СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01N22/04 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам и устройствам для определения влажности материалов, преимущественно глинистых и других дисперсных материалов по их электрофизическим параметрам.

Известны способы и устройства для определения влажности материалов, основанные на использовании закономерной связи между электрофизическими свойствами этих материалов, например, диэлектрической проницаемости, и содержанием влаги. Влагомеры этого типа состоят из измерителя емкости, емкостного датчика поверхностного типа и мультивибратора, генерирующего прямоугольные импульсы напряжения, скважность которых зависит от параметров датчика. Когда указанный датчик соприкасается с влажным материалом, диэлектрическая проницаемость которого пропорциональна содержанию влаги, емкость датчика увеличивается, скважность импульсов напряжения изменяется, что фиксируется с помощью измерительного прибора (микроамперметра). Используя экспериментальную зависимость между показаниями микроамперметра и диэлектрической проницаемостью анализируемого материала, в нем определяют содержание влаги [1]
Недостатком этого устройства и аналогичных электровлагомеров контактного типа [2] является зависимость измеряемых величин не только от содержания влаги в материале, но и от размерноcти его частиц, температуры, плотности, глубины погружения датчика в материал и других трудно контролируемых параметров, что существенно снижает точность измерений и увеличивает несистематические погрешности определения влажности.

Часть отмеченных недостатков устранена в автоматическом цифровом влагомере [3] где реализуется принцип многопараметрического определения физических свойств анализируемого материала путем измерения его параметров на нескольких высоких частотах.

Сигнал одной частоты (6 МГц), подаваемый генератором на пластины емкостного датчика, используется для определения влажности, а остальные (50 МГц и 1 МГц) -для компенсации диэлектрических потерь материала и учета толщины слоя шихты на ленте конвейера.

Основными недостатками этого влагомера являются сложность конструкции и нестабильность работы датчика прибора, который быстро изнашивается при работе на конвейере, а также невозможность дистанционного (бесконтактного) определения влажности материала.

Более близкими по техническому решению к заявляемому способу и устройству являются влагомеры, реализующие метод определения влажности материала путем облучения его электромагнитной энергией с одновременным измерением сигнала, прошедшего через образец [4] По величине относительного поглощения электромагнитного излучения судят о содержании влаги в материале, так как последняя наиболее интенсивно влияет на прохождение электромагнитных волн [5]
Влагомеры, работающие на этом принципе, содержат датчики влажности, генераторы электромагнитного излучения и регистрирующие приборы (авт.св. N 676913, 1283632, 1453275, 1453276 и др.)[6-8]
Недостатками этих устройств являются сложность их конструкции, применение электромагнитных излучений СВЧ-диапазона, вредных для человека, зависимость уровня поглощения электромагнитного излучения, проходящего через образец, не только от содержания влаги, но и от других физических и химических свойств среды, материала конвейера и т.п. что снижает точность измерений.

Цель изобретения повышение надежности и увеличения чувствительности дистанционного измерения влажности и других при необходимости свойств материалов при одновременном упрощении конструкции измеряемого устройства.

Поставленная цель достигается тем, что облучение исследуемого материала проводят электромагнитной энергией с частотой, резонансной частоте собственных колебаний молекул воды, газа и т.п. сорбированных твердыми частицами, с последующим измерением индуцированного отражения сигнала и по его величине судят о содержании воды, газа и т.п. в образце.

Способ реализуется с помощью электромагнитного влагомера дистанционного ЭВД-1, представляющего собой устройство, содержащее блок питания, генератор электромагнитного излучения, усилительно-регистрирующий блок и датчик, например, влажности, выполненный в виде емкостного трансформатора, первичная пластина которого является передающей антенной, соединенной с генератором для облучения исследуемого образца, а вторичная пластина является приемной антенной, подключенной к усилительно-регистрирующему блоку, причем между ними размещена нулевая пластина, а пластины датчика размещены в одной плоскости параллельно поверхности анализируемого материала.

Для получения электромагнитного излучения необходимой частоты, резонансной с частотой собственных колебаний молекул сорбированной влаги, устройство снабжено ультразвуковым генератором с широким диапазоном измеряемых частот от 20 до 100 КГц.

