Датчик влажности

| Категория реферата: Рефераты по радиоэлектронике
| Теги реферата: бесплатные рефераты скачать бесплатно, доклад
| Добавил(а) на сайт: Протасий.

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.