Засоби вимірювання вологості

Вологість – показник вмісту води у фізичних тілах.

Вологість залежить від природи речовини, а у твердих тілах, крім того, від ступеня подрібненості чи пористості. Тому при виборі методу визначення вологості необхідно враховувати як форми її зв'язку з матеріалом, а й здатність матеріалу поглинати чи віддавати вологу.

Вимірювання вологості газів.

У повітрі (газах) вільна вода може бути у вигляді водяної пари (безбарвний прозорий газ без запаху), туману (рідка фаза) або твердої фази (кристали льоду). Кількість вологи, що міститься в повітрі, характеризується двома величинами - відносною і абсолютною вологістю. Абсолютна вологість показує кількість водяної пари, що міститься в одиниці об'єму повітря [г/м3 ]. Незважаючи на свою наочність, абсолютна вологість не дає уявлення про те, наскільки вологе повітря. Насичення газу парами води може бути як завгодно великим, т.к. цьому перешкоджає стан насичення - встановлення динамічної рівноваги між молекулами води, що випаровуються і конденсуються.

Кількість водяної пари, яка може утримуватися в повітрі, залежить від температури – чим вища температура, тим більше вологи може в ній знаходиться. Тому для визначення "сухості" повітря, від якої залежить інтенсивність випаровування вологи зі шкіри людини, з дерев'яних меблів і т.п., використовується відносна вологість - відношення парціального тиску парів води в повітрі до рівноважного тиску насиченої пари при даній температурі. (Еквівалентне визначення - відношення масової частки водяної пари в повітрі до максимально можливої).

Іноді вологість виражається температурою точкироси - температурою газу, при якій газ насичується водяною парою при даній кількості води.

СІ вологості називаютьсявологомірами абогігрометрами і класифікуються залежно від використовуваного методу вимірювань.

Психометричний гігрометр (психрометр). Принцип дії ґрунтується на залежності від вологості різниці температур сухого та зволоженого термометрів. Випаровування вологи з поверхні термометра супроводжується зниженням його температури. При цьому ступінь зниження залежить від інтенсивності випаровування і, зрештою, від «сухості» навколишнього повітря:

де Рм і Рс – тиск насиченої пари при температурах мокрого та сухого термометрів, Аφ – психрометричний коефіцієнт, Р – барометричний тиск, Тм і Тс – температури мокрого та сухого термометрів.

Переваги- простота конструкції, достатня точність, мала інерційність.

Недоліки- збільшення похибки при зниженні температури повітря, можливість застосування при температурах вище 0 ° С, залежність показань від швидкості обдування мокрого термометра. Зі збільшенням швидкості збільшується інтенсивність випаровування, але за V > 3м/с залишається практично постійною. Тому часто передбачають примусове обдування.

Ємнісні гігрометри. Дія заснована на зміні діелектричної проникності газу, що знаходиться між обкладками конденсатора, при зміні вмісту води. Чутливий елемент є діелектричною вологонепроникною підкладкою, на яку напиляються обкладки конденсатора.

Переваги- малі габарити (2х3 мм) та інерційність, широкий діапазон зміни робочих температур.

Недоліки- складна схема приладу, мале значенняємності (кілька пФ); залежність діелектричної проникності води від температури. Для компенсації впливу по периметру ЧЕ напилюється платиновий термометр опорів Rx (Т).

Волосяні гігрометри. Принцип дії ґрунтується на залежності довжини волосся від вологості: при зміні відносної вологості повітря від 40 до 90% волосся подовжується на 2,5%. Похибка – 5%. Швидкодія складає кілька хвилин і залежить від вологості та температури. Діапазон робочих температур мінус 10 до +50 °С.

Гігрометри точки роси. Принцип дії ґрунтується на вимірі температури, при якій починається конденсація вологи. Складається з металевого дзеркала, яке охолоджується елементом Пельтьє, джерела та приймача світла, Керованого Джерела Живлення, термопари та потенціометра.

При охолодженні дзеркала настає момент, коли на ньому починає конденсуватись волога з повітря. Краплі води, що утворюються на дзеркалі, збільшують розсіювання світлового потоку і, отже, зменшують його частину, що потрапляє на фотоприймач. Це, у свою чергу, призводить до зменшення напруги живлення холодильника та підвищення температури дзеркала доти, доки вода не випарується. Таким чином, температура дзеркала стабілізується біля точки роси, що вимірюється потенціометром. Значення вологості відображається в градусах.

Вимірювання вологості сипучих матеріалів.

Складність вимірювання вологості твердих сипких і волокнистих матеріалів полягає і в тому, що при взаємодії датчика з матеріалом може змінюватися його структура, щільність насипна та інші фактори, що істотно збільшують похибку приладу.

Методи визначення вологості твердих та сипких матеріалів (поділяються на прямі та непрямі) більш численні тарізноманітні через різноманітність як форм зв'язку води та речовини, так і будови самої речовини.

Зв'язки, залежно від величини енергії, необхідної для її руйнування, поділяються на хімічні, фізико-хімічні та фізико-механічні.

Хімічні– найбільш сильні іонні та молекулярні зв'язки, при яких молекули води не існують самостійно. Цю вологу не можна видалити висушуванням. А її видалення пов'язане із руйнуванням молекули самої речовини.

Фізико-хімічні– адсорбційний та осмотичний зв'язки. При адсорбції під дією сил міжмолекулярної взаємодії на поверхні твердої речовини утворюється мономолекулярний шар води, який знаходиться під великим тиском. Вода в цьому шарі має ряд властивостей:

Нездатність до розчинення електролітів, що призводить до різкого збільшення питомого опору,
Підвищена щільність – 1,5 г/см2,
Знижена температура замерзання – мінус 70 ºС.

Наступні шари пов'язані менш міцно та його властивості наближаються у міру видалення властивостям вільної води.

Осмотичний зв'язок має місце у рослинних клітин.

Фізико-механічна- найбільш слабка. Вода утримується під впливом капілярних сил.

Прямі методи засновані на безпосередньому вимірі кількості вологи, що міститься в матеріалі. Вони характеризуються високою точністю, але через тривалість використовуються переважно при лабораторному аналізі. До них відносяться:

Метод висушуванняпри підвищеній температурі або у вакуумі. Недоліки – неможливість видалення зв'язаної води, можливість випаровування частини води під час підготовки зразка, окислення матеріалу.
Екстракційний. Заснований на витягуваннівологи з матеріалу водопоглинаючої рідиною (спирт, діоксан) та визначення кількості води в екстракті щодо зміни його фізичних властивостей (щільності, коефіцієнта заломлення, температури кипіння та ін.). Перевага – короткий час аналізу. Недолік – залежність результату від чистоти та кількості екстрагента.
Хімічний. Заснований на застосуванні речовин, що вступають у хімічну реакцію з водою, що міститься у пробі. Кількість продуктів реакції, що утворилися, залежить від вологості. Наприклад, герметичну ємність з вологим піском додають карбід кальцію, який при взаємодії з водою виділяє ацетилен. Внаслідок цього тиск у системі підвищується пропорційно до вологості. Недолік – аналогічний до екстракційного методу.

Непрямі методи засновані на вимірі параметрів, що залежать від вологості. Вони характеризуються високою швидкістю аналізу, та їх точність нижче, ніж прямих методів, тому використовують у технологічних вимірах.

Кондуктометричні гігрометри. Принцип дії ґрунтується на залежності електропровідності матеріалу від вологості. Більшість неметалевих матеріалів у сухому вигляді є хорошими діелектриками з питомим опором більше 1010 Ом·див. При зволоженні їх опір зменшується на багато (10-15) порядків, що пояснюється не тільки провідністю води, а й дисоціюючим впливом на електроліти, що містяться в матеріалі.

При малій вологості опір різко зростає і стає порівнянним із опіром ізоляції проводів, а при великій – чутливість методу різко падає. При вимірі вологості сипучих матеріалів необхідно враховувати, що опір залежить від ступеня ущільнення.

Діелькометричні гігрометри. Принцип діїзаснований на залежності від вологості діелектричної проникностіε речовини або тангенсу кута діелектричних втрат. ЧЕ є плоским або циліндричним конденсатором, між обкладками якого поміщають досліджуваний матеріал. На результат вимірів істотно впливає температура. При вимірі вологості сипучих необхідно враховувати співвідношення обсягів твердого і вологого речовини, і навіть повітря (гранулометричний склад), т.к. їхε можуть значно відрізнятися. Діапазон вимірювань від 0% до 40% при похибці від 1% до 5%.

Надвисокочастотні (НВЧ) гігрометри. Принцип дії заснований на залежності ступеня згасання та зсуву фази хвилі, що проходить через матеріал (або відбитий від матеріалу), від вологості. Для більшості матеріалів ступінь загасання пов'язаний з вологістю співвідношенням:

де k – константа,l – товщина шару,α – коефіцієнт загасання,ρ – щільність матеріалу, W – вологість.

p align="justify"> Графік залежності зсуву фази від вологості має характерний злам, що пояснюється зміною форми зв'язку води з матеріалом.

Недоліком є залежність показань від густини матеріалу та товщини шару. Зменшити цю залежність можна вимірюючи одночасно згасання та зсув фази. Істотно впливає на результат і температура, у схему приладу вводиться канал температурної корекції. Діапазон вимірів 0 – 100% із похибкою від 0,5% до 5%.

Інфрачервоні гігрометри. Принцип дії ґрунтується на інтенсивному поглинанні водою ІЧ випромінювання з довжиною хвилі 1,95 мкм. Т.к. ІЧ випромінювання сильно поглинається навіть тонкими шарами матеріалу, то переважно використовується відображення ІЧ хвилі. Гігрометр складається з двох джерел ІЧ випромінювання зλ1 = 1,95 іλ2 =1,75. ІЧ промені зλ2 слабо поглинаються, тому співвідношення амплітуд відбитих хвиль пропорційно вологості. Діапазон вимірів – від 0,3 до 7%. Похибка до 10%. Перевага – відсутність контакту з вимірюваним матеріалом, можливість контролю вологості у потоці.