Методы измерения влажности

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГОУ ВПО «ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ –

УЧЕБНО-НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ КОМПЛЕКС»

 

 

Кафедра «Приборостроение, метрология и сертификация» 

 

  Допустить к защите

« ___ » ______ 2013 г.

__________________

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту

по дисциплине «Методы  и средства измерений, испытаний  и контроля»

тема курсового проекта: «Методы измерения влажности»

 

 

Студент: Иванов И.В

Группа:   31-УК

Специальность:   220501 «Управление качеством»              

 

Руководитель: Марков В.В.     _____________    ____________

                                                                                   (подпись)                           (дата)

 

Члены комиссии:                    _____________    ____________

                                                                                (подпись)                              (дата)

 

 

                                                                        Орёл 2013

Содержание

 

Введение

 

Влажность характеризует  содержание в физических телах воды. Влажность зависит от относительной влажности окружающей среды, от природы вещества, а в твёрдых телах, кроме того, от степени измельчённости или пористости, точнее, от общего размера внутренних и внешних поверхностей тела. Содержание химически связанной, так называемой конституционной воды, например гидроокисей, выделяющейся только при химическом разложении, а также воды кристаллогидратной не входит в понятие влажность.

Влажность обычно характеризуется  количеством воды в веществе, выраженным в процентах от первоначальной массы влажного вещества (В. по массе, кг) или её объёма (объёмная В, м³). Влажность можно характеризовать также влагосодержанием, или абсолютной влажностью — количеством воды, отнесённым к единице массы сухой части материала (кг/м³). Установление степени влажности многих продуктов, материалов и т.п. имеет важное народно-хозяйственное значение. Только при определённой влажности многие тела (зерно, цемент и др.) являются пригодными для той цели, для которой они предназначены. Жизнедеятельность животных и растительных организмов возможна только при определённых границах влажности и относительной влажности окружающей атмосферы.

Относительная влажность  — отношение парциального давления паров воды в газе (в первую очередь, в атмосферном воздухе) к равновесному давлению насыщенных паров при данной температуре. Обозначается греческой буквой φ.

Для измерения влажности  могут использоваться следующие  серийно выпускаемые приборы: ИВДМ-2; поверхностный зонд ЗП-02; измеритель влажности строительных материалов Влагомер - МГ4; гигрометры психрометрические ВИТ-1, ВИТ-2, ВИТ-3 и другие.

1 ОБЗОР МЕТОДОВ  ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ

 

1.1 Группы методов измерения влажности

 

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

 

1.2 Прямые методы измерения

 

1.2.1 Термогидравлический  метод

Наиболее распространенным методом является метод высушивания (термогидравлический), заключающийся  в воздушно-тепловой сушке образца материала до достижения равновесия с окружающей средой; это равновесие условно считается равнозначным полному удалению влаги. На практике применяется высушивание до постоянного веса; чаще всего применяют так называемые ускоренные методы сушки. В первом методе сушку заканчивают, если два последовательных взвешивания исследуемого образцадают 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 ^оС в течение 40 мин).

Определению влажности твердых  материалов высушиванием присущи следующие  методические погрешности:

а) при высушивании органических материалов наряду с потерями гигроскопической влаги происходит потеря летучих; одновременно при сушке в воздухе имеет место поглощение кислорода вследствие окисления вещества, а иногда и термическое разложение пробы;

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 коллоидальной частицы  и не достигается при высушивании;

г) в некоторых веществах  в ходе сушки образуется водонепроницаемая  корка, препятствующая дальнейшему  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 распространенном методе сушке (в сушильных шкафах) имеются погрешности, зависящие  от применяемой аппаратуры 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 влияют также 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.

В итоге, высушивание исследуемого образца 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. Значительно более точные результаты дает вакуумная сушка, выполняемая обычно в камере при давлении 25 мм рт. ст. и ниже до постоянного веса.

 

1.2.2 Дистилляционные методы

В дистилляционных методах измерения влажности образец подогревается в сосуде с определенным количеством жидкости, не смешивающейся с водой. Выделяющиеся пары воды вместе с парами жидкости подвергаются отгонке и, проходя через холодильник, конденсируются в измерительном сосуде, в котором измеряется объем или масса воды. Таким образом, дистилляционные методы позволяют измерять абсолютную влажность.

 

1.2.3 Экстракционные методы

Экстракционные методы основаны на извлечении влаги из исследуемого образца водопоглощающей жидкостью и определении характеристик жидкого экстракта, зависящих от его влагосодержания - плотности, показателя преломления, температуры кипения или замерзания и т.д.

