплитудный метод более чем в два раза чувствительнее фазового и в 6 раз чувствительнее метода отражения. Экспериментальные исследования метода поглощения показали, что для большинства водорастворимых материалов линия регрессии имеет излом при критической влажности 1…2 %, причем с ростом температуры значение критической влажности уменьшается. Поэтому некоторые авторы [15] рекомендуют проводить измерения при температуре 365 – 375 К, чтобы расширить применимость метода в области малых влагосодержаний.

Сверхвысокочастотный метод характеризуется сильной чувствительностью. Сверхвысокочастотный метод характеризуется сильной чувствительностью к изменению температуры, причем значение и знак этой чувствительности зависят как от влажности, так и от формы ее связи со скелетом вмещающего вещества.

При исследовании зависимости ε ' и ε " воды от температуры получено [4], что в низкочастотной части диапазона действительная часть диэлектрической проницаемости убывает с ростом температуры, а в высокочастотной части возрастает. Эти результаты хорошо согласуются с выводами, приведенными в [16], где из диаграммы Коул – Коул получена частота релаксации, близкая к 18 ГГц. В зависимости от материала и влажности характер затухания от температуры может быть различный, приближаясь при больших влажностях к зависимости для воды. Таким образом, при разработке СВЧ-влагомеров необходимо для каждого вещества индивидуально определять температурную чувствительность S т. Получение удовлетворительных метрологических характеристик возможно лишь при наличии температурной коррекции. Например, при чувствительности к влажности 11,3 дБ/% для удобрения аммофос [13] температурная чувствительность метода, приведенная к влажности, составляет 0,007 %/К на нижнем пределе и 0,04 %/К на верхнем пределе. Так как при эксплуатации приборов в цеховых условиях температура меняется от 280 до 340 К (для цеха по производству минеральных удобрений), то погрешность при отсутствии коррекции может превысить 1 %.

Влияние температуры на чувствительность фазовых СВЧ-влагомеров значительно ниже и для длины волны меньшей 3 см не превышает 20 % динамического диапазона [14].

Основной особенностью СВЧ-метода является то, что с его помощью можно измерить количество воды в зондируемом объеме, т.е. затухание в слое, толщина которого эквивалентна всей влаге в просвечиваемом сечении. Поэтому все изменения толщины слоя, плотности материала, связанные с вариациями состава, степенью уплотнения, вызывают пропорциональное изменение выходного сигнала.

Избавиться от указанной погрешности можно только прямой коррекцией по толщине и плотности, например используя γ-плотномер, или искусственными мерами, аналогичными описанному выше амплитудно-фазовому методу.

Влагомеры, основанные на измерении в свободном пространстве затухания или фазового сдвига проходящей волны, нашли наибольшее практическое применение. Исследуемый материал помещается между передающей и приемной антеннами при нормальном падении волны. На практике обычно используются рупорные антенны, хотя возможно применение направленных излучателей и других типов, например диэлектрических стержневых антенн.

Рассматриваемый метод дает интегральную (усредненную) оценку свойств материала на пути волны.

Выбор рабочей частоты представляет собой компромиссное решение. Переход к более коротким волнам повышает чувствительность влагомера; однако при этом уменьшается площадь исследуемого образца увеличиваются сложность и стоимость аппаратуры. Использование более длинных волн ухудшает метрологические свойства влагомера (чувствительность, погрешность от изменений состава материала), увеличивает массу и габариты прибора. На рис. 7.2 приведена структурные и функциональные схема амплитудного влагомера СВЧ, основанные на принципе ослабления (метод на «прохождение»).

1– рупер излучения; 2 – образец; 3 – рупер приема; БЛ. УПР. И КОНТР. – блок управления и контроля; Д₁ – датчик наличия материала; Д₂ – датчик температуры; МПУ – микропроцессорное устройство; БИ – блок индикации; rs-485 – канал связи

Рисунок 7.2 – Структурная схема амплитудного влагомера СВЧ