Muratov_V_G_Metrologia_tekhnol_izmer_i_pribor

Рис. 16.4. Чутливий елемент сорбційно-резистивного гігрометра:

а) – конструкція; б) –вимірювальна схема

Строк служби таких ПП в нейтральних середовищах складає понад 5 років. Але наявність лужних, кислотних та інших технологічних випаровувань у робочих приміщеннях харчових виробництв, (наприклад, при використанні санітарних розчинів), скорочує термін служби ПП до 1,5–2 років.

Електричне коло між електродами замикається за допомогою сорбенту, що перебуває в термодинамічній рівновазі з навколишнім середовищем. При цьому опір полімерного сорбенту зворотно пропорційний рівню вологості аналізованого газового середовища.

Деякі типи ПП мають керамічну або полімерну підкладку, обробленуяким-небудьхімічнимреагентом, наприклад— кислотою. Коли такі сорбенти поглинають водяну пару, іонні групи розпадаються, що підвищує електричну провідність чутливого елемента.

Дляусуненняполяризаціїелектродівтазміщеннянулясорбційнорезистивний ЧЕ вмикають у вимірювальний напівміст (рис. 16.4 б) або міст, який живлять стабілізованою змінною напругою ~Uжив сталої частоти в діапазоні від 30 Гц до 10 кГц.

Убільшостівипадківномінальнастатичнахарактеристика(НСХ) сорбційно-резистивного ЧЕ вологості є нелінійною і залежною від температури. Тому кожний тип гігрометра має свою характерну схему лінеаризації й температурної корекції НСХ, в тому числі — з використанням вбудованих в ПП термометрів опору. При цьому номінальне значення опору чутливого елемента в залежності від типу ПП коливається від 1 кОм до 100 МОм.

Таким чином, сорбент, що розташований між двома електродами, представляє собою вологозалежний конденсатор. Зміна ємності цього конденсатора практично прямо пропорціональна значенню відносної вологості вимірюваного середовища, що видно з наведеної на рис. 16.5б номінальної статичної характеристики розглянутого ЧЕ.

При цьому характер НСХ ємнісного ПП практично не залежить від температури вимірюваного середовища. Крім того, ємнісні ПП мають високу чутливість, довгострокову стабільність параметрів, низькі гістерезис та інерційність. При цьому ємнісні ПП забезпечують повне відновлення після прямого впливу конденсату. На відміну від інших, ємнісні ПП мають повний діапазон (0…100 %) вимірювання відносної вологості повітря в широкому діапазоні робочих температур (загально до 120 °С), як показано на рис. 16.5 в.

Сучасні технології виробництва ємнісних ПП інтегрували у себе багатодосягненьмікроелектроніки. Наприклад, тонкоплівковіємнісні ПП можуть на своїй підкладці додатково мати монолітну мікросхему підсилювача сигналів, оскільки відстань між чутливим елементом і підсилювачем не може бути більше 3 метрів із-за паразитного впливу ємності з’єднуючого кабеля.

Більшість сучасних сорбційно-ємнісних ПП вологості складаються з ємнісного ЧЕ та мікроелектроніки в одному корпусі.

Вітчизняні сорбційно-ємнісні ПП відносної вологості і температури повітря, наприклад, фірми ТЕРА, мають вмонтований нормуючий перетворювач із вихідним сигналом 4…20 мА або RS485. Вони призначені для вимірювання відносної вологості повітря в діапазоні від 0 до 100 % при температурах 0…70 °С (ПП типу ДВ-05) або температурах 0…120 °С (ПП типів ДВ-05, ДВ-08). Мають інерційність ε∞= 30 с і основні похибки вимірювання відносної

вологості ± 2 % й температури ± 0,5 °С.

П’єзосорбційний метод заснований на зміні резонансної частоти п’єзоелектричного, наприклад, кварцового, резонатора з нанесеною на ньому плівкою сорбенту як функції відносної вологості аналізованого газу.

У результаті процесів сорбції або десорбції водяної пари гігроскопичним матеріалом цієї плівки змінюється її маса. Внаслідок цього змінюється власна частота коливань f п’єзосорбційного чутли-

284 В. Г. Муратов. Метрологія, технологічні вимірювання та прилади

вого елемента, пов’язана зі зміною m маси сорбованої водяної пари:

де f — зміна власної частоти коливань резонатора; N — частотний коефіцієнт; ρ — густина кварцу; s — площа пластини.