 

1.2.4 Химические методы

Основой химических методов  является обработка образца реагентом, вступающим в химическую реакцию  только с влагой, содержащейся в  образце. Количество воды в образце определяется по количеству жидкого или газообразного продукта реакции. Так для зерна можно использовать титрирование К. Фишера.

 

 

1.3 Косвенные методы измерения влажности

 

1.3.1 Механический метод

Косвенные методы измерения  влажности основаны на оценке влажности образцов по изменению их физических свойств. Одним из косвенных методов измерения влажности является механический метод.

Механический метод основан на измерении изменяющихся с влажностью механических характеристик твердых материалов (сопротивление раздавливанию зерна, длина сухого и влажного волоса).

 

1.3.2 Радиометрические методы

Радиометрические методы базируются в основном на современных  способах исследования состава, структуры  и свойств вещества, использующих взаимодействие различных видов электромагнитных колебаний и ядерных излучений с исследуемым веществом. В радиометрических (ядерно-физических) методах используются различные виды ядерных излучений (гамма-лучи, бета-частицы, быстрые нейтроны) и взаимодействий (поглощение и рассеяние гамма- и бета-излучения, упругое рассеяние быстрых нейтронов). Так, например, в основе гамма-методов лежит ослабление интенсивности гамма- излучения твердой фазой и влагой зерна в результате рассеяния и поглощения атомами вещества.

 

1.3.3 Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР)

В основе метода ядерного магнитного резонанса (ЯМР) лежит резонансное поглощение радиочастотной энергии ядрами атомов водорода (протонами) воды при помещении влажного материала а постоянное магнитное поле. Явление ЯМР связано с квантовыми переходами между зеемановскими энергетическими уровнями атомных ядер, возникающими в результате взаимодействия ядерного магнитного момента с внешним магнитным полем.

 

1.3.4 Оптические методы

Оптические методы основаны на зависимости оптических свойств  материалов от их влагосодержания. Для  твердых материалов используется инфракрасная и видимая области спектра.

 

1.3.5 Теплофизические методы

Теплофизические методы основаны на зависимости от влажности материала его теплофизических свойств - коэффициента теплопроводности, удельной теплоемкости и коэффициента температуропроводности.

 

1.3.6 Электрические методы измерения влажности

Основой электрических методов  измерения влажности является зависимость от влажности параметров, характеризующих поведение влажных материалов в электрических полях. Кондуктометрические методы основаны на измерении электрической проводимости материала на постоянном токе и переменном токе промышленной или звуковой частоты.

Влагосодержащие материалы, являясь в сухом виде диэлектриками, в результате увлажнения становятся полупроводниками. 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 напряженности электрического поля и температуры.

Электропроводность твердого материала определяется электролитами, растворенными в воде; эти электролиты  содержатся главным образом в  самом материале. При этом характер зависимости удельной электропроводности материала от содержания влаги определяется распределением влаги в нем, зависящим в свою очередь от пористой структуры материала, формы пор, их размеров и характера распределения.

В диэлькометрическом методе чаще всего используется средневолновой и коротковолновой диапазоны частот или сверхвысокие частоты.

Поведение диэлектрика в  синусоидальном электромагнитном поле характеризуется величинами комплексной  диэлектрической и магнитной  проницаемостей. У влажных материалов, не содержащих ферромагнетиков, величина (магнитной проницаемости пустоты) и их электрические свойства в слабых переменных электрических полях можно описать двумя параметрами. При измерении влажности используются следующие пары величин:

а) вещественная и мнимая составляющие комплексной диэлектрической проницаемости;

б) диэлектрическая проницаемость  и тангенс угла диэлектрических  потерь;

в) диэлектрическая проницаемость  и удельная проводимость (ее активная составляющая).

Рассмотрим методы СВЧ-влагометрии, которые классифицируют на:

- методы, основанные на  измерении характеристик поля  стоячих волн;

- методы, основанные на  измерении характеристик поля  волн, прошедших через влажный материал (оптические методы).

К первой группе методов  относятся:

а) метод, основанный на измерении  поля стоячей волны в образце  исследуемого диэлектрика. Основывается на вычислении диэлектрической проницаемости влажного материала, которая является функцией влагосодержания, по результатам измерения величины фазовой части постоянной распространения. Практически измерения сводятся к определению длин волн в системе без диэлектрика и с диэлектриком.

