6.1.2. Измерение влажности текстильных материалов, основанное на методе ик-спектрометрии

Спектральные характеристики текстильных материалов абсолютно сухой массы снятые как для прошедшего Ф, так и для отраженного I потока излучения в ближней инфракрасной области, не имеют характерных полос поглощения, перекрывающихся со спектральными полосами поглощения воды. Были проведены исследования ИК-спектров следующих воздушно-сухих текстильных материалов (рис. 6.3): чистошерстяной ткани арт. 1113 (кривая 4); шелковой ткани арт. 32380 (кривая 2); льняного полотна арт. 05228 (кривая 1); хлопчатобумажной ткани арт. 15 (кривая 3); капроновой ленты арт. МО-07-991 (кривая 5). Полосы резонансного поглощения текстильными материалами ИК-излучения назовем характеристическими с максимумом поглощения на длине волны . Характеристические полосы текстильных материалов несколько смещены в длинноволновую часть спектра по отношению к спектральным полосам поглощения воды и соответствуют, например, для хлопчатобумажных, льняных и шелковых тканей длине волны = 2,1 мкм; для шерстяных и тканей из синтетических волокон = 2,03 мкм. Поэтому применение аналитических полос поглощения воды в ближней ИК-области возможно для измерения влажности текстильных материалов.

Рис. 6.3. ИК-спектры воздушно-сухих текстильных материалов.

При контроле оптической плотности веществ, состоящих из нескольких компонентов, например, текстильный материал и вода, коэффициенты рассеивания и поглощения этих веществ (S и ) зависят от коэффициентов поглощения и рассеяния их компонентов (для нашего случая , и , ). Применяя выражение (6.8), можно представить интенсивность прошедшего потока Ф через исследуемый материал с толщиной , содержащий влагу с эффективной толщиной в следующем виде:

. (6.10)

Определив значение массы вещества и подставив в выражение (6.10), можно получить выражение для влагосодержания материала применительно к одноволновому ИК-методу, использующему только одну аналитическую длину волны :

, (6.11)

где , – спектральные коэффициенты соответственно ИМ и воды;

, – объемная плотность соответственно ИМ и влаги;

– площадь контролируемой поверхности ИМ.

Для частичного устранения влияния спектральных свойств материала и его массы, а также изменения интенсивности падающего потока на определение количества влаги в ИМ используют двухволновой метод. Он основан на сравнении оптической плотности ИМ на аналитической длине волны и опорной длине волны . Для этого в спектре поглощения (или отражения) ИМ выделяется полоса с опорной длиной волны , слабо поглощаемая водой. При этом опорная длина волны выбирается таким образом, чтобы значения функции рассеивания и поглощения от свойств текстильного материала на обеих длинах волн были равны или находились в постоянном отношении. При соблюдении этого условия , где – коэффициент пропускания абсолютно сухого материала на длине волны . Аналогично можно написать равенство и для коэффициентов отражения . Обычно опорную длину волны выбирают рядом с полосой поглощения аналитической длины волны . Для текстильных материалов лежит в диапазоне 1,7  1,85 мкм.

Получаем выражения для значения массы влаги и материала для двухволнового ИК-метода:

; (6.12)

.

Учитывая спектральные свойства воды, что , определим значение влагосодержания ИМ двухволновым методом:

. (6.13)

При имеем:

,

где , – оптические плотности ИМ на длинах волн и .

Двухволновой метод возник как метод компенсации неселективного фона рассеивания. При этом предполагалось, что зависимость рассеивания от длины волны постоянна. Однако вариации состава ИМ могут привести к изменению величины оптической плотности = ≠ (рис. 6.3). При этом ≠ и ≠

Эффект изменения наклона кривой спектра пропускания или отражения ИМ при изменении длины волны можно исключить за счет непрерывного измерения наклона спектральной характеристики, используя вторую опорную длину волны . Для этого измерение оптических характеристик ИМ осуществляется на двух опорных длинах волн = и ≠ , лежащих по обе стороны от аналитической длины волны и не совпадающих с полосой поглощения текстильных материалов. При этом коэффициент пропускания абсолютно сухого исследуемого материала на аналитической длине волны определяется по формуле

,

где и – безразмерные коэффициенты. При таком методе измерения значения коэффициента пропускания (или отражения ) зависят от содержания количества влаги в ИМ и не зависят от наклона спектральной характеристики материала.

Для частичной компенсации объемной и поверхностной плотности, толщины, структуры ИМ можно применить третью полосу ИК-излучения с длиной волны, не перекрывающуюся с аналитической и опорной длинами волн и лежащую в области полосы поглощения ИК-излучения текстильным материалом . Аналогично формуле (6.12) получаем выражение для массы ИМ, используя ИК-излучение на двух длинах волн и :

. (6.14)

Выражение для влагосодержания ≥ , определенное при трехволновом методе с учетом спектральных свойств ИМ, будет иметь вид

(6.15)

При использовании длины волны , значительно отличающейся от опорной длины волны , применяют опорную длину волны , такую, чтобы функции рассеивания от свойств ИМ на длинах волн и были равны или находились в постоянном отношении. Применение спектрального интервала позволяет получать информацию о массе материала аналогично выражению (6.4):

Введение третьей спектральной полосы повышает точность измерения влагосодержания текстильного материала по отношению к двухволновому методу.

Применение двух- и трехволновых методов ИК-спектрометрии позволяет частично устранить влияние основных физико-механических параметров текстильного материала (масса, плотность, переплетение и др.) на точность определения влажности. Однако влияние спектральных коэффициентов воды, текстильного материала, текстильных вспомогательных веществ не устраняется. Причем в трехволновом методе существенную роль играет точность выбора , что затрудняет его применение. Необходимостью компенсации влияния основных параметров ИМ на точность измерения влажности или получение информации о значениях этих параметров обусловлено применение четырех и более спектральных интервалов в методе ИК-спектрометрии.