Відношення f 2 /(Nρs) = const визначається властивостями п’єзоелектрика, що використаний для цього, і залежність (16.6) тоді має наступний вигляд:

де k — коефіцієнт пропорційності.

Укомплект п’єзособційного гігрометра зазвичай входить ПП і вторинний прилад, що показує і нормує вихідний струмовий сигнал.

ЧЕ — п’єзорезонатор, установлений в корпусі ПП і який працює

вобласті своєї резонансної частоти (див. § 7.5, рис. 7.8), різко змінюючи свій електричний опір при зміні відносної вологості вимірюваного газу. Взагалі, для резонаторів характерні висока добротність, стабільність резонансної частоти та високий коефіцієнт вимірювального перетворення, що забезпечує достатньо високий клас точності п’єзосорбційних гігрометрів.

П’єзорезонатор, підключений до генератора частоти, в сукупності з ним утворюють п’єзогенератор, вихідний сигнал якого зазвичай перетворюється в показання вторинного приладу.

Термін служби ЧЕ п’єзосорбційних гігрометрів через хімічні взаємодії сорбенту з вимірюваною сумішшю газів звичайно не перевищує 2 років. Діапазон вимірювання таких гігрометрів 10 … 100 % відносної вологості, основна похибка вимірювання ± 1,5 %.

Теплопровідний метод використовують для вимірювання абсолютної вологості газів при високій температурі (до 300 °С), наприклад, при виробництві ковбас або випічці хліба.

Теплопровідні ПП вологості складаються з двох узгоджених NTC термісторів, включених за мостовою схемою, як показано на рис. 16.6.

Увимірювальне плече моста включений термістор R1, корпус якого відкритий і омивається вимірюваним газом. У порівняльне плече моста включений термістор R2, який також знаходиться у вимірювальному середовищі. Але R2 герметизований у капсулі із

сухим азотом. В інші плечі моста включені термостабільні постійні опори R3 й R4.

Рис. 16.6 Схема теплопровідного ПП вологості газів

Струм, що проходить крізь термістори, розігріває їх до температур, понад 200 °С. Тепло розсіювання у навколишнє середовище створює різні робочі температури для термісторів R1 й R2. Це спричиняє різницю їхніх опорів і відповідний розбаланс моста, вихідна напруга якого прямо пропорційна абсолютній вологості вимірюваного газу. Сигнал розбалансу за допомогою мікроконтролера П виробляє відповідний вихідний уніфікований сигнал, приміром, 0…5 мА або RS485.

ПП абсолютної вологи мають вищу чутливість при температурах понад200 °С, ніжсорбційно-ємніснітарезистивніПП. Теплопровідні ПП вологості мають строк служби понад 5 років, вони стійки до випаровувань хімічних речовин, але реагують на наявність газів з іншою, ніж у азоту, теплопровідністю (див. §15.1). Тому їх застосовують для вимірювання вологості однорідних газових сумішей у сушарках, пароварках, мікрохвильових печах тощо.

Основна похибка теплопровідних ПП складає ± 3 г/кг, що складає близько 5 % відносної вологості при температурі t = 40 °С або 0,5 % за t = 100 °С й вище.

17. ВИМІРЮВАННЯ ВОЛОГОСТІ ТВЕРДИХ І СИПУЧИХ МАТЕРІАЛІВ

Вологість визначає якість багатьох харчових продуктів. Від вологості залежать фізичні, біохімічні, механічні й технологічні властивості харчових продуктів, строки їх зберігання, а також продуктивність обладнання. По цьому при виборі методу вимірювання

вологості слід ураховувати різнобічні фізико-хімічні фактори — вид й структуру вимірюваного матеріалу, його взаємодію з вологою зовнішнього середовища, вплив адсорбуючих добавок, що змінюють структуру й структурно-механічні властивості цього матеріалу. У технологічних процесах сушіння й зволоження необхідно враховувати молекулярні й хімічні взаємодії вологи з матеріалом, що висушується, форми її зв’язку й умови міграції в матеріалі.

