Методы измерений влажности твердых и жидких веществ. Поверка влагомеров. Конспект лекций

АКАДЕМИЯ СТАНДАРТИЗАЦИИ, МЕТРОЛОГИИ И СЕРТИФИКАЦИИ

А.П. Лепявко МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ ВЛАЖНОСТИ

ТВЕРДЫХ И ЖИДКИХ ВЕЩЕСТВ. ПОВЕРКА ВЛАГОМЕРОВ Конспект лекций

Москва

2011

1

УДК 531.1.87.(07)

Лепявко А.П. Методы измерений влажности твердых и жидких веществ. Поверка влагомеров: Конспект лекций. — М.:

АСМС, 2011. — 52 с.

Приведены понятия, термины, используемые в области измерений влажности твердых и жидких веществ. Описаны прямые и косвенные методы измерений влажности. Рассмотрены вопросы метрологического обеспечения измерений влажности твердых и жидких веществ. Приведены примеры методик выполнения измерений и поверки влагомеров, принцип действия которых основан на разных методах измерения.

Конспект лекций соответствует учебной программе дисциплины «Поверка и калибровка средств физико-химических измерений» (раздел «Поверка и калибровка средств измерений влажности»).

Конспект лекций предназначен для слушателей АСМС, повышающих квалификацию по специализации «Поверка и калибровка средств физико-химических измерений».

Конспект рассмотрен на заседании кафедры «Теплотехнические измерения» АСМС и рекомендован к использованию в учебном процессе.

© АСМС, 2011

2

1. ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Влагометрия — область метрологии и измерительной техники, относящаяся к измерению величин влажности и водности веществ. Различают влагометрию твердых веществ, влагометрию жидких веществ и гигрометрию.

Под влагометрией понимается вся область измерений влажности любых веществ, а под гигрометрией — раздел влагометрии, относящийся к измерению влажности газовых сред. Соответственно влагомеры — это приборы для измерения влажности твердых и жидких материалов, гигрометры — приборы для измерения влажности газов.

Вода — оксид водорода H2O, простейшее устойчивое химическое соединение водорода с кислородом.

Влага — вода, входящая в состав другого вещества и связанная с ним физическими связями.

Влажное вещество — вещество, содержащее влагу. Обводненное вещество — насыщенное влагой вещество, со-

держащее также свободную, легко отделяемую воду.

Влагомер — измерительный прибор, предназначенный для измерения одной или нескольких величин влажности твердых и жидких веществ.

Величины влажности — физические величины, количественно характеризующие водность веществ:

Массовая концентрация влаги — отношение массы влаги,

содержащейся в веществе, к объему этого влажного вещества, кг/м3.

Молярная концентрация влаги — отношение количества

влаги, содержащейся в веществе, к объему этого влажного вещества, моль/м3.

Массовая, объемная и молярная доля влаги — отношение массы, объема и количества влаги, содержащейся в веществе, соответственно к общей массе, объему или количеству влажного вещества, %, ‰, млн–1 (ppm).

Массовое, объемное и молярное отношение влаги (влаго-

содержание) — отношение массы, объема и количества влаги, содержащейся в веществе, соответственно к массе, объему или количеству сухой части этого влажного вещества, %, ‰,

млн–1 (ppm).

3

2. ВЛАГА В ЖИДКИХ И ТВЕРДЫХ ВЕЩЕСТВАХ

Поглощенная влага может находиться в различном физическом состоянии. При этом также изменяются и свойства поглощенной воды. Поэтому количественная оценка содержания воды в единице количества твердого или жидкого вещества зависит от метода измерений. Кроме того, на результат измерений оказывают влияние и особенности строения увлажненного вещества.

В неводных жидкостях, например жидких углеводородах, вода растворяется незначительно и образует эмульсии.

Эмульсия — дисперсионная система, состоящая из двух несмешивающихся жидкостей, одна из которых (дисперсная фаза) распределена в виде капелек в другой жидкости (дисперсионной среде).

По размерам частиц воды (степени дисперсности) эмульсии подразделяются на три группы:

грубодисперсные (радиус частиц r = 25...50 мкм); среднедисперсные (r = 10...25 мкм); тонкодисперсные (r = 0,1...10 мкм).

Вбольшинстве эмульсий содержатся частицы разного размера — они являются не монодисперсными, а полидисперсными системами.

