Промышленные приборы измерения влажности материалов
В конце раздела попытаемся проанализировать базу промышленных средств КИП. Среди девяти способов взятых из литературы, отсутствует технически сложно реализуемый и не очень эффективный гигрометрический способ, который основан на изменении длины гигроскопических нитей, в частности, волос или синтетических нитей. Однако, такие приборы с чувствительным элементом из гигроскопических нитей, производятся компанией Galltec под торговой маркой POLYGA™ и состоят из нескольких синтетических нитей, каждая из которых содержит в себе 90 отдельных волокон диаметром 0,003мм. После специальной обработки нити приобретают гигроскопические свойства.
Измерительный элемент адсорбирует и испаряет влагу. Эффект набухания, проявляющийся, главным образом, в увеличении длины, передается системой рычагов микровыключателю с очень маленьким ходом штока переключателя. На изменение влажности воздуха измерительный элемент реагирует быстро и точно. При настройке установки ручки с помощью ручки регулятора, система рычагов приводится в действие таким образом, что когда достигается установленное значение влажности воздуха, активируется выключатель гигростата (влагомера).
Несмотря на то, что такие гигрометры или гигростаты являются хорошим решением в ценовом плане, их использование ограничено измерительным классом. Точность таких измерений составляет около ±5% относительной влажности.
Для сравнения психрометры (способ измерения влажности №1) значительно более точны, чем гигрометрические приборы. Они измеряют уровень влажности благодаря физическому эффекту охлаждения при процессах испарения. Напомним, что при реализации психрометрического способа измерений один термометр считывает температуру окружающего воздуха, а другой так называемую температуру влажного термометра. Для этого термометр должен быть увлажнен хлопковой тканью и обдуваться воздухом со скоростью от 2 до 3 м/с. Жесткие требования к скоростному режиму перемещения газов, это один из немногих недостатков данных приборов. Происходящее испарение охлаждает термометр и при наступлении состояния равновесия, влажность может быть подсчитана по показаниям сухого и влажного термометра. Степень точности 1% относительной влажности у психрометра может быть достигнута при использовании точных термометров и при условии аккуратного обслуживания оборудования.
Следующий класс промышленный приборов, построенных на основе способа «точки росы» достаточно точный способ измерения. Зеркало – поверхность с металлическим напылением охлаждается до температуры, при которой из воздуха начинает выпадать роса. Температура, измеренная в этой точке, соответствует температуре точки росы. Отсюда, ориентируясь на температуру окружающего воздуха, может быть подсчитана влажность. При таком способе измерения может быть достигнута точность 1% RH*.
Последние два способа достаточно точны, хотя они довольно дороги и сложны.
Подводя итоги следует отметить, что современные влагомеры представляют собой приборы для измерения влагосодержания газоообразных (газов), жидких (жидкостей) и твердых веществ (сыпучих, гигроскопичных и других). Влагомеры бывают гигрометрические, гигроскопические, электрохимические (для жидкостей и газов), психрометрические, емкостные, кондуктометрические (жидкость, твердые и сыпучие материалы), а также влагомеры, основанные на явлении ядерного магнитного резонанса.
Принцип действия влагомера основан на диэлектрической проницаемости измеряемых объектов. Влагомером улавливаются корреляционные изменения измеряемого материала, при воздействии на его поверхность. Прибор определяет количество влаги в объекте. Зачастую на показания влагомера не влияют ни температуры измеряемых веществ, ни наличие статического электричества.
Влагомерынашли свое применение в области измерения, мониторинга и управления влажностью при таких технологических процессах сушки сыпучих и гигроскопичных материалов.
Емкостные датчики влажности (влагомеры) в последнее время становятся всё более распространенными. Они не дороги, просты в эксплуатации и обеспечивают очень точные показания.
Основа этих датчиков – емкостные влагочувствительные элементы. Маленькая, тонкая стеклянная или керамическая подложка является основой для электродной системы, влагочувствительного полимерного слоя и слоя золота, который проницаем для паров воды.
Учитывая тот факт, что полимерный гигроскопический слой может впитывать молекулы воды, которые изменяют их относительную диэлектрическую проницаемость, эта система представляет собой влагозависимый конденсатор. Емкость этого конденсатора является мерой относительной влажности окружающего его воздуха.
Изменение емкости влагомера конвертируется в выходной электрический сигнал электроникой, которая располагается непосредственно возле влагочувствительного элемента датчика. Таким образом при объединении этих двух элементов получается емкостной датчик влажности (влагомер), который откалиброван по стандартам влажности. Достигаемая степень точности, которая существенно зависит от линейности отклонений, гистерезиса и температурной зависимости, составляет около 2% RH*.
Емкостные влагочувствительные элементы, производимые компанией Mela Sensortechnik могут быть использованы во всем спектре влажности, т.е. от 0% до 100%, они устойчивы к оттаиванию и могут быть использованы в температурном диапазоне от -40°С до 200°С.
Датчики влажности (влагомеры, измерители влажности), основанные на этом принципе, также перекрывают весь диапазон влажности от 0% до 100% RH* и могут использоваться внутри температурного диапазона от -20°С до +80°С. Специальные серии влагомеров могут использоваться при более высоких температурах (до 200°С).
