Методы и средства измерения влажности

Влага – один из обязательных компонентов твердых неметаллических материалов. Влажность часто служит показателем качества материалов, характеризует их частоту, теплофизический свойства, влияет на технологические свойства материала. В процессах сушки и грануляции минеральных удобрений, продуктов анилино-красочной промышленности важное место занимает автоматический контроль и регулирование влажности сыпучих материалов.

Содержание влаги в любом теле характеризуется его абсолютной или относительной влажностью; единицей измерения абсолютной влажности является кг/м³.

Для количественной характеристики содержание влаги в материале применяют две величины – влагосодержание U и влажность W.

или ,

где М – масса влаги; М₀ – масса абсолютно сухого материала; М₁ – масса влажного материала.

Для перехода от влагосодержания к влажности и наоборот используют соотношение:

и .

Обычно в производственной практике используют влажность W.

Методы и приборы (гигрометры) для измерения влажности газов

К методам измерения влажности газов относятся следующие методы.

Психрометрический метод основан па психрометрическом эффекте, т. е. на зависимости скорости испарения влаги в окружающую среду от влажности этой среды. Скорость (интенсивность) испарения возрастает с уменьшением влажности газа.

Для измерения психрометрического эффекта психрометр имеет два одинаковых термометра, у одного из которых (мокрого) тепловоспринимающая часть все время остается влажной, так как соприкасается с гигроскопическим телом, всасывающим воду из сосуда. При испарении влаги с увлажненной поверхности мокрого термометра его температура понижается. В результате между сухим и мокрым термометрами создается разность температур, называемая психрометрической разностью.

Зависимость относительной влажности j от психрометрической разности t_c– t_в имеет вид:

,

где p_B – давление насыщенных паров испытуемой среды при температуре t_B влажного термометра; p_С – давление насыщенных паров испытуемой среды при температуре t_C сухого термометра; А – психрометрический коэффициент, зависящий от кон­струкции психрометра, скорости обдувания влажного термометра газом и давления газа.

Преимущества психрометрического метода – достаточная точность при положительных температурах и незначительная инерционность; недостатки – зависимость результатов измерения от скорости движения газов и колебаний атмосферного давления, уменьшение чувствительности и рост погрешности с понижением температуры.

Метод точки росы заключается в определении температуры, до которой необходимо охладить (при неизменном давлении) насыщенный газ для того, чтобы привести его к состоянию насыщения. Зная температуру точки росы, можно определить абсолютную влажность газа по таблицам насыщенного водяного пара.

Сорбционный метод основан на поглощении влаги из анализируемой среды каким-либо гигроскопическим веществом. Количество поглощенной влаги определяют по изменению массы или других параметров влагосорбирующих материалов. В зависимости от этого различают следующие разновидности сорбционного метода:

– сорбционно-электролитический – о влажности судят по изменению электрической проводимости пленки с нанесенным на нее поглотителем влаги (сорбентом

– сорбционно-кулонометрический метод – влажность определяют по количеству электричества, затрачиваемого на электролиз влаги, которая поглощена пленкой частично гидратированной пятиокиси фосфора;

– пьезосорбционный метод – используют зависимость собственной частоты колебаний кварцевого резонатора от массы вещества, нанесенного на поверхность кварцевой пластины;

– сорбционно-деформационный метод – используют зависимость размеров некоторых влагосорбирующих материалов от влажности окружающей среды;

– сорбционно-массовый метод – основан на свойстве некоторых веществ (силикагель, хлористый кальций, хлористый литий, фосфорный ангидрид и др.) поглощать влагу;

– сорбционно-термический метод – основан на измерении количества теплоты, выделяющейся при сорбции влаги гигроскопическим материалом.

Электролитические гигрометры можно применять для любых газов, не воздействующих на раствор хлористого лития. Градуировка преобразователей устойчива во времени; преобразователи взаимозаменяемы. Показания приборов не зависят от давления. Основной недостаток влагомеров с подогревными преобразователями – узкие пределы их применения.

Конденсационный метод основан на охлаждении исследуемого газа в холодильнике до полной конденсации содержащейся в нем влаги; количество влаги в газе определяют по объему воды, выделившейся в холодильнике.

Спектрометрический метод использует зависимость поглощения излучений от влажности исследуемого газа (применяют инфракрасное, ультрафиолетовое и радиоактивное излучения).

Электрохимический метод основан на измерении электрического потенциала, возникающего в растворе (раствор Фишера) подвергнутого возгонке металлического йода, безводного пиридина и сухого сернистого ангидрида в метаноле при попадании в него воды:

I₂ + SО₂ + 2Н₂О 2 2J^– + SO₄^2- + 4Н⁺.

Метод теплопроводности основан на различии теплопроводности сухого и влажного газа.

Методы и приборы для измерения влажности твердых тел

Для определения влажности твердых и сыпучих тел применяют прямые методы, позволяющие определить непосредственно массу влаги или массу сухого вещества в навеске, и косвенные методы определения влажности измерением функционально связанной с ней величины. Характерная особенность прямых методов – высокая точность. Однако прямые методы длительны. Так, время высушивания навески до постоянной массы 5…15 ч.

