В современных производственных процессах сложно найти область, где не возникала бы необходимость в контроле влажности основных или вспомогательных продуктов. Это позволяет оценить высокую значимость приборов для измерения влажности - влагомеров.
Без таких приборов эффективное и качественное производство становится сложным, а неконтролируемая влажность может привести к многочисленным проблемам и даже катастрофам в различных отраслях промышленности.
Оптимальный контроль влажности обеспечивает не только высокую производительность, но также гарантирует качество продукции, уменьшает потери и обеспечивает безопасность технологических процессов.
В современных условиях контроль влажности является одним из ключевых аспектов в обеспечении стабильности и эффективности производства.
Классификация методов измерения влажности
Методы определения влажности разделяются на физические, химические, радиоактивные и электрические.
К физическим методам принято относить высушивание до постоянного веса, определение влажности по вязкости и по температуропроводности продукта.
К химическим методам относятся: волюмометрические методы, основанные на измерении объема газов, выделившихся в результате реакции натрия, карбида кальция или гидрата кальция с водой вещества, и методы, основанные на объемном анализе реакций различных органических соединений с водой вещества, получении кислот и титровании их стандартными растворами щелочи.
Однако вследствие необходимости безвозвратного отбора проб, периодичности действия, длительности реакций, сложности аппаратуры и ряда других обстоятельств химические методы не могут быть положены в основу действия устройства для мгновенного определения влаги в продукте.
Радиоактивный метод определения влажности использует гамма-излучение или нейтронное излучение.
В настоящее время наиболее часто для определения влажности веществ используются электрические методы.
Электрические влагомеры, содержащие в схемах электронные приборы, соответственно часто называются электронными.
Портативный электронный влагомер
Измерительные системы
Точное измерение влажности твердых, сыпучих и жидких веществ необходимо для принятия обоснованных решений о хранении, переработке и сбыте продукции.
Существует несколько способов измерения влажности, в том числе:
- Способ камерной сушки: это традиционный метод, который включает взвешивание образца вещества, его сушку в печи при определенной температуре и расчет влажности на основе потери веса. Хотя это надежный метод, он занимает много времени и требует специального оборудования.
- Портативные влагомеры: эти электронные устройства позволяют быстро и без разрушения измерять влажность вещества. Эти измерители просты в использовании, дают немедленные результаты и широко доступны на рынке.
- Поточные измерительные системы: Эти системы интегрированы в производственные линии и обеспечивают непрерывные измерения влажности вещества во время обработки. Они используют специализированные датчики для получения точных показаний в режиме реального времени.
Электрические методы измерения влажности веществ
Электрические методы основаны на закономерной зависимости некоторых электрических характеристик веществ (удельного сопротивления или проводимости, тангенса угла диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости) от содержания в них воды. Соответственно этому существует несколько электрических методов определения влажности:
- кондуктометрический;
- по диэлектрическим потерям;
- емкостный;
- основанный на явлении поглощения энергии высокой частоты при протонном резонансе (ядерный магнитный резонанс).
Хранение и переработка зерна
Кондуктометрический метод
Кондуктометрический метод основан на зависимости удельной, объемной проводимости, измеренной на постоянном токе, от содержания влаги.
Чувствительность метода высока в области малых значений влажности и резко снижается в области большой влажности. При этом удельная электропроводность, помимо содержания воды в веществе, очень сильно зависит от его вязкости, концентрации электролита, характера структуры и температуры. В связи с этим погрешность при измерениях обычно велика (6—8%).
При измерении проба вещества помещается между плоскими или круглыми электродами преобразователя.
Кондуктометрический метод может применяться при измерении влажности веществ, имеющих более или менее постоянную концентрацию солей и в тех случаях, когда не требуется высокой точности измерения.
Этот метод, например, применяется для измерения влажности зерна, волокна, бумаги, песка, почв, некоторых пищевых продуктов и т. п., однако в связи со значительной погрешностью измерения широкого распространения он не получил.
Общим недостатком электрических влагомеров, основанных на проводимости вещества, является неоднозначная зависимость сопротивления (проводимости) от влагосодержания пробы. Особенно сильные искажения вносятся при изменении содержания солей и структуры материала (пористость, порозность и т. д.).
Метод диэлектрических потерь
Определение влажности по величине диэлектрических потерь пробы вещества основано на следующих предпосылках.
Диэлектрические потери являются частью электрической энергии, переходящей в тепло в веществе при переменном напряжении.
Величина активной составляющей абсорбционного тока, а следовательно, и величина диэлектрических потерь в целом, в некоторой степени определяется количеством воды, являющейся полярной жидкостью в пробе вещества.
Это объясняется тем, что наличие в его составе воды вызывает увеличение общей величины диэлектрических потерь в связи с возникновением так называемых дипольных потерь, причем эти потери, будучи пропорциональны относительному количеству воды в пробе, тем больше, чем выше частота приложенного напряжения.
В веществах, имеющих малую сквозную проводимость сравнительно с активной составляющей абсорбционного тока, при условии применения высокой частоты питающего напряжения, соответствующего частотному максимуму для воды, возможно использование этого метода для определения влажности вещества.
Для веществ, у которых преобладает сквозная проводимость, этот метод непригоден, так как при низких частотах (50 гц) диэлектрические потери равны потерям проводимости при постоянном токе.
В этом случае результаты измерения одинаковы с результатами кондуктометрического метода, недостатки которого были перечислены выше. Повышение же частоты питающего напряжения мало способствует выделению активной составляющей абсорбционного тока.