На фиг.1 изображена структурная схема влагомера ЭВД-1. Влагомер содержит блок питания 1, генератор электромагнитного излучения 2, емкостно-трансформаторный датчик 3 с излучающей 4, промежуточной 5 и приемной 6 пластины, столик-препаратодержатель 7 и усилительно-регистрирующий блок 8.

Измерение влажности проводят следующим образом.

При дискретном отборе анализируемых проб в гнездо столика-препаратодержателя помещают чашку Петри, вводят прибор в рабочий режим и проводят установку нуля на измерительных приборах усилительно-регистрирующего блока. Затем помещают в чашку Петри определенную навеску (100±20г) анализируемого материала, влажность которого определена независимым термовесовым методом, герметизируют чашку и размещают ее в гнездо столика-препаратодержателя. Изменяя частоту электромагнитного излучения, добиваются максимальных показаний измерительных приборов. Используя несколько проб с минимальной (5%), средней (10-15% ) и максимальной (25%) влажностью, строят градуировочный график при фиксированной резонансной частоте электромагнитного излучения и в дальнейшем проводят измерения влажности аналогичных материалов с использованием экспериментально выявленных зависимостей (фиг.2).

При измерении влажности, например, глинистой шихты кирпичного производства на конвейере размещают датчик параллельно поверхности конвейера, вводят влагомер в рабочий режим и проводят установку нуля на измерительных приборах, нивелируя тем самым фоновую составляющую отраженного сигнала. Затем на конвейере подают глинистую шихту с известной оптимальной для данного технологического процесса влажностью (например, 10% для кирпичного производства).

Изменяя частоту электромагнитного излучения добиваются максимального показания измерительных приборов.

Используя шихту с большей (20%) и меньшей (5%) влажностью, проводят эталонирование прибора и используют выявленные зависимости для контроля влажности шихты на конвейере, принимая величину показаний при 10%-ной влажности за опорное значение.

В основе предлагаемого способа и работы ЭВД используется принцип регистрации наведенного потенциала двойного электрического слоя частиц, содержащих сорбированную влагу, при воздействии на них электромагнитным излучением ультразвуковой частоты.

Как правило, во внешнем электрической поле диэлектрики поляризуются, т. е. переходят в состояние, характеризующееся тем, что дипольные моменты каждого элемента объема ΔV диэлектрика отличны от нуля. В случае с глинистыми частицами, содержащими сорбированную влагу, т.е. полярные молекулы H₂O, при воздействии электрическим полем возникает также ориентационная поляризация тонкодисперсного материала. В двойном электрическом слое частиц индуцируются поверхностные поляризованные заряды при воздействии внешнего поляризующего поля E_о.

В облучаемом материале векторно складываются поле E_о и поле связанных зарядов E_p, обусловленное внутренними электрофизическими свойствами материала. Поэтому результирующий вектор напряженности E при условии E_о=const зависит от электрических свойств среды - диэлектрическая проницаемость, на которую доминирующее влияние оказывает количество влаги, находящееся в веществе, так как e = 1+κ_l, где ε диэлектрическая восприимчивость среды, равная h_о•a (h_о число молекул в единице объема, a коэффициент поляризуемости молекулы).

В процессе вынужденных колебаний заряженных частиц периодически изменяются (с частотой ν внешнего высокочастотного электромагнитного излучения) дипольные электрические моменты молекул. При этом молекулы излучают вторичные электромагнитные волны той же частоты [9] Поэтому максимальное значение E достигается в тех случаях, когда частота внешнего поля E_о резонансна с частотой собственных колебаний молекул H₂O, сорбированных на поверхности глинистых частиц (фиг.2 и 3).

Таким образом, если воздействовать на глинистую шихту внешним электромагнитным полем E_о определенной (резонансной) частоты и одновременно регистрировать изменение потенциала E, то можно оценить содержание влаги в образце, что и реализуется в заявленном способе с помощью ЭВД-1.

В связи с тем, что непосредственное дистанционное определение E технически затруднено, в приборе ЭВД регистрируется изменение емкости C плоского конденсатора, спаренного с электромагнитным излучателем, которые выполняют функции емкостного трансформатора и размещены над поверхностью исследуемого материала.

