Измерение влажности.

Влажность является одной из основных характеристик, определяющих качество материалов (тканей, трикотажа и др.).

Содержание влаги в материале характеризуют две величины: влагосодержание (абсолютная влажность) и влажность (относительная влажность). Под влагосодержанием понимается отношение массы влаги М, находящейся в материале, к массе материала Мо в сухом состоянии:

U=M/Mo,

Под влажностью понимается отношение массы влаги М, содержащийся в теле, к массе влажного материала М1:

Иногда эти величины выражаются в процентах:

;

Существует несколько методов контроля влажности материалов. Рассмотрим основные из них:

а) кондуктометрический, основанный на зависимости между влажностью и его электропроводностью. В результате увлажнения большинство пористых тел, которые в сухом виде являются диэлектриками, становятся полупроводниками.

Датчики  кондуктометрических влагомеров представляют собой два электрода, конструкция которых зависит от свойств и структуры измеряемого вещества. Для определения влажности тканей электроды имеют форму роликов, между которыми размещается ткань, которая может перемещаться для осуществления непрерывного контроля. Для жестких игл применяются игольчатые электроды, вкалываемые в материал, а для мягких– накладываемые и  прижимаемые плоские электроды. Электроды для сыпучих или волокнистых материалов снабжаются устройствами, спрессовывающими навеску между электродами. Наиболее распространенными измерительными схемами влагомеров является схема омметра постоянного тока или мостовая проградуированная в единицах влажности. Выходным сигналом датчика является ток I=U/Rx. Электрическое сопротивление Rx текстильных тканей, измеренное на постоянном токе при наличии воды, сорбированной волокнами, характеризуется уравнением 

где А—коэффициент, зависящий от условий измерения и конструкции электродов (размеры, усилие прижима), а также от примененного напряжения U; n—коэффициент, зависящий от природы волокна (для хлопка 10, 11, для шерсти 15, 16).

Кроме того , сопротивление ткани зависит от температуры. В связи с этими факторами кондуктометрические датчики имеют индивидуальную градуировку на различные материалы. А также, нелинейная зависимость сопротивления от влажности, ограничивает диапазоны измерения на начальном участке (0—20%) высокой чувствительностью и на диапазоне 30—40%--низкой чувствительностью.

в) Емкостные  влагомеры. При емкостном методе измерения влажности используется явление наличия влаги в твердом теле на величину диэлектрической проницаемости. Диэлектрическая проницаемость сухого вещества обычно равна 2…5,а диэлектрическая проницаемость дистиллированной воды –81. При небольшом содержании воды в веществе величина диэлектрической проницаемости значительно изменится. А определяют ее по изменению емкости конденсатора, между обкладками которого находится исследуемое вещество. Емкость конденсатора с параллельными электродами ровна  

Где ε —диэлектрическая проницаемость материала;

εo—диэлектрическая постоянная;

S—площадь электродов;

d—расстояние между электродами.

Если εo,S,d—постоянные величины и равные К, то

Первичные преобразователи емкостных влагомеров выполняют в виде двух плоских пластин, в виде двух концентрических цилиндров, пространство между которыми заполняется исследуемым материалом. Величина приращения емкости ограничена сотнями пикофарад. Наиболее применяемые схемы измерения емкости – мостовые, а для увеличения чувствительности частота переменного напряжения питание моста охватывает диапазон от КГц до МГц.

Кроме того диэлектрическая проницаемость большинства веществ зависит от температуры. В связи с этим во влагомерах представлена автоматическая компенсация температуры. Наиболее простой способ компенсации температуры — параллельное присоединение к измерительному конденсатору—емкости с температурными коэффициентами равными по величине температурному коэффициенту, исследуемому материалу, но обратными по знаку.

При емкостном методе измерения на показания влагомера оказывает меньшее влияние структура и химический состав измеряемых веществ, а точнее переходное сопротивление между электродами и материалом, чем при контактном. Кроме того емкостными влагомерами можно измерять малые влажности (до 3…4%). Но    действия напряжения разбаланса пропорционально влажности, что позволяет градуировать влагомер по выходному сигналу моста.

