Описание физической величины

Для характеристики содержания влаги в материалах применяются две величины: влагосодержание и влажность. Ранее эти величины назывались соответственно абсолютной и относительной влажностью.

Под влагосодержанием и понимается отношение массы влаги М, содержащейся в теле, к массе абсолютно сухого тела M₀:

U=M/M₀ (1)

 

Под влажностью W -понимается отношение массы влаги M, содержащейся в теле, к массе влажного ма­териала М₁.

 

W=M/(M+M₀) (2)

 

Иногда эти величины выражают через веса и в про­центах. В таком случае выражения (1) и (2) прини­мают вид:

 

U%=((P-P₀)/P₀)*100%

 

W%=((P-P₀)/P)*100%

где Р— вес влажного тела;

Р₀— вес абсолютно сухого тела.

Для указания содержания влаги в материале может быть применена любая из этих величин. Переход от од­ной величины к другой может быть осуществлен по со­отношениям:

 

W=U/(1+U) (3)

 

U=W/(1-W) (4)

Так, например, и=1 соответствует W=0,5. На рис. показана зависимость между U и W, построенная по соот­ношениям (1-4).

В определенных отраслях промышленности для указа­ния содержания влаги в материале применяются влагосодержание U или влажность W в зависимости от устано­вившихся традиций. Большей частью в теоретических исследованиях и расчетах содержание влаги задается влагосодержанием и; в производственных услови­ях в экспериментах для той же цели чаще приме­няют влажность W.

При измерениях влаж­ности необходимо учиты­вать формы ее связи с материалом, а также осо­бенности гигротермического равновесия мате­риала с окружающей воз­душной средой.

Естественные и про­мышленные влагосодержащие материалы отно­сятся к коллоидным, ка­пиллярно-пористым или капиллярно-пористым ко­ллоидным телам. К коллоидным телам принадлежат эластичные гели, студни, желатины, мучное тесто и т. д. Примером капиллярно-пористых тел являются квар­цевый песок, слабо обожженные керамические материалы и т. д. Большинство влажных материалов являются кол­лоидными, капиллярно-пористыми телами. Коллоидные те­ла характеризуются малыми размерами капилляров, близкими к радиусу действия молекулярных сил, и могут рассматриваться в общем случае также как капиллярно-пористые тела. Способность материалов поглощать и отда­вать влагу определяется, с одной стороны, свойствам и твер­дого «скелета» материала, а с другой - формой связи с ним влаги. На первую группу свойств наибольшее влияние оказывают размеры капилляров. Разли­чает три группы капиллярно-пористых тел: микрокапил­лярные, макрокапиллярные и гетеропорозные. У первых радиус капилляров меньше 10^-5 см, у вторых - больше этой величины, у третьих - капилляры имеют разные размеры. На перенос влаги внутри капиллярно-пористых тел влияют также форма капилляров, их расположение и соединение, а также механические свойства материалов.

Наиболее полная классификация форм связи влаги с ма­териалом дана П. А. Ребиндером, исходя из интенсивности форм связи. В зависимости от энергии, необходимой для удаления влаги из тела, связи делятся на химические, фи­зико-химические и физико-механические. К первой группе относятся наиболее сильные связи: ионная и молекулярная. При этих формах связи вода как таковая исчезает и ее мо­лекулы входят в состав нового вещества (гидратная вода). Химически связанная влага резко отличается по своим свойствам от свободной; ее нельзя удалить сушкой или отжатием.

К физико-химическим связям относятся адсорбционная и осмотическая связи. Первая характерна для гидрофиль­ных и гидрофобных тел; удаление влаги происходит испа­рением, десорбцией у гидрофильных тел или дезадсорбцией - у гидрофобных. Осмотическая связь имеет место у растительных клеток с концентрированным раствором, в которые вода проникает из окружающей среды, с менее концентрированным раствором.

