Вимірювання вологості твердих та сипких речовин
ГОУВПО «Тамбовський державний технічний університет»
з дисципліни: «Інформаційно-вимірювальна техніка»
«Вимірювання вологості твердих та сипких речовин»
Виконав студент групи: ІС-41з Феррер А.А.
Перевірив викладач: Мордасов М.М.
Управління технологічними процесами лише за такими параметрами, як тиск, рівень, витрата та температура, часто не гарантує отримання продуктів необхідної якості. У багатьох випадках необхідний автоматичний контроль складу та властивостей вироблюваних продуктів. Прилади такого контролю це автоматичні аналізатори вологості, в'язкості, концентрації, щільності, прозорості тощо.
Більшість автоматичних аналізаторів, що випускаються промисловістю, призначено для визначення складу і властивостей бінарних і псевдобінарних сумішей. Бінарною сумішшю називають газову суміш, що складається з двох газів, або рідина, що містить один розчинений компонент. Аналіз бінарної суміші можливий за умови, що складові її компоненти відрізняються один від одного будь-якими фізичними або фізико-хімічними властивостями. Псевдобінарною називають багатокомпонентну суміш, в якій компоненти, що не визначаються, різко відрізняються за фізичними або фізико-хімічними властивостями від визначеного компонента. Аналіз такої суміші аналогічний аналізу бінарної суміші.
Аналіз багатокомпонентних сумішей, що містять три і більше компоненти, проводять тільки після їх попереднього поділу на окремі компоненти.
Специфічною особливістю аналітичних вимірів є сильний вплив на їх результати побічних факторів (температури, тиску, швидкості руху речовини тощо). Ці фактори особливо впливають на точність такиханалітичних приладів, принцип дії яких заснований на використанні якоїсь однієї властивості речовини (електропровідності, теплопровідності, магнітної або діелектричної проникності та ін.). Тому автоматичні аналізатори зазвичай оснащені складним додатковим обладнанням для відбору проби, підготовки до аналізу, стабілізації умов вимірювань або автоматичного введення поправки і т.п.
Різноманітність аналізованих речовин та широкий діапазон їх складів та властивостей зумовили виробництво автоматичних приладів із надзвичайно різноманітними методами аналізу. Приладобудівна промисловість випускає різноманітні автоматичні аналізатори: густиноміри, віскозиметри, газоаналізатори, вологоміри, хроматографи, нефелометри тощо. зазвичай для специфічних завдань конкретного виробництва.
Класифікація за методами вимірів
Вимірювачі вологості за методами вимірювань прийнято ділити напряміінепрямі. У вимірювачах вологості, що використовують прямі методи, проводиться безпосередній поділ матеріалу на суху речовину і вологу. У вимірниках вологості, що використовують непрямі методи, вимірюється величина, функціонально пов'язана з вологістю матеріалу. Непрямі методи вимагають попереднього градуювання з метою встановлення залежності між вологістю матеріалу та вимірюваною величиною.
Принцип роботи вимірювачів вологості, що базуються на прямому методі вимірювання, полягає в безперервному визначенні маси проби привисушуванні. У цих приладах сушіння закінчують, якщо два послідовні зважування досліджуваного зразка даютьоднакові чи дуже близькі результати. Так як швидкість сушіння поступово зменшується, передбачається, що при цьому видаляється майже вся волога, що міститься у зразку. Далі вимірювач вологості порівнянням маси проби до та після висушування визначає значення масової частки вологи (або маси сухої речовини) у пробі. Тривалість вимірювання цим методом зазвичай становить від 0,5 години до декількох годин. У прискорених методах сушіння ведеться протягом певного, значно більш короткого проміжку часу за підвищеної температури (наприклад, стандартний метод вимірювання вологості зерна полягає в сушінні розмеленої навішування при +130 градусів протягом 40 хвилин).
Зазвичай подібні вимірювачі вологості виконують у вигляді настільного приладу, що складається з вагового пристрою, галогенного камери або інфрачервоного висушування і електронного блоку управління для реєстрації і обробки результатів вимірювань.
