Діелькометричні (надвисокочастотні) вологоміри

Методи вимірювання вологості матеріалів у потоці або на конвеєрі повинні характеризуватися швидкодією, безконтактнiстю та іншими властивостями, які не властиві одноразовим та вибірковим вимірюванням.

До таких перспективних, із цієї точки зору, підходять ємнісні, надвисокочастотні (НВЧ) та Iч-методи.

Від кількості води у зразку залежить або згасання пpихідної хвилі, або фаза НВЧ. Від кількості зв’язаної води залежить час дипольної релаксації. Тому апаратура НВЧ повинна мати можливість вимірювати величину діелектричної проникності в такому діапазоні частот, де ці величини мають великі значення. Методи НВЧ діляться на такі, що засновані на відбиванні радіохвиль (pезонатоpнi) i на пропусканні їх. Максимум діелектричних утрат для вільної води буває на частоті 20 Ггц. Однак, якщо треба проводити вимірювання в зразках великої товщини з необхідністю глибокого проникнення радіохвиль у речовину, то використовують більш низькі частоти, аж до 1 Ггц. Pезонатоpнi методи більш ефективні для зразків, які мають форму плівки. Діелектричні втрати легше визначити методом, заснованим на відбитті радіохвиль. Але ці методи взагалі важче застосовувати для об'ємно протяжних матеріалів.

Швидкість розповсюдження хвилі НВЧ краще всього визначати шляхом вимірювання фазових зсувів. Метод вимірювання фази НВЧ має ряд переваг перед методом вимірювання згасання, оскільки він менше піддається збурюючим факторам. Існує думка, що на нього менше впливає вміст додаткових хімічних речовин, що містяться в матеріалі, і, зокрема, солей.

Ринок вологомірів, заснованих на застосуванні НВЧ, найкраще репрезентує фірма WAGNER (рис. 1.8), яка випускає цілий ряд приладів, здебільшого для вимірювання вологості деревини в меблевій промисловості. Це і малогабаритний сканер L609, кишеньковий вологомір L606 (так званий “Інспектор” L610), штабельний вимірювач вологості L712, вологоміри для виробників та монтажників меблів: ММС 210 і 220.

Серед інших приладів можна назвати вимірювач вологості деревини S200, універсальний вимірювач вологості будматеріалів МГ4 (МГ-4Б), вимірювачі вологості нафтопродуктів ИВН-93 і ИВН-95, вимірювач вологості деревини МГ4Д, вимірювач відносної вологості в газоподібних і сипучих середовищах ИВЦ-01, вимірювач вологості пиломатеріалів ИВПМ-02. В більшості цих приладів використано мікропроцесор для оперативного одержання даних про вологість речовин. Фірма “Мікрорадар”, яка ввібрала розробки Білоруського державного аграрного технічного університету, зараз пропонує цілий комплекс приладів від портативних переносних приладів для вимірювання вологості деревини в лісопильній і меблевій промисловості та стаціонарних пристроїв для визначення вологості різних матеріалів у потоковому виробництві. Фірма пропонує переносні мікрохвильові вологоміри деревини СОМРАСТ, LG6NG, ИВПМ-02, SН-0453, ИВД-1, потоковий вологомір МІКРОРАДАР-113, призначений для вимірювання вологості зерна безпосередньо в самотіках.

У мережі Інтернеті з’явилась інформація про макет, що має назву “Радіолокатор для визначення вологості ґрунту” (рис. 1.9). Він суміщує в спільному корпусі вимірювач і датчик. Передавач вологоміра працює на частотах: 200, 400, 600, 800 і 1000 Мгц. Вимірювання виконуються з поверхні ґрунту за допомогою двох невеликих (7,5 см) торчаків-антен.

Недоліком такого типу приладів є те, що ними можна визначити вологість лише у верхньому шарі ґрунту на глибину до 10 см. Такий же недолік мають і аерокосмічні прилади.

Оптичні прилади

В оптичних приладах може використовуватися видимий спектр випромінювання, якщо речовина змінює своє забарвлення i коефіцієнт відбиття, функціонально залежний від вологості.

Інфрачервоний (IЧ) спектральний метод вологометрії засновано на тому, що в спектрі з довжиною хвилі 0,8-6,1 мкМ вода має ряд досить сильних смуг поглинання різної інтенсивності (λ = 1,94 мкМ i λ = 2,48 мкМ). У порівнянні із надвисокочастотним в IЧ-методі сильніше проявляється вплив розмірів частинок. IЧ – цілком поверхневий метод.

Властивості поверхні матеріалу при висиханні значно змінюються. Тому результати вимірювань на поверхні відрізняються від глибинних. Окрім того, вони можуть залежати від відстані між вимірювачем i поверхнею.

Смуги поглинання, характерні для молекул води, не завжди легко використати, оскільки вони можуть співпадати зі смугами поглинання інших хімічних матеріалів і середовищ. Найбільш часто у ІЧ-вологомірах використовуються смуги поглинання, розташовані поблизу 1,4; 1,9; 2,7 мкМ.

