Влажность играет определяющую роль при контроле параметров и управлении технологическими процессами в промышленности и при производстве строительных материалов. В промышленности часто необходимо анализировать влажность руд, концентратов и сыпучих материалов непосредственно в технологическом процессе на конвейерной ленте, не используя громоздкие пробоотборники. При производстве бетонных изделий требуется гарантировать заданные качественные параметры, для чего необходимо точно замерять и дозировать влажность всех инертных, используемых при производстве. В данном случае доступно два типа систем измерения влажности - измерение влажности в заполнителях и измерение влажности всех компонентов в смесителе.

 

Существуют следующие методы определения влажности:

- прямой метод, основанный на удалении из образца влаги и измерении его массы до и после ее удаления;

- косвенный метод, в котором определение влажности основано на измерении физических, электрических, химических и механических свойств образца. Наибольшее распространение получили электрические способы определения влажности: кондуктометрические (или резистивные), основанные на измерении электрического сопротивления образца при прохождении постоянного тока, и диэлькометрические (или емкостные и микроволновые), основанные на измерении диэлектрических свойств материала в электромагнитном высокочастотном поле.

 

В строительной индустрии, перерабатывающей промышленности и в сельском хозяйстве хорошо зарекомендовал себя микроволновый метод определения влажности. При использовании данного метода не требуется наличие пробоотборников, измерения не являются поверхностными а охватывают большую массу материала, метод имеет высокую скорость измерений, высокую точность и достоверность результатов.

 

 

Прибор, реализующий данный принцип измерения, действует следующим образом. Под действием СВЧ поля молекулы воды (диполи) начинают совершать колебательные и вращательные движения, ориентируясь с частотой поля по его электрическим линиям. Благодаря этому определенная часть энергии поглощается. При расчете отношения учитывается как поглощенная, так и излученная мощность. Это отношение отражает пропорциональное содержание влаги в материале.

Разработанный метод определения отношения обнаруживает устойчивость к помехам, так как колебания мощности, вызванные, например, изменениями температуры или естественным старением элемента, постоянно компенсируются в самом зонде, так как оба изменения появляются как в числителе, так и в знаменателе отношения.

Как правило, микроволновые измерительные датчики работают в диапазоне 433,92 МГц или 2,45 ГГц, имеют сравнительно низкую потребляемую мощность - менее 10 Вт, низкую излучаемую мощность - менее 10 мВт, и конструктивно выполнены в виде единого блока (измерительной головки), в котором содержатся и излучатель, и приемник.

 

 

 

Компания Franz Ludwig GmbH, Германия, действует на рынке разработки и производства систем измерения влажности уже около 30 лет. За это время она стала одним из мировых лидеров этого направления, и ее продукция используется в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства и является действительно инновационной по разработкам и применяемым технологиям.

Спектр продукции, выпускаемой компанией, достаточно широк - от отдельных компонентов до полностью готовых к работе систем измерения влажности. Основным элементов систем такого типа является микроволновый зонд измерения влажности Z20209.

Микроволновые зонды измерения влажности производства компании Franz Ludwig отличаются надежностью благодаря применению современной SMD-технологии и высокими характеристиками, в частности:
- рабочая частота 433,92 МГц;
- мощность излучения не более 8 мВт;
- микроволновый дифференциальный метод измерения;
- возможность простой смены измерительной головки на месте;
- измерительная поверхность головки выполнена из высокопрочной защищенной от истирания керамики с возможностью ее замены по мере износа;
- возможность подключения зонда на расстоянии до 1000 м;
- различное удлинение зонда в зависимости от места монтажа (в днище смесителя, в бункер сыпучих материалов или на транспортер).

 

 Данную измерительную головку возможно без дополнительных согласующих устройств включить в состав собственной АСУ (имеет два токовых выхода 0-20 мА, соотношение между которыми пропорционально влажности материала), или можно воспользоваться техническими решениями, предлагаемыми компанией.

