Кондуктометрические влагомеры

Эти приборы основаны на зависимости электропроводности контролируемого продукта от его влажности. Зависимость электрического сопротивления R_x от влажности для капиллярно-пористых материалов выражается следующим образом:

Rx=CW^-a ,

где С и а - постоянные, зависящие от вида материала и условий измерения.

На рис. 3.1 представлена зависимость сопротивления продукта Rx в логарифмическом масштабе от влажности W: lg Rx=f(W).

Эту зависимость можно разделить на два участка, Участок Ι аппроксимируется выражением вида:

lg Rx =a–bW ,

где а и b - постоянные.

Он характерен для области низкой и средней влажности и отличается высокой крутизной.

Участок повышенной влажности ΙΙ характерен снижением крутизны. Чувствительность влагомера в этой области резко падает.

Следует отметить, что на величину электропроводности материала сущес­твенное влияние оказывает и целый ряд других факторов: температура, хими­ческий состав, плотность насыпки и т.д.

Поэтому приборы, основанные на этом методе контроля, как правило, не обладают высокой точностью измерения и используются в основном в качестве индикаторов.

Конструктивно первичные преобразователи кондуктометрических влагомеров представляют собой два или более электродов, выполненных в виде пластин, цилиндрических трубок, роликов. При анализе сыпучих материалов прибор, как правило, снабжается устройством для прессования пробы.

Из измерительных схем наиболее широкое применение получили мостовые, в одно из плеч которых включается датчик.

При измерении на постоянном токе, благодаря наличию ионной проводимос­ти, характерной для пищевых продуктов, наблюдается значительная поляриза­ция электродов. Повышение частоты измерений снижает этот эффект. Практически поляризация электродов не сказывается на частотах свыше 3 кГц. Учитывая, что изменение электропроводности составляет 1-2,5 % на 1 °С, погрешность кондуктометрических влагомеров в значительной степени определяется точнос­тью температурной компенсации.

Поэтому выбор и настройка системы термокомпенсации - одно из важнейших условий работоспособности основанных на этом методе влагомеров.

Из применяемых в отрасли подобных приборов можно назвать влагомер для сгущенного молока с сахаром типа АВСГ.

Первичный преобразователь прибора состоит из двух измерительных электродов.Один из них представляет собой отрезок трубопровода из нержа­веющей стали. Другой выполнен из молибдена и изолирован от трубы втул­кой из фторопласта. В качестве вторичного прибора используется электронный измерительный мост. В качестве термокомпенсатора служит стандартный термопреобразователь сопротивления, включенный последовательно с измерительной ячейкой в одно из плеч измерительной мостовой схемы, или термистор, включенный в смежное плечо моста.

Предусмотрена сигнализация момента достижения заданного значения содер­жания влаги.

Погрешность контроля составляет ±0,5 % влаги. Частота измерений 50 Гц. Диапазон температур контролируемого продукта 50–60 °С.

Емкостные влагомеры

Для контроля влажности сыпучих и твердых материалов широко применяются так называемые емкостные влагомеры. В качестве первичных преобразователей в та­ких приборах используются плоские или цилиндрические конденсаторы. Пос­кольку в процессе измерения определяется полное сопротивление, то этот метод называют диэлькометрическим.

Как правило, измерения проводят в области высоких частот, что обуслов­лено стремлением избавиться от поляризационных явлений на поверхностях чувствительного элемента, соприкасающихся с контролируемой средой. При этом геометричес­кие размеры преобразователя существенно меньше длины волны, что позволяет рассматривать его как систему с сосредоточенными параметрами. Емкость плоского конденсатора определяется по формуле:

C= ε S/d ;

цилиндрического:

C=2π l/ ln(R₂/R₁) ,

где S - площадь электродов, м ;

d - расстояние между электродами, м;

l - длина цилиндрических электродов, м;

R₁ и R₂ - радиус внешнего и внутреннего электродов, м;

ε - абсолютная диэлектрическая проницаемость межэлектродного пространства, Ф/м.