За величиною енергії зв’язку колоїдних капілярно-пористих твердих матеріалів, що становлять основу харчових продуктів, усю вологу в них можна розділити на:

yВільну воду;

yВологу капілярно-зв’язану (фізико-механічні зв’язки), яка утворюється через поглинання води з навколишнього повітря, у результаті капілярного тиску, обумовленого кривизною поверхні рідини в капілярі:

–волога в макропорах (радіус капіляру r1 ≥ 0.5 мкм);

–волога в мікропорах (радіус капіляру r2 ≤ 0.1 мкм);

–стикова волога макропор (радіус капіляру r1 ≤ r ≤ r2 мкм).

yВологу адсорбційно-зв’язану (фізико-хімічні зв’язки), яка утворюється в результаті дії молекулярного силового поля:

–вологу полімолекулярної адсорбції;

–вологу мономолекулярної адсорбції.

yВоду, хімічно зв’язану (хімічні зв’язки): гідратну або кристалогідратну.

Вільна вода має найменшу енергію зв’язку і її легше вилучити із

продукту. Найбільша енергія зв’язку належить хімічно зв’язаній волозі. Волога тут може бути вивільнена хімічною взаємодією або прожарюванням.

Вологовміст продукту визначається відношенням маси вологи М до маси М0 абсолютно сухого тіла

Вологість визначається відношенням

Методи визначення вологості матеріалів, широко застосовувані в харчовій промисловості, можна розділити на лабораторні й автоматизованогоконтролю, такіяк: кондуктометричний, діелькометричний, НВЧ, інфрачервоний, тощо.

17.1. Лабораторні методи визначення вологості матеріалів

Термогравіметричнийметод(висушування) найширшезастосовується на харчових підприємствах для визначення вологості, наприклад — тіста на хлібозаводах та інших продуктів, коли використання інших методів утруднене відсутністю автоматичних засобів вимірювання. Метод полягає у відборі проби для аналізу з наступним повітряно-тепловим сушінням зразка до стану рівноваги з навколишнім середовищем. Вважається, що тоді вся волога вилучена й W = 0. Для цього застосовують спеціальні електричні тиглі, а сушіння здійснюють за затвердженою методикою виконання вимірювання.

Метод має деякі недоліки, що викликають наступні методичні похибки вимірювання:

yпов’язані із втратою летких речовин для органічних матеріалів поряд із втратою гігроскопічної вологи та поглинанням кисню через окиснення при нагріванні. Іноді спостерігається термічне розкладання проби;

yчерез те, що умова рівноваги з навколишнім середовищем визначається відносною вологістю повітря, коли W ≠ 0;

yвикликані тим, що зв’язана волога у колоїдних матеріалах не відділяється без його руйнування, а в деяких матеріалах

утворюється кірка, що перешкоджає видаленню вологи. Дистиляційний метод полягає в тому, що зразок підігрівають у

посудині з певною кількістю рідини, що не змішується з водою (бензин, бензол, толуол, мінеральні олії, тощо). Пари води й рідини конденсують в охолоджувачі й направляють у вимірювальну ємність. Тут визначають об’єм води, що сконденсувався, за яким визначають початкову вологість продукту.

Екстракційний метод заснований на добуванні вологи зі зразка водовбирною рідиною (діоксаном, спиртом, ефіром, тощо) з наступним визначенням характеристик рідкого екстракту, що залежать від його вологовмісту — густини, показника переломлення світла, температури кипіння (замерзання) і таке інше за допомогою ЗВТ, розглянутих нами в розділі 14.

17.2. Кондуктометричні й діелькометричні вологоміри

Кондуктометричні вологоміри засновані на вимірюванні електричного опору зразка продукту, розміщеного між двома металевими електродами. Для харчових продуктів характерно превалювання впливу вологості над їхніми електричними властивостями. Бувши в сухому вигляді діелектриками, у результаті зволоження харчові продукти стають провідниками. Неоднорідність діелектрика, наявність у ньому вологи позначається й на якісних особливостях електропровідності матеріалу: її залежності від температури й навантаженості магнітного поля. Електропровідність харчових матеріалів визначається електролітами, розчиненими у воді.

