Kapacitní měření vlhkosti. Princip měření. Jak funguje?

Rozlišujeme přímé a nepřímé metody měření vlhkosti (obsah vody v sypkých látkách).

Mezi přímé metody měření patří například Karl Fischerova titrace, nebo vysoušení materiálů, např. pomocí sušicí pece/sušárny a přesných vah (ztráta hmotnosti materiálu) - nejběžněji používaná metoda.

Nepřímé metody měření zahrnují systémy a senzory, které fungují na kapacitním principu usuzovat na obsah vody v pevných látkách. Dále jsou zde zastoupeny režimy měření vlhkosti mikrovlnami, infračerveným zářením, laserem nebo na základě vodivosti. Při metodě nepřímého měření vlhkosti není voda v sypkém materiálu stanovena přímo, ale jsou detekovány fyzikální vlastnosti, které se mění v důsledku absorpce nebo adsorpce smísením vody s materiálem-nosičem (např. písek, štěrk, sůl atd.).

Protože metody nepřímého měření závisí na změnách fyzikálních vlastností materiálu, musí být senzory vlhkosti u těchto metod kalibrovány na daný typ materiálu.

Více k průmyslovým metodám měření vlhkosti čtěte v článku: Přehled všech běžných metod měření.

Jak funguje kapacitní princip měření vlhkosti?

Princip kapacitní měření vlhkosti je založen na funkčním principu kondenzátoru. Po napojení systému ke zdroji napětí, kondenzátor vytváří elektrické pole mezi dvěma kondenzátorovými deskami. Kapacita (C) je schopnost kondenzátoru ukládat náboj (jako funkce napětí) (jednotka: Farad). Tato kapacita kondenzátoru (C) závisí na ploše jeho desek (A), vzdálenosti mezi nimi (D) a permitivitě izolačního materiálu - dielektrika (ε). (ε₀ - permitivita vakua)

V závislosti na izolačních vlastnostech dielektrika dochází k odlišné relativní permitivitě ( ε r ). Permitivita charakterizuje propustnost materiálu pro elektrická pole. Další pojmy pro permitivitu jsou dielektrická konstanta nebo dielektrická funkce.

Vzdálenost desek (D) a povrchu kondenzátoru (A) je v kapacitním senzoru vlhkosti vždy konstantní. Konstantní je též permitivita vakua (ε₀). Jedinou proměnnou tak zůstává relativní permitivita měřeného média - dielektrika (ε_r). Díky tomu lze usuzovat na obsah vody v mediu sledováním změny relativní permitivity.

Jak je vidět na obrázku níže, voda má relativní permitivitu ( ε_r ) asi 80 (za normálních podmínek okolního prostředí). Mnoho sypkých materiálů má relativní permitivitu ( ε_r ) v rozmezí mezi dvěma a deseti. Velký rozdíl umožňuje usuzovat na množství obsahu vody v materiálu nosiče pomocí kapacitního principu měření.

• Vakuum: ε_r = 1 = ε₀
• Měřené médium: ε_r = 2 až 10
• Voda: ε_r = 80
• Tabulka různých relativních dielektrických konstant objemových pevných látek

Metoda měření kapacitní vlhkosti materiálu je velmi univerzální a flexibilní. Obsah vody nebo vlhkost produktu v mnoha sypkých materiálech, jako jsou piliny, dřevěné štěpky, kakaové boby, sádra a mnoho dalších materiálů, tak lze určit téměř v celém rozsahu vlhkosti (přehled dalších měřitelných materiálů).

Princip měření však dosahuje svých limitů v sypkých materiálech s vysokou vodivostí (např. kovy). Zde měření vlhkosti na základě kapacitního principu provádět nelze. V zásadě si lze představit, že jde o obdobu toho, jako by existoval zkrat mezi dvěma kondenzátorovými deskami. Obsah vody v oxidech kovů, jako je oxid hlinitý, je však snadno měřitelný díky nízké vodivosti.

Jak funguje kapacitní snímač vlhkosti?

Na přední straně senzoru vlhkosti je kondenzátor rozptylového pole, obvykle chráněný ochrannou destičkou, který vytváří elektrické pole. Měřený materiál nyní prochází elektrickým polem před čidlem vlhkosti (příklad aplikace: granulovaná struska - sestava vozíku). Výsledkem je ovlivnění rozptylového pole kondenzátoru. Jakmile je senzor kalibrován pro materiál (referenční hodnoty jsou stanoveny pomocí vysoušení), lze analogový standardní signál (4…20 mA / 0…10 V) nebo v případě potřeby použít Profibus DP k přenosu měřicího signálu do PLC nebo jiných ovladačů.

Měření hloubky elektrického pole

Intenzita pole a následně také hloubka měření elektrického pole do značné míry závisí na velikosti kondenzátoru rozptylového pole a materiálu, který má být měřen, stejně jako na jeho objemové hustotě. U senzoru ACO s průměrem 76 mm je maximální hloubka pronikání elektrického pole asi 150 mm.

Zdroj: ACO News: How does a capacitive moisture measurement work?