Технічні науки / 6. Електротехніка і радіоелектроніка

К.т.н. Куцевол О. М., к.т.н. Куцевол М. О.

Вінницький національний аграрний університет, Україна

Визначення вологості капілярно-пористих матеріалів із незначними заважальними факторами

Вміст вологи в капілярно-пористих органічних матеріалах суттєво впливає на їх властивості та термін зберігання. Більшість досліджень в галузі вологометрії [1-3] направлені на розроблення зручних, швидких з малими енергозатратами електричних методів визначення вмісту вологи в матеріалах та кінцевих продуктах і виробах.

В більшості випадків еквівалентна схема чутливого елемента з досліджуваним матеріалом невисокої вологості може бути представлена паралельним з’єднанням опору втрат , значення якого сягає десятків мегаом, та ємністю (рис.1, а) [4].

, (1)

де – дійсна (фактична) [5] ємність вологого матеріалу;

– ємність порожнього ЧЕ.

Як видно з діаграми (рис.1, б) [6]:

. (2)

Комплексна провідність заповненого чутливого елемента:

, (3)

Комплексний опір чутливого елемента з досліджуваним матеріалом:

, (4)

де – фазовий зсув між напругою та струмом чутливого елемента.

a) б)

Рис.1. Еквівалентна схема (а) та векторна діаграма (а) чутливого елемента

Модуль комплексного опору:

, (5)

Враховуючи вирази (3) і (4) комплексний опір чутливого елемента з матеріалом в алгебраїчній формі:

, (6)

де – досліджуваний активний опір ЧЕ з матеріалом;

– досліджуваний реактивний опір ЧЕ з матеріалом.

З виразу (6) досліджуваний ємнісний опір перетворювача:

. (7)

З виразу (7) знаходимо виміряну ємність перетворювача:

. (8)

Звідси ємність :

. (9)

Дійсна ємність матеріалу [5]:

. (10)

Виміряна (уявна) ємність [5] і визначаються за будь-яким відомим методом.

Тангенс кута діелектричних втрат вологих капілярно-пористих матеріалів може досягати великих значень, тому виміряна ємність набагато більша ємності матеріалу, що характеризує вологість. Цим пояснюється значна похибка контролю вологості при використанні виміряної ємності ЧЕ.

Наявність нестабільного і тривалого в часі струму активної провідності вимагає великого часу вимірювання (десятки секунд), що зменшує експресність контролю.

Таким чином, дійсна ємність матеріалу може бути ефективним інформативним параметром при контролі вологості вологих матеріалів з нестабільними діелектричними втратами.

Запропонований метод може бути реалізований в вимірювальному перетворювачі (ВП), який складається з чутливого елемента та зразкового опору, з’єднаних послідовно. Вихідним параметром такого перетворювача може бути напруга . Для її знаходження скористаємось еквівалентними схемами (рис.2, а і б).

а) б)

Рис.2. Еквівалентні схеми вимірювального перетворювача

;

,

; (11)

де і – напруги зразкового і чутливого елементів на постійному струмі;

і – модулі напруг зразкового і чутливого елементів на змінному струмі.

З виразу (11) очевидно, що вихідна напруга залежить від та при постійних значеннях та . Оскільки – це опір, що відображає втрати в матеріалі, а вони мають значну температурну нестабільність, то вихідна напруга не може використовуватись в якості вихідного параметру ВП. Відомо [6], що параметром, захищеним від нестабільних діелектричних втрат, є струм, що протікає через ємність . Розглянемо еквівалентну схему та векторну діаграму ВП (рис.3, а і б).

Вимірюючи додатково напругу на зразковому елементі та , можемо знайти кут між напругами на чутливому і зразковому елементах

(12)

а з його допомогою кут

, (13)

і нарешті кут

. (14)

Знаходимо модуль струму

(15)

та модуль струму

. (16)

З діаграми (рис.3, б), очевидно, що струм матеріалу , який залежить від ємності матеріалу , дорівнює

. (17)

а) б)

Рис.3. Еквівалентна схема (а) та векторна діаграма (б) ВП

із слабкозволоженим зерном

Струм ємності матеріалу є параметром ВП, що не залежить від діелектричних втрат, але він є незахищеним від нестабільної пористості.

В цьому випадку можна використати додатковий параметр – струм ємності матеріалу на іншій частоті. При цьому сукупним інформативним параметром ВП може бути коефіцієнт відносного приросту струму ємності матеріалу

, (18)

де та – ємнісні струми чутливого елемента на частотах та .

З (18) видно, що інформативними параметрами первинного перетворювача є напруги , , .

Висновок

Вираз (18) доцільно використати при побудові приладу контролю вологості капілярно-пористих матеріалів з незначними втратами і нестабільною пористістю.

Експериментальні дослідження запропонованого методу і його порівняння з методом, в якому визначається повний струм чутливого елемента, дали такі результати для зерна з (перевірка проведена арбітражним термогравіметричним методом):

– діелектрометричний метод повної провідності – ;

– діелектрометричний метод визначення вологості матеріалу з незначними діелектричними втратами і нестабільною пористістю – .

Література:

1. Секанов Юрий Петрович. Влагометрия сыпучих и волокнистых растительных материалов : монография / Ю. П. Секанов. – М. : ВИМ, 2001. – 190 с. – ISBN-5-7010-0283-7.

2. Берлинер Марк Александрович. Измерения влажности / М. А. Берлинер. – М. : Энергия, 1973. – 400 с.

3. Дубров Николай Семенович. Многопараметрические влагомеры сыпучих материалов / Николай Семенович Дубров, Евгений Самойлович Кричевский, Борис Исаакович Невзлин. – М. : Машиностроение, 1980. – 144 с.

4. Поджаренко В. О. Високочастотні методи та засоби вимірювання волості капілярно-пористих матеріалів / Володимир Олександрович Поджаренко, Олег Миколайович Куцевол // Вісник національного університету “Львівська політехніка”. – 2003. – № 64. – С. 147–152.

5. Куцевол О. М. Метод визначення ємності матеріалу зі значними діелектричними втратами / О. М. Куцевол, М. О. Куцевол // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах : ІХ наук.-техн. конф., 30 трав.–2 черв. 2002 р. : тези допов. – Хмельницький, 2002. – С. 86–88.

6. Пат. 75700 Україна, МПК G 01 N 27/22. Спосіб вимірювання вологості / Поджаренко В. О., Куцевол М. О., Куцевол О. М. ; заявник патентовласник Вінницьк. націон. техн. унів. – №2004032000 ; заявл. 18.03.04; опубл. 15.05.06, Бюл. № 5. – 2 с.