Недостаток емкостных преобразователей состоит во влиянии на результат разбаланса моста поверхностной плотности ткани, что частично устраняется равномерным распределением материала в межэлектродном пространстве.

с) Оптические влагомеры.  Метод использования инфракрасного излучения для определения влажности материала основан на измерении интенсивности отраженного или прошедшего через материал потока излучения определенной длины волокна. В качестве источника инфракрасного излучения используют лампы накаливания с соответствующими светофильтрами, лазеры, светодиоды. В качестве приемников излучения—фоторезисторы и фотодиоды.

На этом методе основана работа влагомеров для измерения влажности в диапазоне от 4% до 20%

Оптические влагомеры строятся  по принципу измерения прошедшего излучения или отраженного излучения от ткани (рис. 30).

Рис. 30

Для получения сигналов, характеризующих влажность тканей, используют два монохроматических световых потока с длинами волн h=1,75 мкм и λ=1,95 мкм. Отражательная способность ткани при λ сильно зависит от присутствия влаги, а при λ мало зависит. Влажность ткани характеризуется отношение интенсивностей световых потоков, отраженных от ткани при этих длинах волн.  μА

Прибор (рис. 30) состоит из оптического преобразователя, блока измерения и питания 8 и вторичного, показывающего или самопишущего прибора 9. Световой поток от 2 падает на ткань 1. Отраженный от ткани световой поток оптической системы 3 направляется на светоприемник 6 (фоторезистор). Перед фотоприемником вращается диск с вырезами 4, на котором установлены два интерференционных светофильтра, имеющих узкие спектральные полосы пропускания в области длин волн λ и λ. Фоторезистор поочередно освещается световыми импульсами. В результате в цепи фоторезистора появляются две серии электрических импульсов, которые после предварительного усиления 7, поступают в виде импульсов напряжения U и U на преобразователь 8. На вращающемся диске закреплен контактный коммутатор 5. На выходе преобразователя 8 появляется сигнал постоянного тока напряжением 0-10 мВ, амплитуда которого пропорциональна отношению напряжению:

Uвых=kU/ U.

 Следовательно, Uвых пропорционально влажности ткани.

d). Высокочастотные влагомеры. СВЧ – метод измерения влажности основан на измерении потери энергии. СВЧ – измерения во влажном материале (прошедшая волна) или энергии отрешенной волны от материала.

Измеритель влажности (рис. 31) построен по принципу измерения энергии СВЧ-колебаний в диапазоне 10000000000 Гц (длина волны = 3 см) прошедших через ткань.

Прибор содержит источник СВЧ-колебаний 7, вентиль 2 для ограничения отраженной волны от шкалы 4, передающую антенну 3 и приемную 5, детектор 6 и 7 индикатор (микроамперметр). При отсутствии шкалы 4 вся энергия от генератора через антенны проходит в детектор и измеряется 7.

                                             4

3                            5

рис. 31

При наличии ткани часть энергии волны отражается от ткани, часть поглощается влагой (преобразуется в тепловую энергию), а оставшаяся часть измеряется 7.

Отражение и поглощение СВЧ-энергии зависит от количества влаги в материалах. Следовательно, оставшаяся часть энергии характеризует влажность. При стабильной работе генератора и всего измерительного тракта прибор 7 можно градуировать по калибровочной влажности.

СВЧ-влагомеры предназначены для измерения влажности тканей, нетканых материалов, синтетических кож и др. в диапазоне 20-80%. Основной недостаток этого метода – его чувствительность не только к влаге, но и к толщине материала, к наличию других примесей всевозможных растворителей, красителей. При индивидуальной градуировке для каждого материала точность измерения повышается.

Для градуировки всех типов электрических влагомеров применяют весовой метод. Он основан на взвешивании одного и того же сухого и влажного материала. Разность их и является абсолютной влажностью. Метод имеет высокую точность измерения, но не пригоден для экспресс - контроля, непрерывного контроля в производстве.