Датчики влажности зерна

 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: 

3.2.8  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.   

3.2.9 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. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4.3 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.

    Для кондуктометрических влагомеров было разработано много конструкций датчиков; ниже рассматриваются наиболее характерные датчики, нашедшие практическое применение. 

    По  принципу действия датчики для сыпучих  материалов их можно разделить на две группы:

1. датчики без уплотнения сыпучего материала
2. датчики с принудительным уплотнением материала в междуэлектродном пространстве.

  Основным  недостатком датчиков первой группы является различная степень уплотнения материала между электродами, сильно влияющая па электрические характеристики материала. Скорость и высота падения материала при его введении в датчик, случайные сотрясения и удары по датчику меняют уплотнение. Для получения воспроизводимых условий измерения необходимы специальные приспособления и соблюдение определенной методики введения образца, обеспечивающие постоянство высоты и скорости падения материала в таких датчиках. Даже при соблюдении этих условий электрическое сопротивление материала при низкой влажности (до 12—13%) весьма велико, что несколько усложняет измерение. Еще важнее то обстоятельство, что при измерении сопротивления зернистых и кусковых материалов результат измерения зависит от состояния поверхности отдельных зерен или кусков (например, от ее шероховатости, запыленности). Также сильно влияет на результаты гранулометрический состав материала. В этих датчиках трудно получить постоянное сопротивление контакта материала с электродами.

  По  указанным причинам в настоящее  время датчики без уплотнения применяются только в автоматических влагомерах, где постоянство уплотнения материала обеспечено самим измеряемым объектом и где полностью используются преимущества рассматриваемого типа датчиков — простота конструкции и удобство установки на потоке сыпучих материалов.

    В датчиках неавтоматических кондуктометрических  влагомеров чаще всего применяют принудительное уплотнение образца сыпучего материала. При сжатии сыпучих материалов их проводимость увеличивается вначале достаточно резко; с повышением давления рост проводимости замедляется и, начиная с некоторой величины давления, изменения давления почти не влияют на величину сопротивления. Для уменьшения влияния колебаний степени уплотнения на результаты измерении нередко приходится применять достаточно высокие давления. В этом заключается основной недостаток датчиков с уплотнением: большие усилия деформируют образец и в ряде случаев (например, при измерении влажности зерна) частично его разрушают. Вместо материала в естественном его состоянии объектом измерения становится искусственно спрессованный брикет из этого материала. Электрическое сопротивление такого брикета зависит и от механических свойств материала, таких, как твердость, стекловидность зерна и т. п. При прессовании образцов высокой влажности возможен частичный отжим влаги с ее выделением на электродах. Кроме того, большие усилия приводят к повышенному износу датчика. Деформация или разрушение образца материала при измерении влажности исключают возможность повторного измерения, что также является эксплуатационным недостатком. 

1. Влагомер  ВП-4

  Г. Б. Пузрин предложил в конце 30-х  годов конструкцию зерна, в котором постоянная навеска зерна подвергается сжатию в постоянном объеме с помощью ручного пресса. Эта конструкция была применена, во влагомере ВП-4   Г. Б. Пузрина для зерна, нашедшем в последующем значительное распространение в хлебозаготовительной системе На рис.1 приложения … показана конструкция электродного устройства влагомера ВЭ-2, представляющего собой модификацию прибора ВП-4, разработанную в последние годы. Навеска зерна 1 (для пшеницы, ржи, ячменя — 8 г, для овса — 7 г) насыпается в металлический стакан 2. Одним из электродов служит кольцо 3. изолированное от стакана с помощью прокладок 4. Второй, центральный, электрод 5 соединен с корпусом датчика.

    Конструкция электродов рассчитана на уменьшение влияния сопротивления торцовых частей брикета зерна. Пуансон 6 служит для уплотнения образца; давление на пуансон создает ручной винтовой пресс, снабженный визирным устройством, указывающим предел вращения зажимного винта при каждом прессовании образца. Это устройство должно обеспечить постоянство давления на образец при определениях влажности. Стакан 2 заключен в футляр 7 из диэлектрика, который по замыслу авторов конструкции при выполнении измерения предохраняет датчик от нагревания руками лаборанта. У описанного датчика необходимо часто (по инструкции к прибору ВЭ-2 перед каждой сменой) проверять правильность установки визирного устройства. Проверка выполняется с помощью контрольного цилиндра, вставляемого в датчик; в случае необходимости положение визирного устройства корректируется. 

