Электрические методы измерения (контроля) влажности

Из большого числа косвенных методов измерения (контроля) влажности различных материалов и изделий (электрические, тепловые, нейтронные, СВЧ, оптические) из них наиболее распространены электрические методы, имеющие перед остальными ряд преимуществ (отсутствие вредных излучений, бόльшее быстродействие, бόльшую портативность, возможность изменения размеров контролируемой зоны, более низкую стоимость). В основе электрических методов лежит использование зависимости электрофизических характеристик материала от его влажности. Во влагомерах (измерителях влажности) измеряемыми электрофизическими характеристиками являются две: удельная проводимость (электропроводность) и диэлектрическая проницаемость. В силу различной физической природы соотношение между влиянием влажности, плотности, концентрации солей и электролитов, температуры и др. свойств материала на каждую из этих характеристик также различно. Методы, в которых влажность определяется по изменению электропроводности, называются кондуктометрическими, а методы, в которых определяющей характеристикой является диэлектрическая проницаемость, – диэлькометрическими. Удельная проводимость (или обратная величина – удельное сопротивление) в интересующих нас материалах имеет, в основном, ионную природу, т.е. обусловлена процессом переноса зарядов свободными ионами растворов, находящихся в порах и капиллярах материала. Отсюда следует, что электропроводность влажных строительных материалов зависит, в первую очередь, от концентрации солей и электролитов в растворе, а уже во вторую очередь от влажности, плотности и др.

Из-за сильного влияния мешающих факторов кондуктометрические влагомеры не способны обеспечить удовлетворительную точность измерения влажности, особенно в области сорбционной влажности, учитывая экспоненциальный характер зависимости электропроводности от влажности. Эти влагомеры в принципе не могут быть в полной мере обеспечены методами и средствами поверки, т.к. невозможно воспроизвести одно и то же значение электропроводности контролируемого материала для одной и той же влажности из-за большого числа факторов, влияющих на величину электропроводности материала. Несмотря на это до настоящего времени находятся в эксплуатации и продолжают поступать в продажу кондуктометрические влагомеры с игольчатыми датчиками, в основном, для древесины, имеющие низкие метрологические показатели, обусловленные принципиальными недостатками кондуктометрического метода измерения влажности.

В отличие от проводимости диэлектрическая проницаемость зависит, в первую очередь, от влажности материала, точнее, от объемного содержания свободной влаги в материале. Вместе с тем диэлектрическая проницаемость материала, измеряемая на достаточно высоких частотах, практически, не зависит от концентрации солей и электролитов в поровой влаге, что и составляет ее основное преимущество перед проводимостью как параметра для определения влажности строительных материалов, в которых минерализация содержащейся влаги может меняться на несколько порядков. Для реализации преимуществ диэлькометрического метода необходимо выполнить два основных условия: измерения должны проводиться на сравнительно высоких частотах (≥ 10 МГц) и схемотехническим либо методическим путем должно быть устранено влияние электропроводности материала на результаты измерений. Первое из этих условий в измерителях влажности реализуется достаточно просто. Второе условие реализовать значительно сложнее, т.к. приходится измерять электрическую емкость, шунтированную электропроводностью влажного материала, меняющейся в широких пределах. Стандартные радиотехнические способы измерения емкости малопригодны в этих условиях. Наиболее пригоден для этой цели так называемый способ параметрической модуляции, специально разработанный в НИИСФ РААСН для влагомеров строительных материалов (влагомеры типов ВСКМ-12 и ИВТП-12).

В настоящее время в различных организациях и на предприятиях строительного профиля России и стран СНГ находится большое число влагомеров отечественного и импортного производства с емкостными датчиками, отличающиеся друг от друга областью применения, техническими данными и стоимостью. Многие из этих влагомеров лишь называются диэлькометрическими, хотя потенциальные возможности диэлькометрических измерителей они практически не используют.