При наиболее слабой связи - физико-механической - вода удерживается в неопределенных соотношениях. Связь может иметь структурный характер, например, в студне образующих веществах. В микрокапиллярах связь образуется поглощением воды из влажного воздуха или непосред­ственным соприкосновением материала с водой, в макрокапиллярах—поглощением воды прямым соприкоснове­нием. В обоих случаях вода механически удерживается адсорбционными силами у стенок. Основная масса воды, кроме связанной адсорбционно, сохраняет свои свойства. Условием нарушения связи является действие давления, превосходящего капиллярное. Наконец, связь смешиванием образуется в непористых смачиваемых телах прилипанием воды при ее соприкосновении с поверхностью тела. Удаление влаги, как и при структурной связи, производится испарением.

Разграничение влаги по форме ее связи с сухим мате­риалом представляет сложную задачу, хотя для этого был предложен ряд методов, основанных на использовании из­менения физических (в том числе и электрических) характеристик.

 

Описание и выбор метода измерения влажности

 

Методы измерения-влажности принято делить на пря­мые и косвенные. В прямых методах производится непо­средственное разделение влажного материала на сухое ве­щество и влагу. В косвенных методах измеряется другая величина, функционально связанная с влажностью мате­риала. Косвенные методы требуют предварительной калиб­ровки с целью установления зависимости между влажно­стью материала и измеряемой величиной.

 

1 Метод высушивания

 

Наиболее распространенным прямым методом является метод высушивания, заключающийся в воздушно-тепловой сушке образца материала до достижения равно­весия с окружающей средой; это равновесие условно счи­тается равноценным полному удалению влаги. На практи­ке применяется высушивание до постоянного веса; чаще применяют так называемые ускоренные методы сушки

В первом случае сушку заканчивают, если два последова­тельных взвешивания исследуемого, образца дают одина­ковые или весьма близкие результаты. Так как скорость сушки постепенно уменьшается, предполагается, что при этом удаляется почти вся влага, содержащаяся в образце. Длительность определения этим методом составляет обыч­но от нескольких часов до суток и более. В ускоренных методах сушка ведется в течение определенного, значитель­но более короткого промежутка времени, при повышенной температуре (например, стандартный метод определения влажности зерна сушкой размолотой навески при +130°С в течение 40 мин). В последние годы для ускоренной сушки ряда материалов стали применять инфракрасные лучи, а в отдельных случаях—диэлектрический нагрев (токи высокой частоты). Определению влажности твердых материалов высушиванием присущи следующие методические погрешности:

а) При высушивании органических материалов наряду с потерей гигроскопической влаги происходит потеря лету­чих; одновременно при сушке в воздухе имеет, место погло­щение кислорода вследствие окисления вещества.

б) Прекращение сушки соответствует не полному уда­лению влаги, а равновесию между давлением водяных паров в материале и давлением водяных паров в воздухе.

в) Удаление связанной влаги в коллоидных материалах невозможно без разрушения коллоидной частицы и не до­стигается при высушивании.

г) В некоторых веществах в результате сушки обра­зуется водонепроницаемая корка, препятствующая удалению влаги.

Некоторые из указанных погрешностей можно умень­шить сушкой в вакууме при пониженной температуре или в потоке инертного газа. Однако для вакуумной сушки требуется более громоздкая и сложная аппаратура, чем для воздушно-тепловой.

При наиболее распространенной сушке (в сушильных шкафах) имеются погрешности, зависящие от применяемойаппаратуры и техники высушивания. Так, например, результаты определения влажности зависят от длительности сушки, от температуры и атмосферного давления, при кото­рых протекала сушка. Температура имеет особенно боль­шое значение при использовании ускоренных методов, когда понижение температуры сильно влияет на количество удаленной влаги. На результаты высушивания влияюттакже форма и размеры бюкс и сушильного шкафа, рас­пределение температуры в сушильном шкафу, скорость движения воздуха в нем, возможность уноса пыли или мелких частиц образца и т. д. Для материалов, подвергаю­щихся перед определением влажности измельчению, боль­шое значение имеет убыль влаги в образце в процессе измельчения. Эта убыль особенно велика, если при размоле имеет место нагрев образца. С другой стороны, возможно поглощение влаги из окружающей среды в промежутках

времени между окончанием сушки и взвешиванием образца.

