Дослідження методів вимірювання вологості матеріалів

в) Видалення зв'язаної вологи в колоїдних матеріалах неможливо  без руйнування колоїдної частинки і не досягається при висушуванні.

г) У деяких речовинах  в результаті сушіння утворюється  водонепроникна кірка, що перешкоджає  видаленню вологи.

Деякі з цих похибок можна  зменшити сушінням у вакуумі при  зниженій температурі або в потоці інертного газу. Однак для вакуумного сушіння потрібно більш громіздка  і складна апаратура, ніж для  повітряно-тепловий. 

При найбільш поширеному сушінні (у сушильних шафах) є похибки, що залежать від застосовуваної апаратури і техніки висушування. Так, наприклад, результати визначення вологості залежать від тривалості сушіння, від температури та атмосферного тиску, при яких протікала сушка. Температура має особливо велике значення при використанні прискорених методів, коли зниження температури сильно впливає на кількість вилученої вологи. На результати висушування впливають також форма і розміри бюкс і сушильної шафи, розподіл температури в сушильній шафі, швидкість руху повітря в ньому, можливість виносу пилу або дрібних частинок зразка і т. д. Для матеріалів, що піддаються перед визначенням вологості подрібненню, велике значення має спад вологи в зразку в процесі подрібнення. З іншого боку, можливе поглинання вологи з навколишнього середовища в проміжках часу між закінченням сушіння і зважуванням зразка.

   У дистиляційних методах досліджуваний зразок підігрівається в посудині з певною кількістю рідини, не змішуються з водою (бензол, толуол, ксилол, мінеральне масло і т. д.), до температури кипіння цієї рідини. Пари, проходячи через холодильник, конденсуються в вимірювальному посуді, в якому вимірюється обсяг, або вага води. Дистиляційні методи в різних модифікаціях і з використанням різних конструкцій апаратури були розроблені для різних матеріалів, у тому числі і для рідких. Однак дистиляційні методам також властиві багато недоліків. Краплі води, що залишаються на стінках холодильника і трубок, викликають похибки у визначеннях. Застосовувані розчинники, як правило, вогненебезпечні, а апаратура крихка і громіздка. 

Екстракційні методи засновані  на витяганні вологи з досліджуваного зразка твердого матеріалу водовбирною  рідиною (діоксан, спирт) і визначенні характеристик рідкого екстракту, що залежать від його вологовмісту: питомої ваги, показника заломлення, температури кипіння або замерзання і т.п. В електричних екстракційних методах вимірюються електричні властивості (питомий опір, діелектрична проникність) екстракту. Екстракційні методи дають найкращі результати в застосуванні до матеріалів, дрібно подрібненим або володіє пористою структурою, що забезпечує проникнення екстрагуючи рідини.

Основою хімічних методів є обробка  зразка твердого матеріалу реагентом, що вступає в хімічну реакцію  тільки з вологою, що міститься у зразку. Кількість води в зразку визначається за кількістю рідкого чи газоподібного продукту реакції. До них відносять:

-газометричний метод  з застосуванням гідрида кальція, виділяє при взаємодії з водою газоподібний водень;

- газометричний метод з застосуванням карбіда кальцію, який виділяє ацетилен;

- газометричний метод з застосуванням  магній органічних з’єднань, які утворюють з водою газоподібний метан:

 

                                  

 

- газометричний метод з застосуванням нітрата магнія, який утворює газоподібний аміак:

                                

 

-метод, який заснований на застосуванні ангідридів, наприклад, бензойного ангідрида , який утворюється при взаємодії з водою  бензойну кислоту:

                            

 

-метод Фішера- метод прямого візуального чи автоматичного титрування вологи. Для визначення вмісту вологи в твердих матеріалів  методом Фішера  остання повинна бути перенесена в рідке середовище;

-екзотермічний метод змінення температури реагенту (наприклад,сірчаної кислоти)при взаємодії з водою.

Друга група - непрямі методи вимірювання  вологості - об’єднує цілий ряд різноманітних  методів, в яких оцінювання вологості  здійснюється за оцінюванням зміни властивостей об’єкта контролю.

  Непрямі методи вимірювання вологості та їх класифікацію наведено на рис. 1.2.

Слід зазначити, що в даний час  остаточно не розроблено класифікацію методів вимірювання вологості. У зв’язку з цим, а також з огляду на те, що мова йде лише про методи вимірювання вологості твердих матеріалів, пропонується до непрямих методів віднести методи, перераховані нижче.