Вимірюванню вологості подібними приладами твердих і сипких матеріалів висушуванням притаманні такі методичні похибки:
а) при висушуванні органічних матеріалів поряд із втратами гігроскопічної вологи відбувається випаровування легколетких сполук; одночасно при сушінні в повітрі має місце поглинання кисню внаслідок окислення речовини, а іноді і термічне розкладання проби;
б) припинення сушіння відповідає не повному видаленню вологи, а рівновазі між тиском водяної пари в матеріалі і тиском водяної пари в повітрі;
в) видалення пов'язаної вологи в колоїдних матеріалах неможливе без руйнування колоїдальної частки і не досягається при висушуванні;
г) у деяких речовинах у ході сушіння утворюється водонепроникна кірка, що перешкоджає подальшому видаленню вологи.
Деякі із зазначенихпохибок можна зменшити сушінням у вакуумі при зниженій температурі або потоці інертного газу. Однак для подібного сушіння потрібно більш громіздка та складна апаратура, ніж для повітряно-теплової.
Тим не менш, вимірювачі вологості, що реалізують прямий метод вимірювань, є найточнішими, а при вимірюваннях залишкової вологості (менше 1%) їм немає альтернативи. До недоліків слід віднести їхню дорожнечу, високий час вимірювань і, найголовніше, цей метод є руйнівним (наприклад, щоб виміряти вологість дерев'яного виробу з нього необхідно вирізати зразок для вимірювань).
Непрямі методи вимірювання вологості
Найбільш поширеними вимірювачами вологості, що реалізують непрямі методи, єкондуктометричні,діелькометричні(ємнісні) інадвисокочастотні(НВЧ). Основою даних методів вимірювання вологості є залежність від вологості параметрів, що характеризують поведінку вологих матеріалів електричних полях.
Кондуктометричні вимірювачі вологості
Кондуктометричні вимірювачі вологості ґрунтуються на вимірі електричної провідності матеріалу. Вологовмісні матеріали, будучи в сухому вигляді діелектриками, в результаті зволоження стають провідними. Питомий опір вологих матеріалів змінюється залежно від вмісту вологи у надзвичайно широкому діапазоні, що охоплює 9-12 порядків. Такий широкий діапазон може негативно позначається на точності даних вимірювачів, особливо складно кондуктометричними вимірювачами вологості контролювати матеріали при малих вологості, коли електричний опір дуже великий і фактори, що заважають, вносять в нього велику похибку. Так, найпоширенішим матеріалом контролю для голчастих вологомірівє деревини. У найбільш важливому для контролю діапазоні 5…15% вона має електричний опір над 100 Мом. Точно виміряти такі опори - завдання не проста, тим більше отримати на основі цього точне значення вологості, враховуючи при цьому вплив на електропровідність структури матеріалу, форми пір, їх розмірів, характеру розподілу вологи, наявність на матеріалі, що вимірюється поверхневої вологості і будь-яких забруднень.
Діелькометричні вимірювачі вологості
Принцип роботи діелькометричних вимірювачів вологості заснований на залежності діелектричної проникності матеріалу від його вологості (бо діелектрична проникність води в багато разів вища, ніж у більшості матеріалів, здатних поглинати вологу, то діелектрична проникність вологого матеріалу дає достовірну інформацію про його вологість). За цим методом вимірюють ємність датчика, заповненого досліджуваним матеріалом (для сипучих), або ємність датчика поміщеного на поверхню, що вимірюється (для твердих матеріалів). Вимірювана ємність є функцією діелектричної проникності, і відповідно вологості контрольованого матеріалу.
До переваг діелькометричних вимірювачів вологості слід віднести контроль вологості в широкому діапазоні з високою точністю, оперативність вимірювань, відсутність пошкоджень на поверхні, що вимірюється після вимірювань. До недоліків – неможливість з високою точністю контролювати залишкову вологість менше 1…0,5%, але, наприклад, для будівельних матеріалів та деревини такої потреби немає.
Складність вимірювання вологості твердих сипких і волокнистих матеріалів полягає в тому, що при взаємодії датчика з матеріалом може змінюватися його структура, щільність насипна та інші фактори, що істотно збільшуютьпохибка приладу. Тому в промисловості знайшли застосування в основному безконтактні методи вимірювання: оптичний та надвисокочастотний.