В итоге высушивание представляет собой чисто эмпири­ческий метод, которым определяется не истинная величина влажности, а некая условная величина, более или менее близкая к ней. Определения влажности, выполненные в неодинаковых условиях, дают плохо сопоставимые резуль­таты. Более точные результаты дает вакуумная сушка, выполняемая обычно в камере при пониженном давлении (25 мм рт. ст. и ниже) до постоянного веса.

 

2 Дистилляционный метод

 

В дистилляционных методах исследуемый об­разец подогревается в сосуде с определенным количеством жидкости, не смешивающейся с водой (бензол, толуол, ксилол, минеральное масло и т. д.), до температуры кипе­ния этой жидкости. Пары, проходя через холодильник, кон­денсируются в измерительном сосуде, в котором измеряет­ся объем, или вес воды. Дистилляционные методы в раз­личных модификациях и с использованием разных конструкций аппаратуры были разработаны для различных материалов, в том числе и для жидких. Однако дистилляционным методам также свойственны многие недостатки. Капли воды, остающиеся на стенках холодильника и тру­бок, вызывают погрешности в определениях. Применяемые растворители, как правило, огнеопасны, а аппаратурахрупка и громоздка.

Методы высушивания и дистилляционные приняты в качестве стандартных методов определения влажности большинства материалов.

 

3 Экстракционные методы

 

Экстракционные методы основаны на (извле­чении влаги из исследуемого образца твердого материала водопоглощающей жидкостью (диоксан, спирт) и определе­нии характеристик жидкого экстракта, зависящих от его влагосодержания: удельного веса, показателя преломления, температуры кипения или замерзания и т.п. В электриче­ских экстракционных методах измеряются электрические свойства (удельное сопротивление, диэлектрическая проницаемость) экстракта. Экстракционные методы дают наилучшие результаты в применении к материалам, мелко измельченным или обладающим пористой структурой, обеспечивающей проникновение экстрагирующей жидкости в. капилляры.

 

4 Химический метод

 

Основой химических (методов является обработка образца твердого материала реагентом, вступающим в химическую реакцию только с влагой, содержащейся в образце. Количество воды в образце определяется по количеству жидкого или газообразного продукта реакции. Наиболее распространенными химическими методами являются карбидный (газометрический) метод и применена реактива Фишера.

В первом методе измельченный образец влажного материала тщательно смешивают с карбидом кальция в избыточном количестве, причем имеет место реакция:

СаС₂ + 2Н₂0 =Са(ОН)₂ -\- С₂Н₂

Количество выделенного ацетиленового газа определяют измерением его объема или по повышению давление в плотно закрытом сосуде. Обычно прибор градуируют эмпирически, так как практически не вся вода участвует в реакции и количество выделенного ацетилена не соответствует уравнению реакции.

Менее распространен химический метод определению влажности по повышению температуры вследствие химической реакции реагента с влагой вещества; чаще всего в качестве реагента используется серная кислота. Повышение температуры смеси карбида кальция с материалом можно использовать также в карбидном методе, так как реакция воды с СаС₃ протекает с выделением тепла.

Иногда необходимо раздельное определение «поверхностной» и «внутренней» влажности материала. Кроме способов, основанных на удалении поверхностной влаги силикагелем, фильтровальной бумагой и т. п., можно применить предложенный И. К. Петровым метод, по которому предварительно взвешенную навеску материала опускают в воду измеряют ареометром, отградуированным в грам­мах (для данного материала), силу, действующую на на­веску, н по разности весов навески определяют вес поверх­ностной влаги.

 

5 Метод СВЧ-влагометрии

Из методов измерения влажности, применяемых в промышленности, только высокочастотная влагометрия может конкурировать по широ­те использования с СВЧ-методом. Преимуществами СВЧ-влагометрии являются: возможность бесконтактного измерения, относительная просто­та и дешевизна аппаратуры, а в ряде случаев и хорошие метрологические характеристики. Метод основан на измерении электрических параметров датчика с материалом или амплитуды или (и) фазы прошедшей или отра­женной волны в диапазоне до 30 ГГц. Различие высокочастотных и СВЧ-методов вызвано как соизмеримостью длины волны с минимальными характеристическими размерами объекта, так и особенностью поведения связанной воды в гигагерцевом диапазоне.

