научная статья по теме БЕСКОНТАКТНЫЙ ЕМКОСТНЫЙ ЗОНД ДЛЯ КОНТРОЛЯ ВЛАЖНОСТИ МАТЕРИАЛОВ Энергетика

Текст научной статьи на тему «БЕСКОНТАКТНЫЙ ЕМКОСТНЫЙ ЗОНД ДЛЯ КОНТРОЛЯ ВЛАЖНОСТИ МАТЕРИАЛОВ»

УДК 621.317.3(075.8)

БЕСКОНТАКТНЫЙ ЕМКОСТНЫЙ ЗОНД ДЛЯ КОНТРОЛЯ ВЛАЖНОСТИ МАТЕРИАЛОВ

В.Б. Никулин, С.С. Ларичев

Предлагается емкостной зонд, электроды которого заключены во фторопластовый цилиндр. Теоретически выводится его функция преобразования, приводятся результаты эксперимента.

Предлагаемый зонд представляет собой фторопластовый цилиндр 1 (рис. 1) с продольными электродами 2 и 3, расположенными на внутреннем фторопластовом цилиндре 4. С контролируемой средой 5 соприкасается лишь внешний цилиндр (корпус), а электроды от нее изолированы. Такая конструкция позволяет избежать недостатков, присущих контактным методам измерения [1, 2].

Бесконтактный зонд можно рассматривать как чувствительный элемент с комплексной проводимостью К = С ± ¡В. где С — активная и В реактивная составляющие. Последняя, в соответствии с конструкцией зонда, имеет емкостной характер. Составляющие полной проводимости можно также выразить через активное и реактивное сопротивления. Изменение параметров электролитических материалов влияет, в основном, на изменение активной составляющей К/(Я2 + X2) проводимости, а диэлектрических — на изменение реактивной составляющей — Х/(к'? + X2), где Я и X активное и реактивное (емкостное) сопротивления контролируемого материала. Полная проводимость оценивается с учетом только влагосодержания материала, а не Благосостояния окружающей среды. Метрологическая характеристика влагосодержащего материала, т. е. зависимость полной проводимости от влагосодержания, может быть получена только с учетом физической адсорбции. При этом должна быть учтена плотность распределения материала 5 (см. рис. 1) на контакте с фторопластом 1. Существенное значение при этом приобретает оценка микропористости фторопласта и возможность увеличения контактной площади "материал-зонд". Реактивное сопротивление контакта зонд-материал должно быть минимальным, т. е. область контакта не должна содержать включения воздушных пузырьков с низкой диэлектрической проницаемостью. Основные показатели адсорбции влаги эквивалентны влагосодержанию. Они могут быть выражены числом частиц или их массой на 1 м2 поверхности зонда (или числом молекул воды).

Суть работы зонда вытекает из его схемы замещения, т. е. схемы двухэлектродной ячейки (рис. 2). Активная составляющая С полной проводимости зонда связана с потерями высокочастотной энергии, подводимой к его электродам. Формула комплексной проводимости после подстановки ее составляющих принимает вид:

Y= G + jB =

ак[(п- 1)ю С2]~ (пак)1 + [(я - 1)ю С7]2

+>[(я- 1)С, +

п(п-\)(ик)-С2 (пак)2 + [(я- 1)тС7]2

где с — электропроводимость материала, окружающего зонд; к — геометрическая постоянная зонда; я — число электродов зонда (я = 2); ю — круговая частота. Анализ формулы показывает:

• активная составляющая проводимости Сне зависит от емкости С];

• активная составляющая проводимости емкостного зонда меньше в 1,2...1,3 раза электропроводности влаги, содержащейся в материале и измеренной на низкой частоте контактным способом;

• из условия (Ю/с1<5 = 0 максимальное значение функции преобразования активной составляющей <7тах =

= (я-1)

а Сj

Изменение суммарной емкости С введенного в материал зонда зависит, в основном, от влажности IVили гидродинамического равновесия системы "среда — материал" и других факторов, таких как температура 1, гранулометрический состав Г, плотность р, химический состав и др. Очевидно:

(¡с + — dr +1^dp + ^^.

dm at Qp dp ox

dx +

Рис. 1. Устройство емкостного зонда:

1 и 4 — внешний и внутренний фторопластовые цилиндры; 2 и 3 — электроды; 5 — контролируемая среда

А-А

А

Датчики и Системы • № 6.2001_ 19

L ■ «0% Датчики и системы, N 6/2001, черная

Page 19

Рис. 2. Эквивалентная схема замещения емкостного зонда:

С] — поверхностная емкость между электродами; С-1 _ емкость между электродом и проводящим материалом; Л — активное сопротивление исследуемого материала

При этом энергия, поглощаемая 1 м материала в единицу времени, или активные потери

Е(Г) = ± |/(тЩт)Л»т = |еое"£:о ,

о

где в" — мнимая часть комплексной диэлектрической проводимости, определяющая потери; /(т) — ток, проходящий в зонде при воздействии электрического поля; Е(т) — энергия действующего электрического поля; ю — круговая частота; т — время; — начальная энергия электрического поля.