2. Влагомер  для порошкообразных материалов

    Датчик  влагомера английской фирмы Маркони (Приложение … рис.1) Для измельченных порошкообразных материалов состоит из двух основных частей: ручного винтового пресса 1 и электродного устройства 2. Пресс имеет металлическую скобу с накладкой 8 для поддержания датчика рукой, а также опору 4 для установки на столе. Винт через пружину, смонтированную внутри стакана 5, воздействует на толкатель 6, уплотняющий посредством пуансона 7 образец материала внутри полого цилиндра 8. Электродное устройство имеет два металлических концентрических электрода: 9 и 10, электрод 9 имеет форму кольца, 10—чашечки с круговым углублением. Рабочие поверхности электродов расположены в одной плоскости; электроды смонтированы в корпусе, снабженном гнездом 11 для подключения к измерительной цепи. В этом датчике в кольцевом круговом  зазоре  между электродами, разделенными твердым диэлектриком, измеряется сопротивление спрессованной "лепешки" из исследуемого материала Взвешивания навески для определения влажности не требуется. Образец испытывается при определенном давлении (около 0,7 кГ/см²), создаваемом при вращении рычага пружина имеет предварительное натяжение. 

3. Датчик  влажности для формовочной смеси

    Ограничение силы сжатия материала калиброванной  пружиной применено в датчике  для формовочной смеси литейного производства (Приложение … рис1). Датчик-щуп имеет электроды в виде наклонных латунных пластинок 1, погружаемых в формовочную смесь. По мере погружения электродов смесь уплотняется и ее механическое сопротивление возрастает. Давление на рукоятку 2 передается электродам пружиной 3 через шток. При определенном усилии, соответствующем давлению электродов на грунт, равному 0,5 кГ/см², кольцо 4 замыкает выключатель 5 и вводит электроды в измерительную цепь. 

4. Датчик  влажности для зерна

    Датчик, применяемый в распространенном в США влагомере для зерна типа TAG—Heppenstall, уплотняет сыпучий материал в узком зазоре между двумя вращающимися металлическими валками с рифленой цилиндрической поверхностью. Общин вид датчика показан в Приложении … рис2. Однофазный электродвигатель мощностью 0,25 л. с. вращает через редуктор (электродвигатель и редуктор не показаны на рисунке) валик 1 со скоростью 32 об/мин; валик 1 электрически соединен со станиной датчика. Второй валик 2 изолирован от корпуса стойками 3 из электроизоляционного материала. Валик 2 снабжен пружинящим трущимся контактом и ручкой 4 для поворачивания вручную с целью облегчения попадания зерна в зазор или выхода из него. Сцепление между валиками осуществляется через слой материала; последний поступает в зазор между валиками из засыпного бункера 5, изготовленного из пластмассы. Валики 1 и 2 выполют роль электродов; сопротивление слоя сыпучего материала измеряется во время вращения валиков.   Величины  зазора между валиками регулируются с помощью сменных прокладок 6 в зависимости от того, какая зерновая культура исследуется. Предельные величины зазора равны 0,6мм для льняного семени и 3 мм для кукурузы. Под валиками   установлены два скребка 7 из пластмассы; скребки прижимаются пружиной 8 к поверхности валиков и очищают ее при вращении электродов. Весь датчик смонтирован на станине 9 из чугунного литья, имеющей два винта 10 для закрепления на столе.

    Датчик  с валками отличается громоздкостью  и большим весом и неприменим для мелко измельченных материалов, таких, как мука. В то же время при применении этого датчика результаты измерения не зависят от величины навески; можно использовать большие навески (100— 150 г и больше), значительно лучше отражающие среднюю влажность материала, чем малые навески, используемые в датчике с ручным прессом. Здесь, так же как и в других датчиках с прессованием материала, на результаты измерения влияет износ электродов, происходящий вследствие больших усилий при прессовании. В датчике с валками вследствие износа изменяются острота нарезки валиков.