Одно из уникальных свойств воды - аномально высокая диэлектри­ческая проницаемость, вызванная тем, что оси 0-Н в молекуле воды имеют угол, близкий к 105°. Эта особенность, обусловленная законами квантовой механики, приводит к тому, что даже в отсутствие внешнего электрического поля молекула воды обладает собственным дипольным моментом. Ориентация полярной молекулы во внешнем поле отлична от ориентации неполярной молекулы при электронной или ионной поля­ризации, когда деформируется только электронное облако. При дипольной поляризации молекула поворачивается как единое целое, поэтому на процесс поляризации влияют энергия связи воды со скелетом и температура. Вращение молекулы отстает от вращающего момента, вызванного переменным электромагнитным полем, за счет сил трения, уменьшающих также и амплитуду результирующей поляризации. Это отставание удобно характеризовать временем релаксации, которое для воды равно 0,6*10-¹¹ с (Т = 293 К) и для льда 10"⁵ с (Т< 273 К) [2.3J. Полимеризация воды со скелетом вблизи поверхности твердой фазы при­водит к увеличению времени релаксации до 10^-9—10^-7 с. При совпадении частоты внешнего поля с собственной частотой диполей (область диспер­сии) возрастают потери и диэлектрическая проницаемость начинает зависеть от частоты.

 

6 Нейтронный метод

 

Нейтронный метод измерения влажности основан на замедлении быст­рых нейтронов при упругом столкновении их с атомами вещества. Так как массы ядра и нейтрона соизмеримы, то при упругом столкновении происходит уменьшение энергии нейтрона, равное энергии отдачи ядра. При столкновении с легкими атомами, в частности с атомами водорода. потеря энергии может быть весьма значительной. Анизотропный поток быстрых нейтронов, сохраняющий при прохождении через вещество свое первоначальное направление, превращается в изотропный поток тепловых нейтронов, которые можно регистрировать детектором, расположенным в непосредственной близости от источника быстрых нейтронов или в точке, удаленной на некоторое фиксированное расстояние.

В реальных средах, содержащих не только легкие, но и средние (с заря­дом Z > 35) ядра, быстрые нейтроны испытывают как упругие, так и неупругие столкновения, а затем, когда в результате столкновений нейт­рон потеряет большую часть энергии, он начнет терять энергию только на упругих столкновениях. В среде с легкими атомами роль неупругих столкновений значительно слабее. Так, замедляющая способность воды вычислена с учетом кислорода. Несколько большая замедляющая спо­собность у парафина. Высокую замедляющую способность углеводоро­дов объясняет сильное влияние органических примесей на точность при измерении влажности почв нейтронным методом. Используя свойство разной замедленности нейтронов в материалах, создаются нейтронные влагомеры.

 

7 Инфракрасные влагомеры

 

Известно, что в молекуле существуют два основных вида колебаний — валентные и деформационные. Колебания, в условиях которых атомы остаются на осях валентной связи, а расстояния между атомами периодически изменяются, называют валентным и. Под деформационными понимают колебания, в условиях которых атомы отходят от оси валентных связей. Поскольку энергия деформационных колебаний значительно меньше энергии валентных колебаний, то деформационные колебания наблюдаются при больших длинах волн.

Валентные и деформационные колебания создают основные, обладаю­щие наибольшей интенсивностью полосы поглощения, а также обертонные полосы, имеющие частоты, кратные основной. Интенсивность обертонных полос поглощения меньше интенсивности основных.

Разграничение спектров по характеру поглощения совпадает с энерге­тическим делением инфракрасной (ИК) области излучений на ближ­нюю область, соответствующую области обертонов, и среднюю, соот­ветствующую области основных колебаний.