Вневодных жидкостях содержатся следующие виды влаги: свободная вода; вода, содержащаяся в дисперсионной фазе;

растворенная (связанная) вода.

Растворимость воды и скорость ее растворения увеличиваются с повышением температуры. Но количество растворенной воды в жидкостях, особенно углеводородах, крайне незначительно. Свободная вода достаточно легко выделяется отстоем или с помощью фильтров. Поэтому в большинстве случаев основным объектом измерения является содержание воды — дисперсной фазы.

Степень дисперсности имеет значение для реализации физических методов определения влажности. В некоторых методах существенным фактором является также форма дисперсных частиц – степень ее отклонения от идеальной сферической.

Вторым важным для влагометрии параметром эмульсий является их устойчивость. Устойчивость эмульсии зависит от при-

4

роды дисперсионной среды, наличия поверхностно активных веществ на границе дисперсной фазы, концентрации воды и температуры. Устойчивость искусственно приготовленных эмульсий зависит от способа ее подготовки, в частности, от длительности диспергирования. Этот фактор влияет на степень дисперсности. Увеличение времени диспергирования приводит к уменьшению размера частиц воды. Одновременно снижается и разброс по размерам.

Недостаточная устойчивость эмульсии приводит к ее расслоению. Под действием силы тяжести частицы воды опускаются вниз. Ее содержание в верхних слоях становится меньше, чем в нижних слоях.

На результат измерения влажности оказывает влияние также наличие примесей в жидкости. На электрические параметры эмульсий влияет содержание электролитов, например, степень минерализации воды.

В твердых телах в зависимости от прочности связи влага может находиться в следующих состояниях:

свободная вода; капиллярно-связанная влага (физико-механическая связь);

адсорбционно-связанная влага (физико-химическая связь); химически связанная вода.

Наиболее прочно удерживается химически связанная вода. Ее молекулы входят в состав основного вещества и освобождаются лишь при химическом взаимодействии или прокаливании.

Адсорбционно-связанная вода образуется в результате действия молекулярного силового поля. На начальном этапе поглощения воды (сорбции) на внешних и внутренних поверхностях тела (адсорбента) образуется мономолекулярный слой, наиболее прочно связанный с поверхностью. Затем образуется второй слой, третий и т.д. Последующие слои связаны менее прочно. Свойства поглощенной твердым телом (адсорбированной) воды существенно отличаются от свойств обычной воды. У адсорбированной воды больше плотность, теплоемкость, более высокая температура кипения, более низкая температура замерзания и т. д.

Капиллярно-связанная вода образуется в микрокапиллярах тела путем поглощения воды из влажного воздуха или при непосредственном соприкосновении. Причиной возникновения такой формы связи является капиллярное давление, вызванное кривиз-

5

ной поверхности жидкости в капиллярах. В отличие от адсорбци- онно-связанной воды капиллярно-связанная вода в основном сохраняет свои исходные свойства.

Гигроскопичность твердого вещества определяется адсорбцией (поглощением молекул воды поверхностью), после чего вода поступает внутрь материала под действием капиллярных сил и диффузии.

Равновесное влагосодержание любого материала зависит от температуры и влажности окружающего воздуха, а также от способа достижения равновесия (повышением или понижением влажности). Графическое изображение зависимости равновесного влагосодержания материала U от относительной влажности воздуха φ при равенстве температур материала и воздуха называется изотермой сорбции или десорбции в зависимости от того, каким образом (при поглощении или выделении влаги) было достигнуто равновесие. Изотермы сорбции и десорбции у капиллярнопористых тел не совпадают (гистерезис сорбции).

На рис. 1 приведен пример изотерм сорбции и десорбции. Эти кривые имеют характерную S-образную форму. Изотерма сорбции расположена ниже изотермы десорбции. Изотермы совпадают только в точках при φ = 0 и 100 %. Влагосодержание, соответствующее φ = 100 %, называется максимальным гигроскопическим влагосодержанием. При данной температуре тело не способно поглощать больше влаги из воздуха. Дальнейшее увлажнение возможно только путем механического добавления.

Рис. 1. Сорбционные изотермы: 1 — сорбция; 2 — десорбция

6

У большинства материалов с повышением температуры равновесное влагосодержание материала при одинаковой относительной влажности уменьшается, реже (например, у угля) — увеличивается. У некоторых материалов изотермы сорбции и десорбции практически не изменяются при изменении температуры.