Самое простое из них - подключение зонда к FL-Digi Modul - цифровому прибору оценки результатов измерения влажности. На выходе прибора получаем или аналоговый сигнал (токовый или по напряжению), или сигнал с цифрового выхода (RS 232 / RS 422 / RS 485/ CAN / PROFI-BUS), содержащий информацию о влажности измеряемого материала. Точность измерения в данном случае составляет ±0,3%. Возможно программирование индивидуальной калибровочной характеристики. Прибор предназначен для применения на каменных и песчаных  карьерах, в особенности в бетонной промышленности и при изготовлении готовых изделий, в металлургии, производстве стекла, в керамической промышленности, в пищевой, а также в фармацевтической и химической промышленности. Однако данный прибор не имеет индикатора для отображения информации и нет выхода для управления исполнительными устройствами (дозаторами воды, клапанами и т. п.). Такие возможности предусмотрены в следующем приборе измерения, который производится компанией - FL-AE. В этом приборе встроен дисплей, на котором отображается информация о сигналах зонда (посылаемом и принимаемом), их отношении, и влажность материала в процентах в соответствии с заложенной в прибор калибровочной характеристикой. Имеется возможность с помощью кнопок управления вносить изменения в калибровочную характеристику и менять внутренние настройки прибора. Кроме этого прибор имеет вход для подачи сигнала внешнего управления, цифровой выход RS-232 для выдачи измеренного значения влажности и выход для управления исполнительными устройствами. Предусмотрен режим работы с непосредственной выдачей информации и режим с накоплением информации. Данный прибор предназначен для применения не только в строительной индустрии и производстве бетона, но и для применения в сельском хозяйстве при производстве кормов и измерении влажности зерновых. В том случае если имеется необходимость подключения более чем одного зонда измерения влажности можно воспользоваться FL-H2O Touch - прибором измерения влажности сыпучих материалов с подключением до четырех зондов. Благодаря обширным программным возможностям прибор может интегрирован почти в любой процесс, где требуется Online-измерение влажности. Микроволновые зонды измерения влажности можно устанавливать на бункерах сыпучих материалов и на  транспортерах подачи. Калибровка или управление осуществляются посредством меню на touch-панели прибора. На одно измерительное место можно задать до трех калибровочных характеристик, а процесс измерения отдельных зондов можно отображать графически на экране прибора. Кроме этого возможно дополнительное увеличение числа подключаемых зондов посредством установки плат расширения, а также возможно подключение температурного датчика для температурной компенсации. Прибор имеет аналоговые выходы а также цифровой интерфейс RS-232. Однако если необходимо проводить измерения не только сыпучих материалов, но и смесей, например бетонных непосредственно в смесителе, то необходимо воспользоваться дозирующим компьютером FL-Mikro IPC. К данному компьютеру возможно подключение до пяти микроволновых зондов измерения влажности, причем работа по каждому из них будет вестись независимо. Зонды можно устанавливать как в бункеры сыпучих, так и в смесители для измерения влажности всех компонентов. Для температурной компенсации имеется возможность подключения температурного датчика. Удобство обращения с прибором определяется наличием ЖКИ-экрана, на который возможно выводить пользовательскую инструкцию по проведению измерений,  а также задавать калибровочные характеристики и вести мониторинг процесса (также и в графическом виде). Имеется система автоматического определения ошибок и возможность удаленного управления через модем. Кроме этого возможно подключение прибора к промышленным сетям передачи данных, таким как CAN-bus, PROFI-bus, IEEE. Точность измерений составляет приблизительно ±0.3%. FL-Mikro IPC предназначен для применения в строительной промышленности (в том числе на каменных и песчаных карьерах), при производстве бетона, стекла, керамики, в пищевой индустрии, сельском хозяйстве и фармакологии. Существует более простая модель данного прибора - дозирующий компьютер FL-Mikro. Он предназначен для измерения влажности всех компонентов в смесителе и допускает подключение только одного микроволнового зонда измерения влажности и одного температурного датчика для температурной компенсации. Обслуживание прибора осуществляется через меню на передней touch-панели.

Прибор позволяет проводить быструю и точную оценку количества воды, содержащейся в смеси, и выдавать управляющие сигналы на исполнительные устройства. Возможно задание индивидуальной калибровочной характеристики для каждого обрабатываемого рецепта. Кроме этого прибор допускает подключение к управляющему компьютеру для работы в составе АСУ.