Из прямых методов наибольшее распространение получили методы высушивания, экстракционные и химические.

Метод высушивания состоит в воздушно-тепловой сушке небольшой специально подготовленной навески материала до достижения равновесия с окружающей средой, что условно считают равноценным полному удалению влаги. Метод высушивания наиболее точный и его используют для поверки других методов. Влажность образца определяют по разности масс влажной и сухой навесок. Основная погрешность определения связана с неполным удалением влаги, потерей летучих компонентов и окислением вещества при сушке. Преимущество метода – простота и универсальность.

Экстракционный метод заключается в извлечении влаги из исследуемого образца водопоглощающей жидкостью (спирт, диоксан) с последующим определением характеристик жидкого экстракта (плотности, показателя преломления, температуры кипения или замерзания и т. п.), зависящих от его влагосодержания. Преимущество экстракционного метода – малое влияние на результаты определения влажности других физических характеристик материала (плотности, гранулометрического состава и др.). Недостатки метода – зависимость результатов от чистоты и дозировки водопоглощающей жидкости, большая длительность.

Химический метод предусматривает извлечение воды с помощью реагента, вступающего в химическую реакцию с влагой образца материала (например, СаС₂ + 2Н₂O Са(ОН)₂ + С₂Н₂). В качестве реагента применяют реактив Фишера, карбид кальция, обезвоженный метанол. Количество влаги в материале определяют по объему выделившегося ацетилена или повышению давления в сосуде постоянного объема.

Общие недостатки прямых методов – необходимость отбора и специальной подготовки проб материала, периодичность и большая длительность процесса контроля; поэтому прямые методы используют главным образом в лабораторных исследованиях, а также при градуировке и поверке промышленных влагомеров.

Косвенные методы характеризуются быстрым определением влажности, но по точности значительно уступают прямым методам. В производственных условиях, когда требуется выполнять много анализов в короткое время, отдают предпочтение косвенным методам. Только эти методы позволяют автоматизировать контроль влажности.

К косвенным относятся следующие основные методы: кондуктометрический, диэлькометрический, сверхвысокочастотный, оптический, ядерного магнитного резонанса, термовакуумный, теплофизический.

Кондуктометрический метод

Зависимость электрического сопротивления от влажности для капиллярно-пористых материалов выражается показательной функцией вида

,

где R_x – величина сопротивления пористого материала; А – постоянная, зависящая от исследуемого материала; W – влажность материала, %, по массе; п – показатель степени, зависящий от структуры и природы исследуемого материала (для различных материалов колеблется в широких пределах).

Рис. 3. Зависимость электрического сопротивления от влажности материала

Диэлькометрический метод основан на том, что диэлектрическая проницаемость e и тангенс угла диэлектрических потерь tgj твёрдых капиллярно-пористых материалов, относящихся к макроскопически неоднородным диэлектрикам, в большой степени зависит от их влажности. Присутствие влаги в твердом материале в значительной степени изменяет комплексную диэлектрическую проницаемость. Диэлектрическая проницаемость большей части веществ зависит от температуры, поэтому при измерении влажности в лабораторных условиях преобразователи с целью поддержания постоянной температуры термостатируют, а в промышленных влагомерах должна быть предусмотрена автоматическая температурная компенсация.

Диэлькометрические влагомеры применяют, в основном, для лабораторного контроля разнообразных материалов. Метод ядерного магнитного резонанса основан на поглощении энергии радиочастотного магнитного поля ядрами атомов водорода (протонами) из состава воды, содержащейся в материале. По величине поглощения можно оценить влагосодержание.

Термовакуумный и теплофизический методы измерения влажности твёрдых материалов основаны на измерении параметров температурной кривой материала в процессе десорбции влаги в вакууме.

Теплофизический метод основан на использовании зависимости температуры образца материала в процессе или после нагрева от влажности, т.е. на оценке влажности материала по энергии, затраченной на испарение воды из него при интенсивной контактной сушке постоянным потоком теплоты.

Оптический метод анализа состава материалов основан на измерении потока излучения после взаимодействия его с контролируемым материалом.

Анализ состава материалов оптическими методами основан на измерении потока излучения после взаимодействия его с контролируемыми материалами. Преимуществом оптического метода является бесконтактность измерения, возможность установки непосредственно в технологических потоках, возможность измерения влажности в больших диапазонах. Недостатком оптического метода измерения влажности по отражению является то, что информацию можно получить лишь с верхнего слоя толщиной 5…30 мм.

Сверхвысокочастотный метод измерения влажности основан на том, что проходящие через влажный образец радиоволны ослабляются и замедляются. Это в свою очередь приводит к изменению амплитуды E₀ и сдвигу фаз Dj. Зависимости E₀ и Dj от влажности получают в процессе градуировки прибора.

Поиск по сайту: