15. Миф о точности безигольчатой влагометрии
Метод измерения влажности, основанный на зависимости диэлектрической проницаемости от влажности называют диэлькометрическим или емкостным. Чаще всего с помощью этого метода создаются Влаг с датчиками, не требующими втыкания игл в древесину и их иногда называют бесконтактными или безигольчатыми (БВлаг).
На практике отделить реактивную составляющую (связанную с т. н. током смещения) от активной (связанной с током проводимости) очень сложно. Поэтому большинство емкостных Влаг фактически измеряет комплексное сопротивление. Для древесины диэлектрическая проницаемость вдоль волокон для ели составляет ξотн=3,06. С увеличением влажности ξотн увеличивается. Увеличиваются и потери (активная составляющая тока).
Современные тенденции развития средств контроля и управления требуют своих правил, к которым можно отнести: – высокая информативность метода измерения,
– возможность получения многопараметровых данных для комбинированной обработки для повышения точностных хар-к,
– высокое быстродействие контроля,
– бесконтактность измерения,
– высокая чувствительность в широком диапазоне,
– исключение влияния мешающих факторов,
– малая трудоемкость измерения,
– высокая проникающая способность,
– возможность измерения при резко меняющихся температурах,
– возможность измерения в труднодоступных местах,
– возможность сбора и обработки большого объема полученной информации при малых трудозатратах для регистрации и управления,
– возможность выбора большого количества электронных схем обработки, линеаризации, последующего ввода информации в компьютерные системы управления и регистрации,
– выявление новых оригинальных бесконтактных методов технологического контроля.
Все это подходит к диэлькометрической влагометрии.
На рис. 15.1 приведена хар-ка БВлаг, работающего в СВЧ диапазоне f=3000 мГц. Как видно из рисунка, при широком диапазоне влажностей имеет место большая относительная Погр, так как сказывается много мешающих факторов. На рис. 10.2. приведена хар-ка БВлаг, работающего в диапазоне ВЧ f=30 мГц. В этом случае диапазон измерения уже, но относительный разброс точек меньше. В обоих случаях, как показали исследования, ни анизотропия древесины, ни ее температура не оказывают влияния на погрешность измерения.
Из рис. 15.1., 15.2 видно, что на хар-ках отсутствуют зоны нечувствительности в диапазоне 0–8 %, характерные для ИВлаг.
Важное достоинство диэлькометрического метода измерения, делающего его весьма перспективным состоит в том, что можно: широко экспериментировать, комбинировать частоты для поиска оптимальных, уменьшать либо компенсировать влияние мешающих факторов.
В реальных хар-ках существует значительный разброс вдоль номинальной усредненной хар-ки. Они и устанавливаются на шкалы приборов. Чем больше будет замеров, тем больше точек будет в пространстве. При увеличении числа замеров мы будем приближаться к истинной хар-ке. Но в реальных процессах мы имеем дело с выборочными методами построения хар-к. Если мы возьмем другую партию образцов и будем строить новую хар-ку, то получим измененную номинальную хар-ку. При построении нескольких хар-к с разными партиями образцов, мы можем получить несколько смещенных друг относительно друга хар-к. Множество отдельных выборочных хар-к будут иметь свою нелинейность и положение в пространстве и колебаться “дышать” в пределах допусковой зоны.
На рис. 15.1.,15.2. Пунктиром выделены области, в пределах, которых может находиться множество экспериментальных точек. По мере приближения к номинальной хар-ке они будут плотнее располагаться друг к другу. Эти хар-ки имеют форму рога, который сужается к малым значениям влажности.
Рис. 15.1. Град. хар-ка БВлаг для диапазона 0–160 %.
Упрощенная модель датчика БВлаг может быть представлена в виде конденсатора. Древесина или любой другой материал – диэлектрик между обкладками конденсатора.
Рис. 15.2. Град. хар-ка БВлаг для дипазона измерения 0–30 %.
Рис. 15.3. Возможные варианты конструкций безигольчатых датчиков влажности. Односторонние: А) 3 скобы. Б) Концентрические кольца, В) Сплошной круг, Г) Двусторонний
Такие датчики выполняются в различных вариация и разделяются на две основные группы: двусторонние и односторонние. Последние чаще всего применяется в промышленности. Конструкции таких датчиков представлены на рис. 15.3 (а, б, в, г)
В настоящее время конкурируют несколько разновидностей односторонних преобразователей. Это конструкции в виде трех пружинистых скоб и плоских дисков или прямоугольников
Для конденсаторного датчика весьма условно (без учета краевого эффекта и др.) емкость равна:
где: S – площадь поверхности датчика
ξо – абсолютная диэлектрическая проницаемость
ξотн – относительная диэлектрическая проницаемость
d – расстояние между обкладками
В этой формуле параметр диэлектрической проницаемости ξотн зависит влажности. На практике формула для «С» значительно сложнее для случаев с односторонними датчиками, т. к. силовые линии электромагнитного поля имеют разную плотность по зоне измерения.
Для высоких влажностей (свыше 10–12 %) измеряется фактически не емкость, а комплексное сопротивление
Xc – реактивное сопротивление на частоте "w"
Xr – активное сопротивление, связанное с током проводимости
Влажность является функцией комплексного сопротивления
w= f(z).
БВлаг при большом количестве неоспоримых достоинствах имеют собственные недостатки. Это снижает их высокую конкурентоспособность и не позволяет стать единоличными лидерами в борьбе за рынок.
К этим недостаткам можно отнести:
Сложность конструирования универсальных имитаторов влажности. Именно из-за широкого спектра частот, а которых работают такие Влаг.
При работе на сверхвысоких частотах оказывают влияние такие факторы, как: шероховатость поверхности, годовые кольца, направления распиловки пиломатериалов.
Древесину как диэлектрик, с позиций электродинамики и теории антенн, можно в упрощенном виде представить как диэлектрическую линзу. Из теории электродинамими и антенн известно, что диэлектрическая линза меняет диаграмму направленности электромагнитного излучателя (датчика влажности), а также его хар-ки в рабочем диапазоне частот.
Кроме того возникает сложность в создании однородного электромагнитного поля для массового производства таких Влаг. На рис. 15.4 показано графическое представление взаимодействия неоднородного электромагнитного излучения датчика в неоднородной влажностной среде.
Рис. 15.4 Графическое представление распространения неоднородного электромагнитного излучения датчика и его распространения в неоднородной влажностной среде.