 

В зависимости от техпроцесса существуют следующие варианты монтажа зондов - на транспортных конвейерах, в бункерах сыпучих материалов и непосредственно в смесителях, при этом в первых двух случаях необходимо следить за тем, чтобы в месте установки зонда плотность материала была постоянной, также следует избегать залипания материала на поверхности датчиков (т. е. датчики должны самоочищаться).
Для монтажа зонда на конвейерной ленте и линиях подачи материала компания Franz-Ludwig производит салазки с незастревающей поверхностью. Данный вариант монтажа обеспечивает постоянную толщину и истечение измеряемого материала и равномерную плотность потока. Только измерительная головка зонда, выполненная из устойчивой к истиранию керамики подвергается нагрузке в измеряемом материале. Кроме этого возможно комплектование салазок системой для принудительной очистки измерительной поверхности  зонда от налипшего материала. Монтаж зонда с помощью салазок был проведен на РУП ПО «Беларуськалий» в техпроцессе сушки отфильтрованного хлорида калия (подача материала транспортером в печь кипящего слоя и управление режимами работы печи в зависимости от влажности сырья) и хорошо зарекомендовал себя благодаря точности и оперативности проведения измерений.
Другой вариант монтажа зонда - в бункере сыпучих материалов. Влажность материала по всему объему бункера носит достаточно неравномерный характер, например, после засыпки бункера материалом с открытой площадки хранения, большая влажность будет вверху, а после достаточно длительного перерыва в работе сверху влажность становится минимальной, в то время как снизу может быть перенасыщение влагой. В данном случае место установки зонда следует выбирать в месте выпуска материала непосредственно над заслонкой затвора, а сами измерения проводить в момент дозирования, чем будет обеспечиваться наибольшая точность определения влажности практически всего объема материала, дозируемого порциями в результате техпроцесса. Оптимальные давление и истечение измеряемого материала достигаются при установке зонда в середине потока под углом 450. Данный метод был опробован на РУП «Спецжелезобетон», г. Микашевичи, и показал достаточно хорошие результаты. Однако в условиях бетонного производства монтаж измерительного зонда в бункере не всегда приемлем - количество бункеров сыпучих материалов может достигать двух и более на один смеситель, и монтаж зондов в каждом из них ведет к существенным материальным затратам и усложнению системы АСУ. Как выход - монтаж зонда измерения влажности или на конвейере-дозаторе, или непосредственно в дозаторе материала. Но и в этом случае происходит учет только начальной влажности сыпучих компонентов смеси и не принимается во внимание один из самых важных ее составляющих - цемент, каждая марка которого имеет собственное влагопоглощение и по этому фактору идет различие не только между марками, но и различие по одной марке в зависимости от производителя цемента. Поэтому при производстве бетона оптимальным местом выбора установки зонда измерения влажности является смеситель. Все материалы (песок, щебень, цемент, химдобавки) дозируются и загружаются в смеситель. Проводится сухой замес, время которого задано и зависит от времени гомогенизации для конкретного смесителя. По окончании сухого замеса проводится измерение влажности смеси. Далее, исходя из начальных данных (водоцементный показатель, количество цемента, объем замеса, номер рецепта), рассчитывается необходимое количество воды, которое дозируется в смеситель, и проводится влажный замес бетона. Место установки зонда выбирается в зависимости от типа смесителя. В смесителе планетарного типа или с круглым корытом зонд, как правило, устанавливается в дно, в смесителе Айриха - в боковой лемех или на специальный крепежный стержень. В смесителях с одним или двумя горизонтальными валами зонд монтируется в боковой стенке.

В заключение следует отметить, что производство качественных изделий с минимальными затратами зависит не только от современной и продвинутой системы управления, оборудованной всевозможными датчиками и исполнительными механизмами, но и от грамотного и технически образованного персонала, обслуживающего производство и знакомого с процессами, задействованными в выпуске продукции. И если смеситель бетона следует очищать от остатков смеси в конце каждой рабочей смены, то не следует дожидаться зарастания его броней из застывшего бетона (о точности измерений в этом случае говорить уже не приходится) с последующей его отбивкой ударными инструментами раз в месяц. Измерительная головка микроволнового зонда измерения влажности хоть и выполнена из устойчивой к истиранию керамики, но это отнюдь не значит, что керамика устойчива к воздействию отбойного молотка.