Главной особенностью ИК-спектров является то, что поглощение излу­чения зависит не только от молекулы в целом, но и от отдельных групп присутствующих в этой молекуле атомов. Это положение является основополагающим для ИК спектрального анализа вещественного состава и определения количеств тех или иных групп атомов, присутствующих в исследуемом материале.

Получают и исследуют ИК-спектры с помощью специальных прибо­ров — спектрометров или спектрофотометров, в которых излучение ис­точника направляется на исследуемый образец через монохроматор, вы­деляющий из интегрального пучка излучений монохроматическое излу­чение той или иной длины волны.

Излучение, прошедшее через контролируемый материал, улавливает­ся приемником, а сигнал, формируемый приемником, усиливается и об­рабатывается электронным блоком. Обычно в видимой и ближней ИК-областях источниками излучения служат лампы накаливания, а приемника­ми — фоторезисторы, например PbS, GaS, InSb и т.п. В средней и дальней ИК-областях источниками излучений могут быть накапливаемые керами­ческие стержни, а приемниками - термопары, болометры и т.п.

Количественный анализ содержания в контролируемом материале того или иного компонента достаточно прост, если имеется полоса погло­щения данного компонента, не перекрывающаяся полосами поглощения других компонентов. Тогда глубина полосы хорошо коррелируют с кон­центрацией исследуемого компонента.

Прибор обычно регистрирует прозрачность характеризующую отношение потока, прошедшего через вещество, к потоку, падающему на вещество:

 

8 Кондуктометрические датчики

 

Капиллярно-пористые влажные материалы с точки зре­ния физики диэлектриков относятся к макроскопически неоднородным диэлектрикам. Их неоднородность обуслов­лена в первую очередь наличием вкраплений влаги в основ­ной (сухой) материал. Кроме того, подавляющее большин­ство естественных и промышленных материалов неодно­родно по своему химическому составу, содержит примеси, загрязнения и воздушные включения.

Для таких материалов характерно превалирующее влия­ние влажности на электрические свойства материала. Являясь в сухом виде изоляторами с удельным объемным сопротивлением Pv=10¹⁰—10¹⁵ ом-см и выше, в результа­те увлажнения они становятся проводниками: величина Py понижается до 10^-2—10^-3 ом-см. Удельное сопротивление изменяется, следовательно, в зависимости от влажности в чрезвычайно широком диапазоне, охватывающем 12—18 порядков. Неоднородность диэлектрика, наличие в нем влаги сказываются не только на величине удельной прово­димости, но и на качественных особенностях электропро­водности: на ее зависимости от температуры и напряжен­ности электрического поля.

 

9 Выбор метода

 

Для моего технического задания наиболее полно подходит кондуктометрический метод измерения влажности.

Метод высушивания очень надежен, но имеет большую погрешность и достаточно ограниченную область применения. Конструкция сушильных шкафов достаточно сложна и дорогостояща.

Дистилляционный метод, как уже оговаривалось, имеет много недостатков, таких как: огнеопасное и хрупкое оборудование, большая погрешность.

Экстракционный метод слишком сложн в своей постановке. Используются расходные материалы.

Химический метод в отличие от других методов учитывает содержание связанной воды в материале, достаточно прост, но использует расходные материалы.

СВЧ-технология измерения влажности надежна, позволяет бесконтактно измерять влажность материала, но по сравнению с кондуктометрическим методом более сложен в исполнении.

Нейтронный метод измерения влажности имеет очень маленькую погрешность (0,3-1%), удобен для измерения влажности почвы, бетона. Но слишком большой объем навески (слой 10-20см или сфера D=15-40см), влияние на показания органических примесей, фоновая радиоактивность, делает его не применимым к текущему техническому заданию.

Инфракрасный влагомер сложен. Требует дополнительное дорогостоящее оборудование (спектрометр, монохроматор).

В отличие от всех выше перечисленных методов кондуктометрические датчики являются очень чувствительными (изменение удельного сопротивления на 10-12 порядков), конструктивно легко выполнимы, не требуют дополнительно дорогостоящих приборов в большей степени отвечает моему техническому заданию, а главное дополнительному условию: измерение влажности сыпучих материалов.