б) метод, основанный на изучении поля стоячих волн, возникающих при  отражении электромагнитной энергии  от образца исследуемого материала. Сущность метода состоит в определении постоянной распространения в образце измеряемого материала путем изучения картины распределения стоячей волны на участке линии, не заполненной диэлектриком;

в) метод, основанный на использовании  волн, отраженных от поверхности измеряемого образца. В этом случае для определения диэлектрической проницаемости используют параметры волны, возникшей в результате взаимодействия падающей и отраженной волн;

г) резонансный метод основан на измерении параметров резонатора при внесении в него исследуемого материала. Измеряя частоты резонатора, определяют диэлектрическую проницаемость , а измеряя ее добротность, определяют коэффициент потерь.

Вторая группа методов  основана на исследовании характеристик  электромагнитной волны, прошедшей через образец испытуемого материала, путем сравнения с характеристиками волны, распространяющейся по другому пути, или волны, распространяющейся по тому же пути, но при отсутствии материала. Измерения сводятся к определению комплексного коэффициента передачи участка направляющей системы, заполненной исследуемым веществом (коэффициентов поглощения и отражения, как функции влагосодержания). Такой системой может являться как волновод, частично или полностью заполненный материалом, так и область свободного пространства, в которой распространяются электромагнитные колебания СВЧ.

Оптические методы получили наибольшее распространение, поскольку их характерной особенностью является бесконтактность измерений, возможность интегральной оценки влажности в больших объемах (большая информационная емкость метода).

 

2 ОБЗОР ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

 

2.1 Механические преобразователи влажности

 

2.1.1 Конденсационный гигрометр

Принцип действия конденсационного гигрометра основан на явлении «точка росы». Тело, температуру которого в любой момент времени можно измерить, постепенно охлаждают до появления росы или инея на его поверхности. Затем процесс стабилизируют таким образом, чтобы между воздухом и каплями росы поддерживалось равновесное состояние. Измеряемая температура представляет собой, следовательно, «точку росы», Td (индекс d соответствует английскому dew point) или «точку инея», Tf (f от английского frost point). Начиная именно от этой точки росы, определяют давление пара во влажном воздухе.

Гигрометры на основе точки  росы приобрели достаточную точность и стали конкурентоспособными после их автоматизации. На рисунке 3.1 изображена конструкция гигрометра и электрическая принципиальная схема его включения.

Основными элементами гигрометра являются зеркало и система регулирования его температуры, датчик для измерения температуры зеркала (платиновый термометр сопротивления или термопара), источник светового пучка и оптический детектор.

Источник света освещает металлическое зеркало таким  образом, чтобы в отсутствие конденсата свет на детектор не попадал. Затем  производится охлаждение зеркала (эффект Пельтье, блок охлаждения, сухой лед, жидкий азот и т.п.) вплоть до появления конденсации. При появлении слоя росы или инея рассеянный свет попадает на детектор, который через систему подстройки дает команду на подогрев зеркала. При повышении температуры роса исчезает и исчезает также рассеянный свет, что вновь приводит к охлаждению зеркала. С помощью надлежащей настройки можно получить слой конденсата определенной толщины и достичь, таким образом, равновесного состояния между паром и его конденсатом. Датчик температуры, прикрепляемый к обратной стороне зеркала, позволяет измерить его температуру.

1 – источник  света; 2 – фоточувствительные детектор; 3 – регулятор; 4 – блок для  охлаждения и нагрева; 5 – датчик  температуры; 6 – зеркало; 7 – питание; 8 – оптический блок; 9 – термистор; 10 – фоторезистор; 11 – окно; 12 –  зеркало; 13 – газ; 14 – ыоды датчика температуры; 15 – охлаждение; 16 – терморезистор

а – принципиальная схема; б – конструкция гигрометра

Рисунок 3.1 – Конденсационный гигрометр

 

К числу факторов, влияющих на точность гигрометра относятся следующие. Градиенты температуры, утечки тепла. Согласно теоретическому определению, температура точки росы относится к границе раздела воздух - вода. В материале между этой поверхностью и датчиком температуры, закрепленным с обратной стороны зеркала, существует градиент температуры. Дополнительная погрешность вносится теплопроводностью проводов датчика и саморазогревом датчика при использовании платинового термометра сопротивления. Следует, однако, отметить, что все это – систематические погрешности, которые можно учесть при градуировке гигрометра.

Точка росы и точка инея. При точке росы ниже 0 °С вода может находиться в виде льда либо переохлажденной жидкости. Таким образом, для одинаковых массовых отношений влаги возможны два равновесных состояния, соответствующие различным равновесным парциальным давлениям. Поэтому при данном массовом отношении влаги температура точки росы и температура появления инея могут быть различными, и этим различием нельзя пренебречь. Если осажденный слой содержит примеси, то этот эффект не проявляется. Его можно избежать различными способами, например, вибрацией зеркала или охлаждением до очень низких температур, чтобы наверняка попасть в твердофазную область, с последующим повышением температуры до точки инея.

Фазовый переход вода –  лед необязательно происходит около 0 °С. Некоторые приборы могут функционировать в воде, переохлажденной до температур ниже –10 °С. Некоторые гигрометры снабжены средствами оптического наблюдения зеркала, какой бы ни была температура точки росы.

Снос характеристики системы  детектирования. Детектор и связанный  с ним блок электроники имеют  очень высокую чувствительность. Необходимо регулярно производить  градуировку гигрометров для  компенсации:

–       дрейфа системы детектирования;

–       влияния  загрязнений на поверхности зеркала, рассеивающих свет;

–       появления  дефектов на поверхности зеркала (царапин  в результате чистки).

Для градуировки испаряют всю росу или иней и производят автоматическую компенсацию изменения отражающей способности зеркала (обусловленного главным образом загрязнением зеркала).

Рассмотрим метрологические характеристики гигрометра.

Конденсационный гигрометр  – единственный прибор, рабочий  диапазон измерений которого достаточно широк: от –70 °С до +100 °С (в ряде случаев даже выше). Некоторые гигрометры этого типа предусматривают возможность функционирования при температурах вплоть до 180 °С для измерения точки росы кислот или для проведения измерений под давлением.

Точность определения  точки росы зависит, с одной стороны, от точности измерения температуры, а с другой – от различных систематических  погрешностей. Некоторые модели приборов имеют паспортную погрешность не более ± 0,2 °С. Такая точность требует, при температурах ниже 0 °С, знания состава конденсата. Время запаздывания самого прибора обычно мало по сравнению с постоянной времени системы отбора проб и составляет несколько минут для температуры точки росы выше примерно +20 °С. При –80 °С и расходе воздуха 10 л/ч для образования слоя льда толщиной 0,3 мкм требуется 3 ч, что дает порядок величины постоянной времени запаздывания. Важным достоинством гигрометров этого типа является их способность работать в коррозионной среде (продукты сгорания). Сложность конструкции и хрупкость конденсационных гигрометров, их высокая стоимость и необходимость частой регулировки ограничивают применение этих приборов лабораторными исследованиями.

 

2.1.2 Емкостный гигрометр на основе полимерного диэлектрика

 

Принцип действия и конструкция.

Слой полимерного диэлектрика  толщиной несколько микрон поглощает из окружающего воздуха молекулы воды, в результате чего устанавливается равновесие с воздухом. Это приводит к изменению диэлектрической постоянной слоя и, соответственно, изменению емкости конденсатора, в котором используется этот диэлектрик. Опыт показывает, что при этом изменение емкости в зависимости от относительной влажности достаточно хорошо описывается линейным законом, а коэффициент пропорциональности слабо зависит от температуры. Существуют различные способы изготовления тонкослойных конденсаторов. Описываемая ниже конструкция (рис.3.2а) представляет собой датчик, выпускаемый фирмой CORECI.

 

 

 

а – измерительная ячейка (фирма CORECI); б – пористый электрод,

(увеличение в 104) (LETI CORECI):

1–тантал; 2–пористый электрод; 3–полимер; 4–подложка.

Рисунок 3.2 - Емкостной гигрометр на основе полимерного диэлектрика.

 

Технология изготовления включает осаждение полимера на первый танталовый электрод, а затем нанесение  на полимер тонкого (толщиной от 100 до 10000 Å) слоя хрома путем вакуумного напыления. Этот слой вызывает появление трещин в диэлектрическом слое (рисунок 3.2, б), что, в частности, устраняет зависимость постоянной времени запаздывания от толщины этого слоя. Здесь хром используется для того, чтобы сделать датчик не чувствительным к серосодержащим примесям. В некоторых емкостных гигрометрах в качестве пористого электрода используется очень тонкий (~100 Å) слой золота.

Метрологические характеристики.

Диапазон измерений влажности  охватывает от 0 до 100% для температур – 40 °С ÷ +80 °С или даже до +100 °С в зависимости от типа датчика.

Погрешность таких гигрометров  составляет от ±2 до ±3% в зависимости от рабочей области и типа прибора. Постоянная времени для достижения 90% конечной величины влажности при изменении относительной влажности от 50 до 90% (или в обратном направлении) составляет ~1 ÷ 2 с. Влияние температуры на чувствительный элемент датчика пренебрежимо мало, что позволяет обойтись без температурной компенсации. Чувствительный элемент можно погружать в воду практически без риска его испортить. Как и резистивные датчики, эти гигрометры можно применять совместно с портативными калибровочными приборами, в которых используются насыщенные растворы солей.

 

2.1.3 Емкостный гигрометр на основе диэлектрического слоя

 оксида алюминия

 

Принцип действия и конструкция.

Используемый диэлектрик представляет собой слой оксида алюминия, нанесенный посредством анодного осаждения  на алюминиевую пластинку, представляющую собой первый электрод; в качестве другого электрода служит слой металла, нанесенный на диэлектрик (рисунок 3.3, а). Импеданс гигрометров этого типа, как и описанных в предыдущем разделе, меняется в зависимости от относительной влажности окружающей среды (рисунок 3.3, б).

Исследования показали, что  при толщине оксидного покрытия менее 0,3 мкм изменение импеданса  этого конденсатора зависит только от парциального давления водяного пара и не зависит от температуры. Это позволяет измерять абсолютную влажность.

Анодное осаждение осуществляется путем электролиза водного раствора серной кислоты, причем анод изготавливается  из алюминия. Выделяющийся на этом электроде кислород превращает металл в оксид, при осаждении которого возникает множество точек схлопывания, что приводит к пористой структуре слоя. Например, при использовании сернокислотной ванны (15%), температуре +10 °С и напряжении электролиза 15 В образуется порядка 7,7·1010 пор на 1 см2 диаметром от 100 до 300 Å каждая, так что реальная площадь адсорбции составляет ~0,2 м2 на 1 см2 эффективной площади. Варьируя технологические параметры, можно изменять форму, распределение пор и, следовательно, свойства осаждаемого слоя в зависимости от ожидаемой влажности. Эти параметры включают температуру и концентрацию ванны, напряжение питания, продолжительность окисления и ионные добавки к раствору. Так же можно изготавливать датчики, приспособленные к определенным условиям: низкой влажности, высокой температуре и т.п.

а – ячейка производства фирмы Panametrics; б – эквивалентная электрическая схема: R0, C0 – импеданс компактной части; R1 – сопротивление боковой поверхности пор; R2, C2 – импеданс участка между дном пор и внутренним электродом

Рисунок  3.3 - Гигрометр на основе диэлектрика (Al₂O₃)

 

Гигрометры, основанные на этом принципе, наиболее удобны для измерения  низких значений влажности. В этом случае необходимо, чтобы толщина пористого слоя была минимальной; после анодного осаждения слой полируют, чтобы уменьшить его толщину и сделать датчик чувствительным исключительно к температуре точки росы конкретной окружающей среды.

Второй металлический  электрод наносится на поверхность  оксида алюминия; для этого могут  быть использованы алюминий, медь, золото, серебро, платина, палладий, нихром. Указанный электрод должен быть достаточно малым, чтобы не закрывать сверху пористый слой оксида алюминия более, чем это необходимо.

Метрологические характеристики.

Наиболее важное свойство гигрометра этого типа состоит в  том, что он позволяет определить температуру точки росы, причем в  широком интервале температур (от – 80 до +70 °С).

Поскольку датчик предназначен для непосредственного использования  в точке измерения, он не требует  специального приспособления для отбора проб. Это значительно улучшает быстродействие прибора, поскольку при очень  низких значениях точки росы для  установления равновесия в самой  простой системе отбора проб в  виде 1 – 2 м трубки из нержавеющей  стали и маленькой измерительной  камеры может потребоваться несколько  часов при переходе от точки росы +10 °С к –70 °С. Действительно, для таких очень низких значений точки росы время установления гигроскопического равновесия системы трубок с воздухом чрезвычайно велико, а скорость установления равновесия зависит от его расхода, температуры, используемых конструкционных материалов и давления в системе. Напротив, постоянная времени датчика на основе оксида алюминия, расположенного непосредственно в исследуемой газовой среде, очень мала и составляет всего несколько секунд.

Показания этих датчиков не зависят от потока: максимальная допустимая скорость ограничивается механической прочностью и составляет около 50 м/с. Датчики этого типа можно использовать при любых давлениях от вакуума до нескольких сотен атмосфер.

Гигрометры на оксиде алюминия позволяют измерять влажности как газов, так и жидкостей. Тем не менее, не рекомендуется использовать эти датчики в средах, содержащих корпозионно-активные вещества, такие, как хлорид натрия, сера которые взаимодействуют с алюминием и, следовательно, могут повредить чувствительный элемент.