Найбільш поширеними серед непрямих методів вимірювання вологості  є електричні методи. В їх основу закладено пряме вимірювання електричних параметрів матеріалу, які залежать від вмісту в ньому вологи. Вимірювання вологості електричними методами можна вважати миттєвою процедурою, що дає можливість з їх допомогою автоматизувати процеси контролю вологості, а також створити системи автоматичного управління за вологістю для великої кількості технологічних процесів. Електричні методи вимірювання вологості поділяють на кондуктометричні, діелькометричні та надвисокочастотні (НВЧ) . Як самостійний серед них, деякі автори виділяють також ємнісний метод.

 Кондуктометричні методи базуються на залежності питомої провідності (питомого опору) матеріалу, виміряної на постійному струмі або струмі промислової частоти, від вмісту вологи. Діапазон вимірювання визначається областю гігроскопічності матеріалів, які не проводять струм у сухому стані. Метод не застосовується для вимірювання вологовмісту дуже сухих та дуже вологих матеріалів.

Значне розповсюдження отримали діелькометричні  методи вимірювання вологості, які полягають у вимірюванні діелектричної проникності і тангенса кута діелектричних втрат матеріалів і речовин у широкому діапазоні частот - від звукових до НВЧ . На відміну від кондуктометричних, ці методи вимагають значно більших апаратних затрат, але вони дозволяють вимірювати вологість дуже сухих та дуже вологих матеріалів, забезпечують індикацію рідини в ізольованих ззовні порожнинах та видають сигнал, пропорційний усередненому вологовмісту, в той час як кондуктометричний метод забезпечує індикацію тільки місцевих включень вологи. На результат вимірювання вологості діелькометричним методом суттєво впливає щільність матеріалу.

 

 

 

    Рис.1.2. Класифікація  непрямих методів вимірювання  вологості матеріалів.

 

Ємнісні методи вимірювання вологості  засновані на значній різниці між діелектричною проникністю води ( ) та інших речовин ( ) , що і дозволяє судити про вміст вільної води зі значення діелектричної проникності зволоженої речовини. Діелектрична проникність зволоженої речовини вимірюється через ємність конденсаторного сенсора, заповненого речовиною, що контролюється.

За використанням в промисловості  високочастотна вологометрії, яка працює в діапазоні близько — Гц, може конкурувати з НВЧ-методом, частота поля хвиль якого знаходиться в діапазоні до 30 Гг

ц . Перевагами НВЧ-методів  є: можливість безконтактного вимірювання, висока чутливість і точність.

До класифікації НВЧ-методів різні  автори підходять по-різному. Їх можливо розділити на дві групи методів: засновані на вимірюванні діелектричної проникності і тангенса кута діелектричних втрат в залежності від вологи, і методи, що базуються на дослідженні оптичних характеристик вологих матеріалів - коефіцієнта поглинання та відбиття. Можливо класифікувати НВЧ-методи таким чином: методи вільного простору (з використанням прохідної чи відбитої хвилі), резонаторні і хвилевідні методи.

Тут також виділено методи, які  не отримали широкого поширення у  вологометрії: зондові, поверхневої хвилі, методи, засновані на повороті площини поляризації.

В першій з наведених класифікацій перераховано залежні від вологості  параметри матеріалу, які змінюються на високій частоті, в другій наведено способи локалізації електромагнітного  поля в матеріалі, що контролюється.

Але ні одна з них не дозволяє провести порівняльний аналіз і вибір методу з врахуванням особливостей матеріалу та умов вимірювання.

Також можливо класифікувати методи, виходячи з результатів взаємодії магнітного поля з вологим матеріалом. Оскільки на цей результат може впливати не лише вологість матеріалу, а й інші неінформативні параметри (товщина, поверхнева вологість, діапазон вимірювання вологості та ін.), то при такій класифікації потенціально з’явиться можливість врахування цих впливових величин. В основу побудови покладено три класифікаційні ознаки. Найбільш загальним результатом взаємодії електромагнітного поля НВЧ з вологим матеріалом є виникнення відбитої від матеріалу хвилі та хвилі, що пройшла через нього. Розподіл на методи, що використовують відбиту чи прохідну хвилі, і є першою класифікаційною ознакою.

Вологість матеріалу, від якої залежать його діелектричні характеристики, впливає на параметри поля, що з ним взаємодіє. Розподіл на методи по параметру електромагнітної хвилі, який вимірюється - друга класифікаційна ознака. Отже, НВЧ-методи, що досліджують відбиту чи прохідну хвилю, в свою чергу можуть бути амплітудними, фазовими або частотними. Можливі також комбінації цих методів.

В залежності від модифікації елемента, що використовується для введення матеріалу в НВЧ-поле, перераховані вище методи можуть бути: хвилевідними, резонаторними, зондовими та методами вимірювання у вільному просторі .

  Оптичні (оптометричні) методи полягають у дослідженні залежності оптичних властивостей матеріалів від їх вологовмісту. Для твердих матеріалів використовуються інфрачервона і видимі області спектра.

Оптичні методи отримали широке використання, оскільки їх характерною особливістю  є безконтактність вимірювань, можливість інтегральної оцінки вологості у великих об’ємах (велика інформаційна ємність методу) . Останнє є важливою перевагою, оскільки в реальних виробничих умовах завжди спостерігається нерівномірний розподіл вологи в об’ємі. Найбільш поширеним серед оптичних методів є інфрачервоний метод.

Радіаційні (радіометричні) методи базуються  в основному на сучасних способах дослідження складу, структури і  властивостей речовини, що використовують взаємодію різних видів електромагнітних коливань і ядерних випромінювань з об’єктом контролю. В радіометричних (ядерно-фізичних) методах використовуються різні види ядерних випромінювань (гама-промені, бета-частки, швидкі нейтрони) і взаємодій (поглинання і розсіяння гама-, і бета-випромінювань, пружне розсіяння швидких нейтронів). Так, наприклад, в основі гама- методів лежить послаблення інтенсивності гама-випромінювань вологою матеріалу в результаті розсіювання і поглинання атомами речовини. Найбільш поширеними серед радіаційних методів є метод ядерного магнітного резонансу (ЯМР), рентгенівський та нейтронний метод .

В основі ЯМР-методу лежить резонансне поглинання радіочастотної енергії ядрами атомів водню (протонами) води при введенні вологого матеріалу в постійне магнітне поле. Явище ЯМР пов’язано з квантовими переходами між енергетичними рівнями атомних ядер, які виникають у результаті взаємодії ядерного магнітного моменту з зовнішнім магнітним полем.

Рентгенівський метод характеризується високою чутливістю через сильне поглинання вологою рентгенівського випромінювання. Метод використовується для дослідження розподілу вологи в об’ємі зразка в процесі сушки або зволоження. Однак рентгенівський метод заборонено для вимірювання вологості продуктів харчової промисловості і сільського господарства.

Фізичною основою нейтронного  методу вимірювання вологості є  явище гальмування швидких нейтронів  при їх пружному зіткненні з атомами  речовини. Швидкі нейтрони втрачають  частину своєї енергії і перетворюються у повільні або теплові зі значно меншою енергією . При зіткненні з легкими атомами водню, втрата енергії може бути досить значною. Отже, нейтронні промені, які гальмуються атомами водню, без перешкоджень проходять через елементи з великим атомним номером. Це явище протягом багатьох років використовується для визначення вологовмісту в великих накопиченнях матеріалів, переважно піску, будівельних матеріалів, шлаку, грунту і т.і. В якості джерела нейтронів використовують ізотопні випромінювачі на базі берилію.

Слід зазначити, що нейтронний метод, як і рентгенівський, заборонено використовувати для вимірювання вологості продуктів харчової промисловості.

Механічні методи базуються на вимірюванні  механічних характеристик матеріалів, які змінюються зі зміною його вологості.

В основу теплофізичних методів покладена залежність від вологості матеріалу його теплофізичних якостей - коефіцієнта теплопровідності, питомої та об’ємної теплоємності, енергії фазового переходу. Оскільки перераховані властивості суттєво залежать від гранулометричного складу і пористості матеріалу, що досліджується, в більшості випадків необхідне градуювання вологоміра для конкретного матеріалу. Але за допомогою теплофізичних методів можна досліджувати динаміку зміни вологи для матеріалу.

Акустичні методи базуються на залежності акустичних властивостей матеріалу від вмісту в ньому вологи. Метод полягає у вимірюванні значення поперечної і повздовжньої швидкості ультразвукової хвилі [3].

 

3. НВЧ методи  вимірювання вологості.

 

Можливість застосування радіохвильових методів у визначенні вологості в матеріалах засновується на двох фізичних явищах: поглинанні і розсіянні радіохвиль, що пов'язано з наявністю широкосмугової обертальної релаксації полярних водяних молекул в області НВЧ .