Принцип работы ЭВД заключается в следующем.

Исследуемый материал подвергается воздействию электромагнитного излучения колебаний молекул сорбированной влаги с одновременной регистрацией потенциала наведенного электрического поля с помощью дистанционного емкостно-трансформаторного датчика. Резонансная частота электромагнитного излучения устанавливается экспериментально путем изменения режима работы генератора до получения максимальных замеров влажности в исследуемом материале.

На основании экспериментально установленной зависимости между емкостью датчика прибора и содержанием влаги в приборе (с использованием независимых эталонов) делается вывод о влажности материала при дискретном отборе образцов или о величине отклонения влажности глинистой шихты от требуемого для производства номинала, т.е. осуществляется контроль ее качества по этому параметру.

Так как в предлагаемых способе и устройстве регистрируется полезный сигнал, величина которого отличается практически только содержанием влаги в образце, чувствительность измерений значительно возрастает, а погрешности измерений, связанные с диэлектрическими потерями, температурой, толщиной слоя глины и другими характеристиками материала, существенно снижаются, что в целом обеспечивает высокую точность способа и надежность работы электромагнитного дистанционного влагомера ЭВД-1.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Титов В. Универсальный влагомер. Радио, 1967, N 3, с.52.

2. Дробица В. Измерители влажности с емкостными датчиками. В помощь радиолюбителю. 1978, вып. с.50-57.

3. Дубров Н. Невзлин Б. Каплий В. Влагомеры сыпучих материалов. В помощь радиолюбителю, вып. 50, 1975, с.39-54.

4. Бензарь В.К. Техника СВЧ-влагометрии. Минск: Высшая школа, 1974, с. 80-94.

5. Берлинер М.А. Измерения влажности. М. Энергия, 1973, с.131.

6. Атаметов Т.У. Дроздов В.Н. Кириллов Г.А. Мальцев В.Е. Способ измерения влажности материалов неоднородных по электрическим свойствам. Авт. свид. N 271104. Бюлл. N 17 от 12.05.1970.

7. Беренцвейг Р.А. Мамонтов Ю.М. Устройство для измерения влажности. - Авт.свид. N 1453275. Бюлл. N 3 от 23.01.89.

8. Ильющенко А. В. Кравченко И.Т. Авт.свид. N 13777690. Бюлл. N 8 от 29.02.88.

9. Яворский Б. М. Дятлаф А.А. Справочник по физике. М. Наука, 1977, с. 361-370, 583-585.

Способ реализуется с помощью электромагнитного дистанционного влагомера ЭВД-1, представляющего собой устройство, содержащее блок питания, генератор электромагнитного излучения с изменяемой частотой, усилительно-регистрирующий блок и датчик влажности, выполненный в виде емкостного трансформатора, первичная пластина которого соединена с генератором электромагнитного излучения, вторичная пластина подключена к усилительно-регистрирующему блоку, между первой и второй пластинами размещена нулевая пластина, причем пластины датчика размещены в одной плоскости параллельно поверхности анализирующего материала. Резонансная частота электромагнитного излучения устанавливается экспериментально путем изменения режима работы генератора до получения максимальных замеров влажности в исследуемом материале. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ измерения влажности материалов, основанный на облучении образца электромагнитной энергией с одновременной регистрацией отраженного сигнала, отличающийся тем, что определяют резонансную частоту собственных колебаний молекул воды, сорбированной твердыми частицами образца, и облучение образца проводят электромагнитной энергией этой частоты, измеряют наведенный потенциал двойного электрического слоя твердых частиц и по графикам зависимости наведенного потенциала, частоты электромагнитной энергии и влажности судят о содержании влаги в образце. 2. Устройство для измерения влажности материалов, содержащее генератор электромагнитного излучения, датчик влажности и усилительно-регистрирующий блок, отличающееся тем, что датчик влажности выполнен в виде емкостного трансформатора, первичная пластина которого соединена с генератором электромагнитного излучения с изменяемой частотой, вторичная пластина подключена к усилительно-регистрирующему блоку, между первой и второй пластинами размещена нулевая пластина, причем пластины датчика размещены в одной плоскости параллельно поверхности анализируемого материала.