Кривая показаний влагомеров практически линейная; отклонения линеарности менее чем 2%. Если влагомеры работают длительное время в условиях экстремально низкой или высокой влажности, может произойти увеличение отклонения до 2% RH*; однако, это явление исчезает при однократном проведении датчика через весь спектр влажности. Кроме того, отклонения могут появляться, если влагомер (датчик влажности) был незащищен от различных загрязняющих субстанций.
Благодаря своей высокой чувствительности, емкостные датчики влажности (влагомеры) идеальны для измерения равновесной влажности гигроскопичных материалов. Если известны изотермы поглощения гигроскопических материалов, то таким же образом можно определить степень влажности твердых материалов.
Зачастую влагомеры совмещают с датчиками влажности и температуры, в том случае, когда нужно измерять не только влажность, но и температуру, к числу таких приборов со стандартным токовым выходом относятся универсальные датчики серии RC, PC.
Датчики влажности серии RC, PC предназначены для измерения относительной влажности воздуха в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности. Датчики влажности и температуры PC и RC серий - компактные, универсальные датчики, сконструированные в форме стержня.
Доступны два исполнения: с кабелем 1,5м (РС серия) и с алюминиевой коммутационной головкой, прикручивающейся винтами (RC серия).
Датчики предназначены для измерения относительной влажности, относительной влажности и температуры или только температуры воздуха и других неагрессивных газов. Все датчики этих серий снабжены ZE 17 сетчатым фильтром. Для уличного использования мы рекомендуем мембранный фильтр типа ZE 20; для экстремальных условий (морские побережья, пустыни, горы, территории с высокой скоростью ветра и т.п.) - фильтр из нержавеющей стали типа ZE 21 или ZE 22.
Назовём наиболее важные технические значения универсальных датчиков серии RC, PC, взятых из инструкции по эксплуатации:
Технические характеристики
Влажность
Диапазон измерений ………….……..0…100% отн. влажности;
Точность (диапазон 5…95% отн. влажности)
при 10°...40 оС ………………..…......... ±2% отн.влажности;
при <10 оС, >40 оС……………..…<0,1%/оС дополнительно.
Температура
Измерительный элемент (DIN EN 60751)….….Pt 100 класс В;
(класс 1/3 DIN по спец. заказу);
Измерительный диапазон ………………….………. 30...+70 оС.
Точность
Выход: 0...1 В (-27…70 оС) …………………………. ±0,2 оС;
0...10 В (-29...70 оС) ……..…………………………... ±0,2 оС;
4...20 мА (РС) …….....….. -0,3...0,6 оС (зависит от обдува);
4.20 мА (RC) ................. ……………………………... ±0,3 оС;
при <10 оС>40 оС ………………… ±0,007 оС/оС дополнительно.
При установке датчиков в местах, где необходимо проводить измерения следует избегать расположения датчиков около нагревателей, окон, на наружных стенах зданий или под прямыми солнечными лучами.
Как и для психрометры следует соблюсти требования к минимальной скорости воздушного потока возле датчика и напряжению рабочего тока у датчиков с токовым выходом (см. диаграмму). Отклонения могут привести к дополнительным ошибкам в измерении по причине самонагревания датчика.
Датчик может быть установлен в любом положении, однако, следует избегать таких положений, при которых вода может проникнуть внутрь. Роса и брызги воды не повредят сенсор, но получить достоверные данные от датчика будет возможным только после того, как полностью высохнет чувствительный элемент и пространство вокруг него.
Во избежание электромагнитных помех, при подсоединении датчиков серии RC рекомендуется использовать экранированный кабель. Все эти работы должны выполняться квалифицированным электриком.
Пыль не повреждает датчик влажности, но ухудшает его динамические свойства. Рекомендуется использовать мембранный фильтр ZE 20 при высокой запыленности, или ZЕ 21 фильтр из прессованного металлического порошка, если скорость воздуха более 5 м/с. Если датчик будет использоваться за пределами помещений, следует заказывать мембранный фильтр ZE 20, если в экстремальных условиях (недалеко от моря, пустыни, горы) - ZE 21 металлический фильтр. Для дополнительной защиты от дождя и солнечных лучей рекомендуется ZA 161/1.
Нельзя прикасаться к высокочувствительному элементу. Для более удобного монтажа рекомендуется использовать кронштейн 20.009 и пластину для крепления ZA 20. Для проверки работы в месте установки рекомендуется использовать ZE 31/1 эталон влажности.
Из технического описания (ТО) и инструкции по эксплуатации (ИЭ) ниже приводятся данные, которые помогут не только грамотно установить датчики серии RC, PC, но и самостоятельно выполнить монтажные работы по подключению данных средств КИП и А к микропроцессорным приборам, например, к программируемому логическому контроллеру (ПЛК). Так для подключения датчиков серии RC, PC к аналоговым входам ПЛК-150, произведённого НПО «ОВЕН» г. Москва, необходим стабилизированный блок питания (БП) с целью соединения датчика по схеме «токовая петля». Соединение типа «токовая петля» предусматривает включение датчика в разрыв цепи нагрузки БП.
Дополнительная информация, взаимствовавонная из ТО и ИЭ, в виде графиков позволяющих оценить допустимые отклонения выходных значений влажности и величину нагрузки соответствующую токовому выходу.