Відомі IЧ-вологоміри найчастіше створюються за двохвильовою схемою, тобто сигнал, що вимірюється, фіксує різницю інтенсивності випромінювання двох хвиль: еталонної i аналітичної. Виділення їх зі спектру джерела випромінювання може здійснюватися як до його попадання на об'єкт, що контролюється, так i після. Як приклади, можна назвати портативний фотоелектричний вологомір ґрунтових зразків (рис.1.10), вологомір ВИЛ-1, автоматичнi вологомipи Anacon - 106 (Англія), Quadra Beat Model 475 (США) та інфрачервоний вологомір IRMM-106 (рис. 1.11). Висока чутливість та можливість разом з вологою визначати i інші компоненти речовини висувають IЧ метод у число найбільш перспективних для аналізу якості сільськогосподарських продуктів, оскільки, незважаючи на дорожнечу, складність i окремі недоліки, вологоміри такого типу дозволяють вести безперервний контроль вологості в умовах потоку i можуть успішно застосовуватись в системах автоматичного контролю i регулювання технологічними процесами.

Основний недолік Iч-методу в тому, що вологість вимірюється в поверхневому шарі, коли неоднорідність розподілу вологи по поверхні та в глибині контрольованого матеріалу може бути причиною значних помилок.

Нейтронні вологоміри

Принцип дії цих вологомірів заснований на здатності атомів водню уповільнювати рух швидких нейтронів, переводячи їх у ранг повільних. Типовим представником цих вологомірів є ВНП-1 (рис. 1.12). У склад приладу входить електронний цифровий вимірювальний блок з індикатором на рідинних кристалах і датчик, суміщений в одному корпусі з джерелом швидких нейтронів.

Для проведення вимірювань в заданій точці поля необхідно пробурити свердловину на глибину 1,5 м і вставити в неї стаціонарну обсадну металеву або пластмасову трубу, щоб закріпити стінки свердловини і попередити їх осипання. Внутрішній діаметр труби повинен бути таким, щоб дозволяв легко рухатись в трубі датчику ВНП-1.

Технічні дані ВНП-1 такі: діапазон вимірювання вологості становить 0,05-0,5 г/см3 (або 5-50 %), похибка вимірювання – 0,025 г см³ (або 2,5 %). Загальна маса комплекту без обсадних труб 5 кг.

Задум засновників цього методу був такий: вода складається з двох атомів водню і одного атому кисню; якщо занурити датчик приладу в ґрунт і потім поміряти енергію нейтронів, уповільнених атомами водню, то на базі цих даних можна дуже точно визначити вміст води в ґрунті. Спочатку при впровадженні цього методу вважалось, що це ідеальний метод, розрахований якраз на такі об’єкти, як ґрунт. Однак, як пізніше з’ясувалось, не було враховано багато супутніх факторів, які вносять суттєві помилки при визначенні вологості ґрунту цим методом.

По-перше, атоми водню входять не тільки до складу води, але й до

складу хімічних сполук та органічної частини ґрунту (гумусу, перегнилих і не перегнилих решток рослин, органічних добрив і мікрофлори). Органічна фракція ґрунту може досягати до 20 відсотків від усієї маси ґрунту, що збільшує відносну помилку вимірювання до 100 %.

По-друге, радіус дії нейтронного методу 30 см, тобто ним можна поміряти концентрацію повільних нейтронів у сфері діаметром 60 см. Це означає, що у верхніх шарах ґрунту 0-10 і 0-20 см нейтронним методом визначати вологість ґрунту не можливо. При зануренні датчика на глибину 10 см прилад ВНП-1 завжди показує нуль, навіть при повному насиченні ґрунту водою, а на глибині 20 см дані вологості ґрунту мають в 1,5-2 рази менші значення в порівнянні з глибиною 30 см. Це явище пов`язане з тим, що на глибинах до 20 см сфера дії нейтронного методу діаметром 60 см уміщує не тільки ґрунт, але й повітря, де концентрація атомів водню в одиниці об’єму значно нижча, ніж у ґрунті. Тому ВНП-1 рекомендують застосовувати, починаючи з глибини 30 см. Це суттєвий недолік даного методу, бо вологість орного шару ґрунту найбільш мінлива, а інформація про неї найбільш необхідна.

По-третє, потреба закладення на полях обсадних труб створює певні незручності для господарників. Такі труби могли б стояти на полях із колосовими культурами і травами в період між останнім обробітком (боронування посівів, підкормкою тощо) і збиранням. Щодо просапних культур, то тут період, коли обсадні труби можуть знаходитись на полі, ще коротший. У той же час термостатно-ваговий метод гідрометеостанції використовують весь вегетаційний період і навіть, частково, зимою.

Ми розглянули тільки три недоліки, характерні для нейтронного методу визначення вологості ґрунту. Окрім того, похибки цього методу, як і будь-якого іншого, пов`язані також із неврахуванням щільності, температури, хіміко-механічного складу ґрунту та інших факторів.