Měřící princip profesionálních vlhkoměrů - digitálních senzorů ACO DMMS

1. Postup čistě kapacitního měření

Měřený předmět bude přiveden do rozptylového pole před elektrody kondenzátoru SFC (Stray Field Capacitator) jako tzv. dielektrikum: tento kondenzátor může být umístěn jako pólový hrot, pásek nebo hřeben za ochranu proti opotřebení.

Pokud je SFC napájen vysokofrekvenční energií, klenuté siločáry proniknou materiálem. Kondenzátor změní svou kapacitu $C$ v závislosti například na vlhkosti. Dielektrický ztrátový odpor je v modelu označen jako $R$, u vlhkého materiálu se sníží a má podobně škodlivé závislosti jako u odporové metody měření.

Je-li dielektrikum podrobeno komplexnímu vyhodnocení, to znamená množství/fáze nebo $R/C$, známe je pod označením kapacitní měření. Všimněte si také, že je dielektrické měření často chybně označováno jako kapacitní měření.

Poněkud výhodněji se chovají kapacitní podíly SFC, zejména s ohledem na jejich obsah elektrolytů.

Vzhledem k dipolovému charakteru molekul - kapalná voda (${\epsilon }_r$ = 80) má na rozdíl od suchých agregátů (${\epsilon }_r$ = 6) velmi vysokou relativní dielektrickou konstantu. Tedy ${\epsilon }_r$ je také lineárně úměrné obsahu vody (vlhkosti) a kapacitě $C$, jako

$$C=\frac{{\epsilon }_r\cdot {\epsilon }_0\cdot S}{d}{\epsilon }_r=8,85\frac{pF}{m}$$

\qquad

e 0 , vůle desky "d", povrch desky "A" a faktor tvaru k jsou konstantní.

${\epsilon }_0$ = permitivita vákua, ${\epsilon }_r$ je relativní permitivita $d$ - vzálenost elektrod $S$ je plocha elektrod

Kapacita $C$ SFC je určována v závislosti na zemi (earth-related) při vysoké měřicí frekvenci (>>10 MHz) a při skutečném měření kapacity bez jakéhokoli ovlivnění dielektrickými ztrátami pro dosažení nejvyšší možné přesnosti měření.

Hodnotu kapacity lze následně dále elektronicky zpracovávat. (Teplotní kompenzace, přenos signálu, vyhodnocení, zobrazení).

Vztah mezi vlhkostí a $C$ lze považovat za lineární v širokém rozsahu měření.

2. Rozpuštěné elektrolyty

Senzory vlhkosti ACO DMMS reagují dostatečně silně na obsah vody i ve výrobcích s dobrou vodivostí (uhlí, obsah kovových částic). A to díky tomu, že je čistě kapacitní měření doplněno řízením amplitudy. U senorů vlhkosti ACO DMMS jsou dielektrické ztráty (iontová vodivost) vždy doplňovány amplitudovou regulací. Obsažené vodní dipóly však zřetelně posouvají permitivitu dielektrika a tím způsobují změnu kapacity.

Protože se nehodnotí vodivost materiálu, případné rozpuštěné elektrolyty (hodnota pH) mají neznatelný vliv na výsledek měření.

Přes velké ztráty v permitivitě dielektrika zůstává efektivní napětí elektrod $U$ - na rozdíl od dielektrického postupu - konstantní (díky regulaci amplitudy). Protože vzálenost elektrod $d$ a plocha elektrod $S$ zůstávají také konstantní, zůstává konstantní také intenzita elektrického pole $E$. Posun $D$ (elektrická hustota toku) je úměrný ku $E$. Obsah vody v materiálu pak neznatelně změní objem měření.

Pro zvážení - homogenní pole

$$E=\frac{U}{d}D=\epsilon \cdot EQ=D\cdot S$$

a nehomogenní pole:

Uzavřenou plochu $S$ obklopuje náboj $Q$. Pro elektrický plošný tok pocházející z tohoto náboje platí následující:

$${\mathrm{\Psi }}_0={\int }_{A}DdA=Q$$

3. Objemová hmotnost / velikost zrna (frakce)

Zde je nárůst nejistoty měření - způsobený změnami v objemové hmotnosti a velikosti zrna - především problémem objemové/hmotnostní vlhkosti a lze jej nejlépe řešit kompenzací hustoty. Vzhledem k různým relativním dielektrickým konstantám jednotlivých příslušných materiálů musí být signál měření vyhodnocen speciálně pro každý materiál.

4. Kontaktní tlak elektrod

Protože nedochází k žádnému elektricky vodivému kontaktu s materiálem, kontaktní tlak elektrody je nevýznamný.

5. Frekvence měření

V případě senzoru vlhkosti ACO DMMS byl zvolen frekvenční rozsah (16 … 22 MHz), ve kterém je ztrátový faktor vody snížen na minimum. Vibrační frekvence je počítána s přesností quartzového typu.