Учитывая, что относительная диэлектрическая проницаемость большинст­ва сухих веществ находится в пределах от 2 до 10, а воды составляет около 80, легко убедиться, что в процессе насыщения влагой пористого или порошкообразного сухого вещества его диэлектрическая проницаемость увеличивается.

Следует отметить, что влага имеет в пищевых продуктах различ­ные формы связи с веществом. При этом только так называемая сво­бодная влага обладает упомянутым значением относительной диэлектричес­кой проницаемости. Что же касается химически связанной влаги, то она имеет диэлектрическую проницаемостъ в пределах 2,2-1,5, т.е. такую же, что и сухие вещества, и ее определение данным методом затруднено. Такие формы связи имеет часть влаги в сухом молоке.

Емкостный влагомер, как правило, включает в себя следующие основные элементы: высокочастотный генератор, первичный преобразователь, измерительную схему и вто­ричный показывающий, регистрирующий и сигнализирующий прибор.

При измерении сухих порошкообразных продуктов используется устройство для уплотнения. Кроме того, для исключения влияния температуры на результаты измерения предусматривается термокомпенсация.

В связи с тем, что пищевые продукты являются, как правило, средами с высокой удельной электропроводностью, применяются емкостные датчики с изолированными электродами.

Эквивалентная схема такого датчика приведена на рис. 3.2.

С₀ – емкость изоляционных прокладок;

С_х и R_х – емкость и сопротивление, обусловленные наличием анализируемого материала.

При Rx= ∞ значение C=CxCo/Cx+Co;

при Rx=0 значение C=Co .

Эквивалентная емкость и проводимость рассчитывают по формулам:

С_э =[G_x² C_o+ ω²C_oC_x(C_o+C_x)]/[G _x² + ω²(C_x+C_o)²];

G_э =[ G_x ω²C_o²] /[G _x² + ω²(C_x+C_o)²] .

Таким образом, как эквивалентная емкость, так и эквивалентная проводимость являются функциями удельной электропроводности материала (рис. 3.3).

Измерение можно проводить по определению как емкостной, так и актив­ной составляющей. Однако на практике применяются, как правило, методы, основанные на измерении модуля полной проводимости.

Рассмотрим некоторые практические применения емкостного метода. Фирмой «Брабендер» (ФРГ) разработан влагомер для сливочного масла при непрерывном его производстве. Первичный преобразователь представляет собой емкость цилиндрической формы. Из­мерения производятся на частоте 13 МГц. Прибор состоит из блока настрой­ки, измерительного блока, самописца и сигнализирующей приставки. Диапазон измерения прибором 13–19 % влаги. Погрешность измерения составляет ±0,2 % влаги.

Для контроля влажности мясокостной муки разработан емкостной влагомер типа ВММК. Емкость первичного преобразователя составляет 250 пФ, часто­та измерений 1,5 МГц. Генератор, выполненный на транзисторе с кварцевым стабилизатором час­тоты, настраивается в резонанс с помощью колебательного контура. Чувствительный элемент соединяется с электронным блоком радиочастотным коаксиальным кабелем длиной 150 мм, емкостью 15 пФ.

В качестве приме­ра применения емкостного датчика с изолированными электродами может быть назван высокочастотный (25 МГц) влагомер творога, вырабатываемого на поточных механизированных линиях типа АВТ-1. Прибор включает следующие основные элементы: генератор, мостовую измерительную схему, блок питания и сигнализации и потенциометр. Измерительная ячейка представляет собой отрезок трубы из фторопласта с электродом-обкладкой на наружной поверхности. В приборе предусмотре­на температурная компенсация. Пределы контроля 75–85 % влаги. Погрешность измерения ±1 % влаги.

Существенным недостатком высокочастотных методов является значитель­ное влияние на результаты измерений удельной электропроводности продук­та, вызванное колебанием его химического состава. От этого недостатка свободен так называемый сверхвысокочастотный метод (СВЧ) в области частот от 3000 до 10 000 МГц.