Дляматеріаліворганічногопоходженнямайжедлявсіхкапілярнопористих тіл залежність електричного опору вологості виражається показовою функцією виду

де Rx — опір пористого матеріалу, А — постійна величина, характерна для даного матеріалу, W — вологість матеріалу в % по масі, n — показник ступеня, що залежить від структури й природи досліджуваного матеріалу.

З урахуванням впливу температури цю залежність можна представити у вигляді

де β — температурне виправлення (у відсотках вологості на 1 °С); t — температура вимірювання; t0 — температура градуювання.

Складна залежність опору від ряду інших факторів робить кондуктометричний метод придатним тільки для простих низькочастотнихсигналізаторівііндикаторіввологості, наприклад— вологості деревини, не забезпечуючи високої точності вимірювання.

Діелькометричні (ємнісні) вологоміри, широко застосовувані в харчовій промисловості, засновані на залежності діелектричної проникності й тангенса кута діелектричних втрат капілярно-пористих матеріалів від їхньої вологості.

У якості ПП у діелькометричних вологомірах використовують плоскі або циліндричні конденсатори, в електричнім полі яких перебуває досліджуваний продукт. При цьому залежність ємності С конденсаторного ПП від вологості W, відстані d між електродами і їхньою ефективною площею S має вигляд:

Усі вологоміри цього типу складаються із ПП вологості, високочастотного генератора й вимірювальної схеми, часто мостової. В одне із плечей вимірювального моста, що живиться від генератора високої частоти, включають конденсатор ПП. Сигнал розбалансу моста підсилюють і перетворюють у показання вологоміра або в уніфікований сигнал.

Сучасні мікропроцесорні ємнісні вологоміри дозволяють вимірювати вологість харчових продуктів і напівфабрикатів, зерна різних культур і таке інше. Наприклад, мікропроцесорні вітчизняні МІВ-01 і закордонні Superpro, Farmpro та інші ємнісні вологоміри широко використовуються для вимірювання вологості зернових, бобових культур, насіння, трав і продуктів їх переробки. Їхня основна похибка вимірювання в діапазоні від 5 до 20 % вологості становить ± 0,2 %, а в діапазоні від 20 до 30 % відповідно ± 0,4 % при робочих температурах –10 ≤ t ≤ 40 °С. Живлення цих вологомірів автономне – від батарейки.

17.3. НВЧ-вологоміри

Принцип дії надвисокочастотних (НВЧ) вологомірів заснований на вимірюванні параметрів електромагнітної енергії НВЧ, що пройшла крізь шар вологого матеріалу. Одні НВЧ-методи в якості інформаційних параметрів використовують амплітуду, фазу або частоту поглиненого вологим матеріалом сигналу, інші — ті ж параметри відбитого сигналу.

Як приклад розглянемо поточний НВЧ-вологомір типу Мікро- радар-113 російського виробництва, який призначений для вимірю-

вання вологості зерна пшениці, жита, ячменю, рапсу, кукурудзи, гречки та інших культур при їхній заготовці, сушінні, зберіганні й переробці.

Мікрорадар-113 являє собою мікрохвильовий вологомір, побудований на основі техніки сантиметрового діапазону хвиль, що забезпечує низьку чутливість до типу й походження зерна, вмісту солей і забруднень. Принцип дії заснований на вимірюванні величини поглинання мікрохвильової енергії вологим матеріалом і перетворенні цієї величини в аналогові (4…20мА, 0…5В) й цифровий (RS485) вихідні сигнали. Діапазон вимірюваної вологості 10…35 %. Основна похибка вимірювання 0,5 %. Робочий діапазон температур 5…50 °С. Абсолютна похибка вимірювання температури ± 0,5 °С. Напруга живлення ~220 В.

Вологомір(рис. 17.1 а) складаєтьсяізприймально-передавального блоку (ППБ) та блоку перетворення, обробки та індикації (БОІ), що має клавіатуру управління і програмування.

Рис. 17.1. Поточний вологомір зерна типу Мікрорадар-113: а) зов-

нішній вигляд; б) структурна схема

Датчик, що входить до складу ППБ, монтують за допомогою фланцівутрубопроводісамопливузерна, щотечезгоривниз. Датчик має два паралельні канали для протікання зерна — вимірювальний (В) і обвідний (О), які розділені внутрішньою перегородкою. У ниж-