Вимірювання вологості - частина 3, Авторська платформа
Метрологічна та інформаційна оптимізація будь-якого вологоміра чи гігрометра зводиться до вимоги найкращого виділення корисного сигналу з його суміші з шумами.
Зміна вихідного сигналу (див. рис. В-2) описується рівнянням
Призначенням вологоміра, як і будь-якої інформаційної системи, є найкраще пропускання корисного сигналу (dyfdW) dW при максимальному придушенні перешкод, що описуються іншими складовими правої частини рівняння (В-1). Мінімізація похибки досягається за умови, що чутливість вологоміра до змін вологості Sw=dy/dW максимальна, а чутливість до перешкод Sn=dy/dz+dy/du+dy/dv мінімальна.
Список літератури, наведений наприкінці книжки, включає, крім джерел, які стосуються окремих глав, також перелік основних робіт, які стосуються теми книжки загалом.
ТВЕРДИХ МАТЕРІАЛІВ І РІДИНЕЙ
ВОЛОГІСТЬ МАТЕРІАЛІВ г І МЕТОДИ ЇЇ ВИЗНАЧЕННЯ
1-1. ВОЛОГА В ТВЕРДИХ МАТЕРІАЛАХ
Вода має цілу низку особливостей будови та фізико – хімічних властивостей; однією з її аномалій є, наприклад, дуже висока діелектрична проникність. Ці особливості (докладно розглянуті нижче) використовуються для вимірювання вологості.
Матеріали, що містять вологу, є багатокомпонентними гетерогенними системами, в яких один з компонентів (вода) може перебувати в різних фазових станах. При вимірюваннях вологості необхідно брати до уваги фізико-хімічні властивості системи, які визначаються властивостями твердого скелета матеріалу, кількістю та властивостями вологи.
У неводних рідинах, наприклад, рідких вуглеводнях, містяться такі види вологи: а) вільна; б) розчинена (пов'язана); в) диспергована.
Водонафтові емульсії, як більшість реальних емульсій, є монодисперсными, а полидисперсными системами. За ступенем дисперсності (розмірами частинок води) емульсії можна розділити на три групи: а) грубодисперсні (раднус частинок г = = 25-^-50 мкм); б) середньодисперсні (г = 10ч-25 мкм); в) тонкодисперсні (/==0,1-5-10 мкм).
За даними [Л. 1-1] функція розподілу частинок води у водо – нафтової емульсії за розмірами, визначена методами седиментації у гравітаційному полі та мікрофотографуванням, добре апроксимується Г-функцією. Ступінь дисперсності є першою властивістю емульсії, що має істотне значення для різних фізичних методів визначення її вмісту вологи. У ряді методів впливаючим є також форма дисперсних частинок — ступінь їх відхилення від ідеальної, сферичної форми.
Другим параметром емульсій, важливим для вологометрії, є їхня стійкість, яка залежить від природи вуглеводню, наявності поверхнево-активних речовин (емульгаторів) на межі дисперсної фази, концентрації води та температури емульсії.
Стійкість емульсії залежить від способу її підготовки, зокрема тривалості емульгування. Цей фактор також впливає на ступінь дисперсності емульсії; збільшення часу емульгування зрушує максимум функції розподілу у бік дрібнокрапельної фракції та одночасно підвищує монодисперсність емульсії.
Кордоном між мікро- і макрокапілярами умовно вважають радіус капіляра, що дорівнює 0,1 мкм. Капіляріопористі тіла мають пори різних розмірів. Якщо дисперсія функції розподілу пір за розмірами дорівнює нулю, структура тіла монокапілярна; ця умова рідко виконується у реальних матеріалів, структура яких є полікапілярною.
Для виміріввологості важливе значення мають види та форми зв'язку вологи з речовиною, що впливають на властивості вологовмісного матеріалу.
■З відомих класифікацій видів та форм зв'язку вологи найчастіше використовується запропонована П. А. Ребіндером, заснована на величині енергії зв'язку Е. За цією класифікацією (з деякими доповненнями М. Ф. Казанського [Л. 1-2]) всю вологу колоїдного капілярнопористого тіла можна розділити на такі види та форми (у порядку наростання величини Е): у
I. Вільна вода.
ІІ. Волога капілярнозв'язана (фізико-механічного зв'язку): 1) волога капілярного стану в макропорах; 2) стикова волога макропор; 3) капілярна волога мікропор.
ІІІ. Волога адсорбційно пов'язана (фізично-хімічного зв'язку): 1) волога полімолекулярної адсорбції; 2) волога мономолекулярної адсорбції.
IV. Вода хімічно пов'язана (хімічний зв'язок).
Найбільш міцно утримується хімічно зв'язана вода (гідратна або кристалогідратна). Її молекули входять до складу основної речовини та звільняються лише хімічною взаємодією чи прожарюванням.
Адсорбційно зв'язана вода утворюється в результаті дії молекулярного силового поля. На початковому етапі сорбції на зовнішніх та внутрішніх поверхнях тіла створюється мономолекулярний шар, що найбільш міцно пов'язаний з поверхнею адсорбенту; потім він сорбує другий шар, третій тощо; наступні шари пов'язані менш міцно.
До фізико-хімічного відноситься і осмотичний зв'язок - слабкий оборотний зв'язок, що має місце у рослинних клітин з концентрованим розчином, який через напівпроникну перегородку проникає вода з навколишнього середовища з менш концентрованим розчином.
Відомі методи виміру вологості по-різному реагують на форми зв'язку вологи. Методвисушування (і низка інших аналітичних методів) не враховує хімічно зв'язаної води. Для ді – елькометричного методу істотно та обставина, що хімічно пов'язана вода має значно меншу діелектричну проникність (за даними деяких дослідників еСв = =4,5ч-5,8), ніж вільна (е»81), причому еСв не залежить від частоти електричного поля та температури матеріалу. З інших фізичних методів вимірювання вологості форми зв'язку влати більшою чи меншою мірою розрізняють методи ядерного магнітного резонансу та нейтронний (див. § 5-1 та 5-2).
Більшість нормативних документів, що застосовуються на практиці (стандарти, технологічні інструкції тощо), ґрунтуються на обліку лише вільної вологи. Однак у багатьох випадках виникає необхідність отримання інформації про вологу різних видів зв'язку. Це стосується лише до експериментальних досліджень у ряді областей науки, але й до численних фізичних і технологічних процесів, як, наприклад, твердіння цементу і бетону, зв'язування вологи целюлозою, штучними волокнами, глиною і т.д. рослинних і тваринних клітин, вода бере участь у біохімічних процесах, про-
ходять на всіх етапах існування об'єкта, та її реакційна здатність залежить від міцності зв'язку з тканиною оболонки [Л. 1-3].
Завдання кількісного аналізу вологи різних форм, зв'язку досить складна; додаткові труднощі викликає і те, що в ряді процесів одна форма зв'язку поступово переходить в іншу.
Деяку інформацію про форми зв'язку вологи дають ізотерми сорбції, що описують взаємодію матеріалу з навколишнім повітрям у статиці. Цей природний сорбційний процес визначається головним чином ставленням парціальних тисків париповерхні матеріалу (рм) та у повітрі (рв).
Якщо рм, відбувається процес випаровування вологи з матеріалу (десорбція); при рм іг. м - областю його вологого стану.
Велике значення сорбційних проіесів при вимірюваннях вологості визначається, зокрема, тим, що ми в соцмережах: