Измерение влажности сыпучих материалов.

Содержание влаги в твердых и сыпучих материалах оценивается влажностью или влагосодержанием. Влажность характеризуется количеством воды в веществе, выраженным в процентах от первоначальной массы влажного вещества. Влагосодержание – количеством воды, отнесённое к единице массы сухой части материала. Эту величину практически невозможно точно измерить, т.к. невозможно удалить всю воду.

Сложность измерения влажности твердых сыпучих и волокнистых материалов заключается и в том, что при взаимодействии датчика с материалом может изменяться его структура, насыпная плотность и другие факторы, существенно увеличивающие погрешность прибора.

Методы определения влажности твердых и сыпучих материалов (подразделяются на прямые и косвенные) более многочисленны и разнообразны из-за разнообразия как форм связи воды и вещества, так и строения самого вещества.

Связи, в зависимости от величины энергии, необходимой для ее разрушения, подразделяются на химические, физико-химические и физико-механические.

Химические – наиболее сильные ионная и молекулярная связи, при которой молекулы воды не существуют самостоятельно. Эту влагу нельзя удалить высушиванием. А ее удаление связано с разрушением молекулы самого вещества.

Физико-химические – адсорбционная и осмотическая связи. При адсорбции под действием сил межмолекулярного взаимодействия на поверхности твердого вещества образуется мономолекулярный слой воды, который находится под большим давлением. Вода в этом слое обладает рядом свойств:

 Неспособность к растворению электролитов, что приводит к резкому увеличению удельного сопротивления,

 Повышенная плотность – 1,5 г/см²,

 Пониженная температура замерзания – минус 70 ºС.

Последующие слои связаны менее прочно и их свойства приближаются по мере удаления к свойствам свободной воды.

Осмотическая связь имеет место у растительных клеток.

Физико-механическая – наиболее слабая. Вода удерживается под действием капиллярных сил.

Прямые методы основаны на непосредственном измерении количества влаги, содержащейся в материале. Они характеризуются высокой точностью, но из-за продолжительности используются в основном при лабораторном анализе. К ним относятся:

 Метод высушивания при повышенной температуре или в вакууме. Недостатки – невозможность удаления связанной воды, возможность испарения части воды при подготовке образца, окисление материала.

 Э кстракционный. Основан на извлечении влаги из материала водопоглощающей жидкостью (спирт, диоксан) и определении количества воды в экстракте по изменению его физических свойств (плотности, коэффициента преломления, температуры кипения и др.). Преимущество – малое время анализа. Недостаток – зависимость результата от чистоты и количества экстрагента.

 Химический. Основан на применении веществ, вступающих в химическую реакцию с водой, содержащейся в пробе. Количество образовавшихся продуктов реакции зависит от влажности. Например, в герметичную емкость с влажным песком добавляют карбид кальция, который при взаимодействии с водой выделяет ацетилен. Вследствие этого давление в системе повышается пропорционально влажности. Недостаток – аналогичен экстракционному методу.

Косвенные методы основаны на измерении параметров, зависящих от влажности. Они характеризуются высокой скоростью анализа, но их точность ниже, чем прямых методов, поэтому используются в технологических измерениях.

Кондуктометрические гигрометры. Принцип действия основан на зависимости электропроводности материала от влажности. Большинство неметаллических материалов в сухом виде являются хорошими диэлектриками с удельным сопротивлением более 10 ¹⁰ Ом·см. При увлажнении их сопротивление уменьшается на много (10-15) порядков, что объясняется не только проводимостью воды, но и диссоциирующим воздействием на содержащиеся в материале электролиты.

 

При малой влажности сопротивление резко возрастает и становится сравнимым с сопротивлением изоляции проводов, а при большой – чувствительность метода резко падает. При измерении влажности сыпучих материалов необходимо учитывать, что сопротивление сильно зависит от степени уплотнения.

Диэлькометрические гигрометры. Принцип действия основан на зависимости от влажности диэлектрической проницаемости ε; вещества или тангенса угла диэлектрических потерь. ЧЭ представляет собой плоский или цилиндрический конденсатор, между обкладками которого помещают исследуемый материал. На результат измерений существенное влияние оказывает температура. При измерении влажности сыпучих необходимо также учитывать соотношение объемов твердого и влажного вещества, а также воздуха (гранулометрический состав), т.к. их ε; могут значительно различаться. Диапазон измерений от 0 до 40% при погрешности от 1% до 5%.

Сверхвысокочастотные (СВЧ) гигрометры. Принцип действия основан на зависимости степени затухания и сдвига фазы волны, проходящей через материал (или отраженной от материала), от влажности. Для большинства материалов степень затухания связана с влажностью соотношением:

где k – константа, l – толщина слоя, α; – коэффициент затухания, ρ; – плотность материала, W – влажность.

График зависимости сдвига фазы от влажности имеет характерный излом, что объясняется изменением формы связи воды с материалом.

Недостатком является зависимость показаний от плотности материала и толщины слоя. Уменьшить эту зависимость можно измеряя одновременно затухание и сдвиг фазы. Существенное влияние на результат оказывает и температура, поэтому в схему прибора вводится канал температурной коррекции. Диапазон измерений 0 – 100% с погрешностью от 0,5% до 5%.

Инфракрасные гигрометры. Принцип действия основан на интенсивном поглощении водой ИК излучения с длиной волны 1,95 мкм. Т.к. ИК излучение сильно поглощается даже тонкими слоями материала, то в основном используется отражение ИК волны. Гигрометр состоит из двух источников ИК излучения с λ₁ = 1,95 и λ₂ = 1,75. ИК лучи с λ₂ слабо поглощаются, поэтому соотношение амплитуд отраженных волн пропорционально влажности. Диапазон измерений – от 0,3 до 7%. Погрешность до 10%. Преимущество – отсутствие контакта с измеряемым материалом, возможность контроля

влажности непосредственно в потоке.