Влагомерами, основанными на этом методе измерения, являются влагомеры с высокочастотным контуром, который нагружается диэлектрическими потерями.
При измерениях вещество помещается между двумя электродами преобразователя или вносится в образованное им высокочастотное поле. К преобразователю подводится напряжение переменного тока.
Измерение диэлектрических потерь не может надежно характеризовать влажность вещества.
Так, например, если поместить стеклянную трубку, в которой протекал раствор хлористого натрия при концентрации 0 — 28%, между двумя электродами высокочастотного контура при частоте 7,4 Мгц и получить изменение частоты генератора в функции концентрации электролита, то экспоненциальный характер этой зависимости совершенно точно совпадает с зависимостью для раствора хлористого натрия.
Это объясняется тем, что эквивалентная схема измерительной ячейки, подключенной к контуру, представляет собой емкость, шунтированную сопротивлением электролита и соединенную последовательно с постоянным конденсатором (стеклянная трубка).
Так как сопротивление электролита очень мало, то в действительности генератор нагружается только переменным сопротивлением, что и вызывает изменение его выходных параметров.
В рассматриваемом случае применение изолирующей прокладки (стеклянной трубки) приводит к выделению диэлектрических потерь.
Характер кривой, а также резкое изменение диэлектрических потерь три небольшом изменении концентраций, при котором практически не меняется влагосодержание, но резко увеличивается проводимость, доказывают, что в рассматриваемом случае измеряется не емкость и диэлектрическая проницаемость образца, а проводимость в условиях высокой частоты.
Очевидно, что использование метода диэлектрических потерь для определения концентрации электролита при постоянном содержании воды подтверждает нецелесообразность применения этого метода для определения влажности.
В некоторых частных случаях (в бинарных смесях чистых веществ, в том числе и органических соединений с водой) этим методом может осуществляться определение концентрации той или другой составляющей. Например таким методом может определяться концентрация спирта в водных растворах.
Из рассмотрения метода диэлектрических потерь следует, что он может надежно применяться для измерения влажности только в том случае, если в состав исследуемого вещества входят два химически чистых компонента, а это требование в реальных условиях никогда не сохраняется и практически диэлектрические потери являются функцией многих переменных — всех компонентов вещества (физической структуры, вязкости, температуры и т. д.).
Метод диэлектрических потерь также не может дать удовлетворительного решения вопроса измерения влажности различных веществ.
Измерение влажности в резервуарах для хранения и взвешивания
Емкостный метод
Емкостный метод измерения влажности вещества основан на том, что диэлектрическая проницаемость влажного вещества является линейной функцией его влагосодержания, обычно выраженного в процентах.
Так как диэлектрическая проницаемость сухого вещества обычно невелика (2,0—5,0), а диэлектрическая проницаемость воды значительно больше (81,0), то даже при небольшом изменении содержания воды в веществе происходит весьма ощутимое изменение диэлектрической проницаемости.
Диэлектрическая проницаемость влажного вещества (смесь сухого вещества и воды) измеряется через емкость конденсаторного датчика, заполненного испытуемым веществом.
Влагомеры этого типа распространены наиболее широко. Их можно разбить на три группы.
К первой группе относятся влагомеры с дифференциальной измерительной схемой.
Эти влагомеры пригодны для измерения влажности только у хороших диэлектриков. Малейшие диэлектрические потери резко искажают результат измерения и практически измеряют "комплексную" или "кажущуюся" емкость.
Ко второй группе относятся влагомеры с резонансным измерительным контуром, дополненным разделительным конденсатором или с колебательным контуром, в котором измеряется амплитудное значение высокочастотного напряжения.
Эти влагомеры несколько лучше влагомеров первой группы, так как диэлектрические потери здесь несколько меньше искажают значение "чистой" емкости, однако им также свойственны общие недостатки влагомеров первой группы.
К третьей группе относятся влагомеры с параллельным резонансным контуром и измерением емкости методом замещения, а также влагомеры с уходом частоты резонансного колебательного контура при внесении в него пробы.
Эти влагомеры наиболее точно измеряют влажность различных веществ. Единственным недостатком их является невозможность измерения ими влажности веществ с большими диэлектрическими потерями, так как внесение пробы вещества в колебательный контур вызывает срыв генерации.
Измерение влажности веществ с большими диэлектрическими потерями
Значительное число промышленных материалов и различных продуктов — органические удобрения, сложные химические соединения, включающие электролиты, пищевые продукты (мясопродукты, молочные продукты) и т. п., измерение влажности которых представляет значительный интерес, по своим диэлектрическим свойствам относятся к классу полупроводников.
Измерение влажности (емкости) таких продуктов обычными методами измерения влажности твердых, сыпучих и жидких веществ практически невозможно.
Действительно, внесение в резонансный колебательный контур пробы продукта с большой полной проводимостью приводит к срыву генерации и затуханию колебаний.
Одним из способов, облегчающих измерение влажности таких веществ, является химическая или механическая обработка вещества, перед измерением или в момент измерения, которая уменьшает диэлектрические потери и позволяет произвести измерение.
С этой целью возможна предварительная обработка пробы вещества определенного веса какой-либо водопоглощающей жидкостью, например диоксаном или элуолом, с последующим определением относительного количества экстрагированной воды в этой жидкости емкостным влагомером.
Возможно измерение влажности двух несмешивающихся жидкостей (масло — вода, керосин — вода и т. д.), в которых непрерывной фазой является вода, даже если в ней растворены соли, если в момент измерения вода будет преобразована в прерывную фазу, а диэлектрик (масло, керосин) — в непрерывную.