Таким образом, все виды активных потерь определяются частотой питающего тока, абсолютной диэлектрической проницаемостью материала и начальной энергией электрического поля

Очевидно, диэлектрическая проницаемость в "будет меняться в зависимости от состава влагосодержащей среды. Комплексная удельная проводимость, как известно, прямо пропорциональна емкости и частоте тока питания. Для нахождения вида функциональной зависимости влагосодержания от параметров емкостной системы воспользуемся известной я-теоремой Бекинге-ма^Федермана или второй теоремой подобия физических величин [3]. С этой целью составляется уравнение функциональной зависимости выходной величины/от влагосодержания тш/т, емкости С, активной площади поверхности зонда магнитной проводимости А контролируемого материала. Согласно я-теореме можно представить основную функциональную зависимость следующим образом:

величин. Решение уравнений показателей степени по элементам комплекса размерностей:

/=

PâïV {А)аЛ; (Cf 2- (Sf3

V m '

L : M : Т: /:

2а 1 _ 2с*2 + 2аз = О а] - с*2 = О —л | + 4(/л = —1 —а] + 2с*2 = О,

откуда а] = а 2 = —1/2; аз = 0 и зависимость частоты 1

у— тщ

причем влагосодержание — коэффици-

Физические величины имеют следующие размерности: dim(тш/т) = 1 (безразмерная величина)

dim С I, 2М 'Г4/2

dim А = 12М Т^2 Г2 dim/= 71-1 dim 5 = L2,

где L, М, Т и / — размерности длины, массы, времени и силы тока.

Уравнение размерностей:

T-l=F[(mBJm)(L2MT-2 Г2)а1 (¿Г2Л/-1 Т412)а2(12)а3],

где a], ct2, аз — неизвестные показатели степеней размерностей физических величин. Число комплексов размерностей q = h р = 5 4=1, где b — число переменных физических величин; р — число независимых основных

т 4АС

ент пропорциональности. Окончательно зависимость влагосодержания от основных параметров емкостного

зонда и материала запишем в виде:

_

\у= -Ы =/ЛС, т

где IV^ критерий, определяющий влагосодержание любого материала, в том числе насыпного и технологических сред.

Для подтверждения достоверности критерия влажности \¥ проведен эксперимент по следующей методике: максимальное значение влагосодержания определялось при погружении зонда сначала в воду в ограниченном объеме, затем в среду с заданными пределами влагосодержан ия.

В результате эксперимента получены следующие данные:

(тш/т) % 48 52 56 60 85 91 100 /кГц 17196 17206 17224 17235 17380 17405 17462

Диапазон частот при планировании факторного эксперимента составлял 1000...20 000 кГц. Результаты эксперимента и оценка чувствительности зонда позволили окончательно получить значение оптимальной частоты в пределах 6000...9000 кГц. Очевидно, значение частоты, согласно критерию IV, зависит от емкости и магнитной проводимости зонда и относительной влажности материала.

ВЫВОД

Экспериментальная оценка влагосодержания адекватна модели, представленной формулой комплексной проводимости и критерием IV. Описанный зонд применяется для контроля удельной проводимости электролитических и диэлектрических жидкостей, включая де-онизованную воду, а также влажности вязких и сыпучих материалов. Измеритель удельной электрической проводимости прошел калибровочную сертификацию на основе Государственного эталона проводимости ГЭТ-132 ВНИИФТРИ Госкомстандарта.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бегунов А.А. Теоретические основы и технические средства гигрометрии. М.: Изд-во стандартов, 1988.

2. Кричевский Е.С., Волченко А. Г., Галушкин С. С. Контроль влажности твердых и сыпучих материалов. М.: Энергоато-миздат, 1987.

3. Веников В.А. Теория подобия и моделирование. М.: Высш. ш:к., 1976.

Работа выполнена в Московском государственном институте электронной техники (техническом университете). Валентин Борисович Никулин - каш), техн. наук, доц.; Сергей Сергеевич Ларичев - студент Vкурса. Ш (095) 532-99-95 □

20 _ Sensors & Systems • № 6.2001

L Июо% Датчики и системы, N 6/2001, черная

Page 20

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком