Дослідження методів вимірювання вологості матеріалів
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГІЙ ТА ДИЗАЙНУ
РЕФЕРАТ НА ТЕМУ: “ Дослідження методів вимірювання вологості матеріалів”
Спеціальність
05.11.13 Прилади і методи контролю та визначення складу речовин
Баранова О.С.
Науковий керівник:
Шевченко К.Л.
м.Київ-2013
Зміст
Вступ…………………………………...………………...
1. Форми і види зв’язку вологи з матеріалом………………….…….......4
2. Методи вимірювання вологості……………………………………......8
3. НВЧ методи вимірювання вологості………………………….……....18
Висновок ………………………………………………….….….......
Список літератури.............
Вступ
Вологість є одним з обов'язкових компонентів усіх живих організмів на землі, оточуючої нас біосфери, а також більшості матеріалів, які використовує людина. Зміст вологи в навколишньому середовищі впливає на характер та інтенсивність біохімічних і фізико-хімічних процесів, які відбуваються в живих об’єктах. Від вологості залежить фізичні, хімічні, механічні і технологічні властивості значної частини діелектричних матеріалів.
Майже в усіх галузях промисловості, в сільському господарстві, енергетиці і будівництві застосовуються процеси сушіння і зволоження, призначенні для зміни вологості матеріалів. Тому вимірювання вологості різних матеріалів і речовин займають важливе місце в сучасній аналітичній вимірювальній техніці.
1.Форми і
види зв’язку вологи з
Найбільш повна класифікація форм зв’язку вологи з матеріалом приводиться в роботі Ликова А.В.’’Теорія сушіння” [1]. В зв’язку з тим, що процес видалення рідини з матеріалу супроводжується порушенням зв’язку зі структурою цього матеріалу, на що витрачається певна енергія, була запропонована наступна класифікація форм зв’язку :
1) хімічний зв’язок;
2) фізико-хімічний зв’язок;
3) фізико-механічний зв’язок .
Розглянемо визначення основних форм зв’язку води з матеріалом:
1)Хімічний зв’язок характеризується зв’язком в строго визначених молекулярних співвідношеннях (стехіометричний зв’язок); до нього відносять іонний зв’язок, який утворений в результаті хімічної реакції, і молекулярний зв’язок з утворенням кристалогідратів. В процесі сушіння хімічно зв’язана вода настільки міцно закріплена в об’ємі матеріалу, що при прийнятих температурах сушіння не видаляється.
2)Фізико-хімічний зв’язок існує в різних, не строго визначених співвідношеннях. До нього відносять адсорбційний зв’язок (зв’язок рідини в гідратних оболонках) і осмотичний зв’язок.
Адсорбційно-зв'язана волога, особливо перший шар молекул - мономолекулярний шар, є найбільш міцно пов'язаний з речовиною. Наступні шари пов'язуються з речовиною менш міцно, енергія зв'язку зменшується, і властивості такої вологи наближаються до властивостей звичайної води. При утворенні мономолекулярного шару відбувається виділення теплоти адсорбції, це пов'язано зі зменшенням енергії поверхні. Відбувається стиснення обсягу (явище контракції - обсяг набряклого тіла менше суми обсягів матеріалу і поглиненої вологи).
Видалення цієї вологи при сушінні пов'язано з додатковою витратою енергії на теплоту адсорбції і обов'язковим перетворенням води на пару.
Осмотична пов'язана волога. Ця волога відрізняється від адсорбційної тим, що з'єднання з матеріалом не супроводжується виділенням теплоти і зв'язок менш міцний. Висока розчинювальна здатність води пояснюється дипольним характером її молекул та їх здатністю до утворення водневих зв'язків. Властивості водних розчинів залежать від сил взаємодії між молекулами води і розчинених речовин.
Осмос - процес дифузії
розчинника через
Для розчинів величина осмотичного тиску дорівнює:
C- молярна концентрація розчину ;
R- універсальна газова стала (Дж/(моль*К));
T- температура, С.
В результаті цього вода в клітині знаходиться в стані тургору (зв'язана осмотичними силами).
Осмотично-зв'язана волога знаходиться всередині клітин як би в напівпроникниному мішечку, не відрізняється від звичайної води, при сушінні переміщається всередині матеріалу без фазового перетворення у вигляді рідини. Процес видалення цієї вологи з клітин аналогічний і протилежний осмотичному її проникненню всередину клітини.
Енергія зв'язку осмотично-зв'язаної вологи визначається рівнянням:
- молярна частка води в розчині ( ) ;
- молярна частка розчиненої речовини.
3)Фізико-механічний зв’язок. Механічно зв'язана волога є найслабкішою, утримується за рахунок заповнення макрокапілярів і мікрокапілярів. Також цю вологу також називають капілярно-зв'язаною.
Капілярно-зв'язана волога обумовлена поверхневим натягом і капілярним тиском. Під дією тиску відбувається підняття вологи в капілярах. Висота підняття води залежить від радіуса капіляра: при радіусі 10 см, висота підйому дорівнює 1,5 см; при см - висота підйому 1,5 км. В залежності від розміру капіляри діляться на мікрокапіляри (радіус менше м) і макрокапілляри (радіус більше м).
Капіляри з меншим радіусом мають менший поверхневий тиск, ніж більш широкі, тому вода в них піднімається на велику висоту. У процесі сушіння вода з макрокапіллярів переміщається в більш дрібні і звідти випаровується. При цьому рівень вологи в крупних капілярах зменшується, а в дрібних - залишається постійним.
Вода, що знаходиться в мікрокапілярах,
відрізняється від вільної
Енергія зв'язку в мікрокапілярів визначається рівнянням:
- поверхневий натяг на границі води з пароповітряної сумішшю, H/м;
- питомий об’єм, кг/м ;
- радіус капіляра, м.
Це рівняння вказує на збільшення енергії зв'язку зі зменшенням радіусу капілярів.
Властивості механічно зв'язаної вологи практично не відрізняються від властивостей вільної води, її можна розглядати як вільну вологу, яка при сушінні легко видаляється в першу чергу.
Розрізняють наступні основні види зв’язку в вологому матеріалі: іонну, молекулярну(гідратну), адсорбційну, осмотичну, структурну, капілярну, змочування і водневу. Адсорбційна волога в свою чергу поділяється на:
1) вологу мономолекулярної адсорбції;
2) вологу полімолекулярної адсорбції.
Капілярний зв’язок
1) капілярну;
2) фунікулерну (фітильну);
3) пендулярну (стикову).
Волога мікрокапілярів є активованою, і переніс проходить у вигляді ефузії (молекулярної течії). Конденсат вологи в таких капілярах проходить вже при відносній вологості порядку 60 %.
В залежності від форми і видів зв’язку вологи з матеріалом і від співвідношення кількості поглиненої вологи матеріалу діляться на 3 групи:
1) Типові колоїдні тіла (еластичні гелі). При видаленні рідини ці тіла значно змінюють свої розміри (стискуються), але зберігають свої еластичні властивості (желатин, агар-агар та інші).
2) Капілярнопористі тіла (крихкі гелі). При видаленні рідини ці тіла стають крихкими, мало стискуються и можуть перетворюватися в порошок (слабо обпалені керамічні матеріали, зволожені в воді, вологий кварцовий пісок та інші).
3) Капілярнопористі колоїдні тіла, які володіють властивостями перших двох видів. Стінки їх капілярів еластичні та при поглинанні вологості набухають. До числа цих тіл належать більшість матеріалів, які піддаються сушці і які застосовують в будівельній техниці (торф, деревина, картон, тканин, вугілля, зерно, шкіра, грунт та інші ). Колоїдні тіла (еластичні гелі), які поглинають найбільш близькі по полярності рідини. При цьому вони збільшують свої розміри –набухають. Капілярнопористі тіла вбирають будь-яку змочуючу їх рідину незалежно від її хімічних властивостей.
Поділ усіх матеріалів на три вказані групи носить умовний характер і не визначається будь-якою однією формою зв’язку вологи з матеріалом [2].
2.Методи вимірювання вологості.
Відомо багато методів вимірювання вологості. Всі методи вимірювання вологості поділяють на прямі, коли матеріал ділять на суху речовину і вологу, і непрямі, коли вимірюють зміну фізичних величин або властивостей об’єкта контролю, функціонально пов’язаних з вологістю матеріалу. Непрямі методи вимагають попереднього калібрування з метою встановлення залежності між вологістю матеріалу та інформативним параметром.
При використанні прямих методів, вимірюваними величинами є маса води в пробі (навісі) і маса проби . За результатами вимірювань і розраховують масову частку води в речовині :
Або, інші відносні величини, такі як об’ємна або молярна частка води, що використовується в якості характеристики “вологісного” стану твердих речовин.
За способом виділення води з речовини прямі методи, які використовують у виробництві та в умовах лабораторії, діляться на метод висушування (ваговий або гравіметричний), дистиляційний, екстракційний та хімічний.
Всі перераховані вище прямі методи визначення вологості вимагають тривалого часу вимірювання і достатньо складних технічних засобів, але при цьому їм властива досить мала похибка вимірювання, що обумовлює їх використання в якості лабораторних і зразкових засобів контролю.
Систематизацію прямих методів вимірювання вологості показано на рис. 1.1.
Рис1.1.Систематизація прямих методів вимірювання вологості.
Найбільш поширеним прямим методом є метод висушування, що полягає в повітряно-тепловій сушці зразка матеріалу до досягнення рівноваги з навколишнім середовищем; ця рівновага умовно вважається рівноцінною повному видаленню вологи. На практиці застосовується висушування до постійної ваги; частіше застосовують так звані прискорені методи сушки .У першому випадку сушку закінчують, якщо два послідовних зважування досліджуваного, зразка дають однакові або дуже близькі результати. Так як швидкість сушіння поступово зменшується, передбачається, що при цьому видаляється майже вся волога, що міститься у зразку. Тривалість визначення цим методом становить зазвичай від кількох годин до доби і більше. У прискорених методах сушіння ведеться протягом певного, значно більш короткого проміжку часу, при підвищеній температурі (наприклад, стандартний метод визначення вологості зерна сушінням розмолотої навіски при 130 ° С протягом 40 хв).
В останні роки для прискореного сушіння ряду матеріалів стали застосовувати інфрачервоні промені, а в окремих випадках-діелектричний нагрів (струми високої частоти). Визначенню вологості твердих матеріалів висушуванням притаманні такі методичні похибки:
а) При висушуванні органічних матеріалів поряд з втратою гігроскопічної вологи відбувається втрата летких фракцій; одночасно при сушінні в повітрі має, місце поглинання кисню внаслідок окислення речовини.
б) Припинення сушки відповідає не повному видаленню вологи, а також рівновазі між тиском водяної пари в матеріалі і тиском водяної пари в повітрі.
в) Видалення зв'язаної вологи в колоїдних матеріалах неможливо без руйнування колоїдної частинки і не досягається при висушуванні.
г) У деяких речовинах в результаті сушіння утворюється водонепроникна кірка, що перешкоджає видаленню вологи.
Деякі з цих похибок можна зменшити сушінням у вакуумі при зниженій температурі або в потоці інертного газу. Однак для вакуумного сушіння потрібно більш громіздка і складна апаратура, ніж для повітряно-тепловий.
При найбільш поширеному сушінні (у сушильних шафах) є похибки, що залежать від застосовуваної апаратури і техніки висушування. Так, наприклад, результати визначення вологості залежать від тривалості сушіння, від температури та атмосферного тиску, при яких протікала сушка. Температура має особливо велике значення при використанні прискорених методів, коли зниження температури сильно впливає на кількість вилученої вологи. На результати висушування впливають також форма і розміри бюкс і сушильної шафи, розподіл температури в сушильній шафі, швидкість руху повітря в ньому, можливість виносу пилу або дрібних частинок зразка і т. д. Для матеріалів, що піддаються перед визначенням вологості подрібненню, велике значення має спад вологи в зразку в процесі подрібнення. З іншого боку, можливе поглинання вологи з навколишнього середовища в проміжках часу між закінченням сушіння і зважуванням зразка.
У дистиляційних методах досліджуваний зразок підігрівається в посудині з певною кількістю рідини, не змішуються з водою (бензол, толуол, ксилол, мінеральне масло і т. д.), до температури кипіння цієї рідини. Пари, проходячи через холодильник, конденсуються в вимірювальному посуді, в якому вимірюється обсяг, або вага води. Дистиляційні методи в різних модифікаціях і з використанням різних конструкцій апаратури були розроблені для різних матеріалів, у тому числі і для рідких. Однак дистиляційні методам також властиві багато недоліків. Краплі води, що залишаються на стінках холодильника і трубок, викликають похибки у визначеннях. Застосовувані розчинники, як правило, вогненебезпечні, а апаратура крихка і громіздка.
Екстракційні методи засновані
на витяганні вологи з досліджуваного
зразка твердого матеріалу водовбирною
рідиною (діоксан, спирт) і визначенні
характеристик рідкого
Основою хімічних методів є обробка зразка твердого матеріалу реагентом, що вступає в хімічну реакцію тільки з вологою, що міститься у зразку. Кількість води в зразку визначається за кількістю рідкого чи газоподібного продукту реакції. До них відносять:
-газометричний метод
з застосуванням гідрида
- газометричний метод з застосуванням карбіда кальцію, який виділяє ацетилен;
- газометричний метод з
- газометричний метод з застосуванням нітрата магнія, який утворює газоподібний аміак:
-метод, який заснований на застосуванні ангідридів, наприклад, бензойного ангідрида , який утворюється при взаємодії з водою бензойну кислоту:
-метод Фішера- метод прямого візуального чи автоматичного титрування вологи. Для визначення вмісту вологи в твердих матеріалів методом Фішера остання повинна бути перенесена в рідке середовище;
-екзотермічний метод змінення температури реагенту (наприклад,сірчаної кислоти)при взаємодії з водою.
Друга група - непрямі методи вимірювання вологості - об’єднує цілий ряд різноманітних методів, в яких оцінювання вологості здійснюється за оцінюванням зміни властивостей об’єкта контролю.
Непрямі методи вимірювання вологості та їх класифікацію наведено на рис. 1.2.
Слід зазначити, що в даний час остаточно не розроблено класифікацію методів вимірювання вологості. У зв’язку з цим, а також з огляду на те, що мова йде лише про методи вимірювання вологості твердих матеріалів, пропонується до непрямих методів віднести методи, перераховані нижче.
Найбільш поширеними серед непрямих методів вимірювання вологості є електричні методи. В їх основу закладено пряме вимірювання електричних параметрів матеріалу, які залежать від вмісту в ньому вологи. Вимірювання вологості електричними методами можна вважати миттєвою процедурою, що дає можливість з їх допомогою автоматизувати процеси контролю вологості, а також створити системи автоматичного управління за вологістю для великої кількості технологічних процесів. Електричні методи вимірювання вологості поділяють на кондуктометричні, діелькометричні та надвисокочастотні (НВЧ) . Як самостійний серед них, деякі автори виділяють також ємнісний метод.
Кондуктометричні методи базуються на залежності питомої провідності (питомого опору) матеріалу, виміряної на постійному струмі або струмі промислової частоти, від вмісту вологи. Діапазон вимірювання визначається областю гігроскопічності матеріалів, які не проводять струм у сухому стані. Метод не застосовується для вимірювання вологовмісту дуже сухих та дуже вологих матеріалів.
Значне розповсюдження отримали діелькометричні методи вимірювання вологості, які полягають у вимірюванні діелектричної проникності і тангенса кута діелектричних втрат матеріалів і речовин у широкому діапазоні частот - від звукових до НВЧ . На відміну від кондуктометричних, ці методи вимагають значно більших апаратних затрат, але вони дозволяють вимірювати вологість дуже сухих та дуже вологих матеріалів, забезпечують індикацію рідини в ізольованих ззовні порожнинах та видають сигнал, пропорційний усередненому вологовмісту, в той час як кондуктометричний метод забезпечує індикацію тільки місцевих включень вологи. На результат вимірювання вологості діелькометричним методом суттєво впливає щільність матеріалу.
Рис.1.2. Класифікація непрямих методів вимірювання вологості матеріалів.
Ємнісні методи вимірювання вологості засновані на значній різниці між діелектричною проникністю води ( ) та інших речовин ( ) , що і дозволяє судити про вміст вільної води зі значення діелектричної проникності зволоженої речовини. Діелектрична проникність зволоженої речовини вимірюється через ємність конденсаторного сенсора, заповненого речовиною, що контролюється.
За використанням в
ц . Перевагами НВЧ-методів є: можливість безконтактного вимірювання, висока чутливість і точність.
До класифікації НВЧ-методів різні автори підходять по-різному. Їх можливо розділити на дві групи методів: засновані на вимірюванні діелектричної проникності і тангенса кута діелектричних втрат в залежності від вологи, і методи, що базуються на дослідженні оптичних характеристик вологих матеріалів - коефіцієнта поглинання та відбиття. Можливо класифікувати НВЧ-методи таким чином: методи вільного простору (з використанням прохідної чи відбитої хвилі), резонаторні і хвилевідні методи.
Тут також виділено методи, які не отримали широкого поширення у вологометрії: зондові, поверхневої хвилі, методи, засновані на повороті площини поляризації.
В першій з наведених класифікацій
перераховано залежні від вологості
параметри матеріалу, які змінюються
на високій частоті, в другій наведено
способи локалізації
Але ні одна з них не дозволяє провести порівняльний аналіз і вибір методу з врахуванням особливостей матеріалу та умов вимірювання.
Також можливо класифікувати методи, виходячи з результатів взаємодії магнітного поля з вологим матеріалом. Оскільки на цей результат може впливати не лише вологість матеріалу, а й інші неінформативні параметри (товщина, поверхнева вологість, діапазон вимірювання вологості та ін.), то при такій класифікації потенціально з’явиться можливість врахування цих впливових величин. В основу побудови покладено три класифікаційні ознаки. Найбільш загальним результатом взаємодії електромагнітного поля НВЧ з вологим матеріалом є виникнення відбитої від матеріалу хвилі та хвилі, що пройшла через нього. Розподіл на методи, що використовують відбиту чи прохідну хвилі, і є першою класифікаційною ознакою.
Вологість матеріалу, від якої залежать його діелектричні характеристики, впливає на параметри поля, що з ним взаємодіє. Розподіл на методи по параметру електромагнітної хвилі, який вимірюється - друга класифікаційна ознака. Отже, НВЧ-методи, що досліджують відбиту чи прохідну хвилю, в свою чергу можуть бути амплітудними, фазовими або частотними. Можливі також комбінації цих методів.
В залежності від модифікації елемента, що використовується для введення матеріалу в НВЧ-поле, перераховані вище методи можуть бути: хвилевідними, резонаторними, зондовими та методами вимірювання у вільному просторі .
Оптичні (оптометричні) методи полягають у дослідженні залежності оптичних властивостей матеріалів від їх вологовмісту. Для твердих матеріалів використовуються інфрачервона і видимі області спектра.
Оптичні методи отримали широке використання, оскільки їх характерною особливістю є безконтактність вимірювань, можливість інтегральної оцінки вологості у великих об’ємах (велика інформаційна ємність методу) . Останнє є важливою перевагою, оскільки в реальних виробничих умовах завжди спостерігається нерівномірний розподіл вологи в об’ємі. Найбільш поширеним серед оптичних методів є інфрачервоний метод.
Радіаційні (радіометричні) методи базуються в основному на сучасних способах дослідження складу, структури і властивостей речовини, що використовують взаємодію різних видів електромагнітних коливань і ядерних випромінювань з об’єктом контролю. В радіометричних (ядерно-фізичних) методах використовуються різні види ядерних випромінювань (гама-промені, бета-частки, швидкі нейтрони) і взаємодій (поглинання і розсіяння гама-, і бета-випромінювань, пружне розсіяння швидких нейтронів). Так, наприклад, в основі гама- методів лежить послаблення інтенсивності гама-випромінювань вологою матеріалу в результаті розсіювання і поглинання атомами речовини. Найбільш поширеними серед радіаційних методів є метод ядерного магнітного резонансу (ЯМР), рентгенівський та нейтронний метод .
В основі ЯМР-методу лежить резонансне поглинання радіочастотної енергії ядрами атомів водню (протонами) води при введенні вологого матеріалу в постійне магнітне поле. Явище ЯМР пов’язано з квантовими переходами між енергетичними рівнями атомних ядер, які виникають у результаті взаємодії ядерного магнітного моменту з зовнішнім магнітним полем.
Рентгенівський метод
Фізичною основою нейтронного
методу вимірювання вологості є
явище гальмування швидких
Слід зазначити, що нейтронний метод, як і рентгенівський, заборонено використовувати для вимірювання вологості продуктів харчової промисловості.
Механічні методи базуються на вимірюванні механічних характеристик матеріалів, які змінюються зі зміною його вологості.
В основу теплофізичних методів покладена залежність від вологості матеріалу його теплофізичних якостей - коефіцієнта теплопровідності, питомої та об’ємної теплоємності, енергії фазового переходу. Оскільки перераховані властивості суттєво залежать від гранулометричного складу і пористості матеріалу, що досліджується, в більшості випадків необхідне градуювання вологоміра для конкретного матеріалу. Але за допомогою теплофізичних методів можна досліджувати динаміку зміни вологи для матеріалу.
Акустичні методи базуються на залежності акустичних властивостей матеріалу від вмісту в ньому вологи. Метод полягає у вимірюванні значення поперечної і повздовжньої швидкості ультразвукової хвилі [3].
3. НВЧ методи вимірювання вологості.
Можливість застосування радіохвильових методів у визначенні вологості в матеріалах засновується на двох фізичних явищах: поглинанні і розсіянні радіохвиль, що пов'язано з наявністю широкосмугової обертальної релаксації полярних водяних молекул в області НВЧ .

- Дослідження мовлення у дошкільників
- Дослідження Нафти
- Дослідження небезпечних ситуацій при користувані побутовою технікою
- Дослідження неоднорідності пластів при розобці родовищ нафти
- Дослідження неолібералізму як економічної теорії
- Дослідження несистематичних фінансових ризиків підприємства
- Дослідження нетарифних заходів в торгівлі
- Дослідження внутрішнього середовища турфірми «Ольга»
- Дослідження грошових систем
- Дослідження договору перевезення вантажів
- Дослідження Еваріста Галуа
- Дослідження зв язку рекламного звернення з його носіями
- Дослідження змін при зберіганні
- Дослідження лічильників