Равновесное влагосодержание достигается у ряда материалов чрезвычайно медленно, иногда в течение нескольких месяцев. Средняя влажность тела обычно не равна значениям влажности в разных его точках. Поэтому при измерениях необходимо принимать во внимание неравномерность распределения влаги по объему.

3. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ

Методы измерения влажности жидких и твердых веществ принято разделять на прямые и косвенные (физические).

В прямых методах производится разделение материала на сухое вещество и влагу. К прямым методам относятся:

метод высушивания и взвешивания; дистилляционные методы; экстракционные методы; химические методы.

В косвенных методах измеряется физическая величина, функционально связанная с влажностью материала.

Ккосвенным методам относятся: механические методы; электрические методы; оптические методы; радиометрические методы;

метод ядерного магнитного резонанса.

Косвенные методы требуют предварительной градуировки с целью установления зависимости между влажностью и измеряемой величиной.

3.1. Прямые методы

Метод высушивания и взвешивания является классиче-

ским методом определения влажности твердых материалов. Он

7

основан на зависимости равновесного влагосодержания материала от температуры и относительной влажности окружающего воздуха. При повышении температуры и снижении относительной влажности уменьшается равновесная влажность материала. Высушивание может производиться как при атмосферном давлении (в воздушно-тепловых установках), так и при пониженном давлении (в вакуумно-тепловых установках).

В последние годы широко применяется нагрев пробы инфракрасным излучением. В современных средствах измерения влажности определение убыли массы навески в процессе сушки, математическая обработка и вычисление влажности пробы осуществляются автоматически.

Проба предварительно размалывается на специальной мельнице. Затем она подвергается воздушно-тепловой сушке до состояния равновесия с окружающей средой. Измеряется вес пробы материала до и после сушки и рассчитывается массовая доля влаги

где G1 и G2 — вес пробы до и после высушивания.

На практике применяются высушивание до постоянного веса

иускоренные методы.

Вметоде высушивания до постоянного веса сушку заканчивают, если два последовательных взвешивания дают одинаковые или весьма близкие результаты. По мере удаления влаги скорость сушки постепенно уменьшается, поэтому предполагается, что при этом методе удаляется почти вся влага, содержащаяся в пробе. Длительность определения влажности может быть большой — от нескольких часов до нескольких суток.

Метод высушивания до постоянного веса описан в ГОСТ Р 52610–2006 «Концентраты пищевые. Гравиметрический метод определения доли влаги». Из лабораторной пробы отбирают навески массой 3,000 г, помещают в стаканчики и выдерживают в сушильном шкафу при температуре (100±2) °С в течение 2 часов. Затем стаканчики взвешивают.

При дальнейшем высушивании стаканчики взвешивают через каждый час. Высушивание заканчивают, если разница предыдущего и последующего взвешиваний не будет превышать 0,001 г.

8

В ускоренных методах сушка ведется в течение определенного значительно более короткого промежутка времени при повышенной температуре. Например, ГОСТ 8.432–81 «ГСИ. Влажность зерна и продуктов его переработки. Методика выполнения на образцовой вакуумно-тепловой установке» предусматривает проведение сушки в две стадии:

подсушивание неизмельченной продукции при температу-

ре 105 °С;

обезвоживание измельченной продукции при температуре

130°С.

Продолжительность каждой стадии подсушивания зависит от

характера продукции.

Методу высушивания и взвешивания присущи следующие методические погрешности:

прекращение сушки соответствует не полному удалению влаги, а равновесному состоянию между влагой в материале и водным паром в воздухе;

при сушке органических материалов наряду с выделением влаги из пробы удаляются и другие летучие вещества;

иногда возможно термическое разложение материала; в некоторых веществах в ходе сушки образуется водоне-

проницаемая корка, препятствующая дальнейшему удалению влаги.

Таким образом, результаты измерения зависят от длительности сушки, температуры и давления, при которых протекала сушка. У материалов, которые измельчаются перед определением влажности, возможно снижение влажности в процессе измельчения.

При дистилляционных методах исследуемый образец смешивается с определенным количеством растворителя и нагревается в сосуде. Выделяющиеся пары воды вместе парами жидкости проходят через охладитель. Вода конденсируется и поступает в измерительный сосуд, в котором измеряется ее объем или масса.

На рис. 2 изображен аппарат для количественного определения содержания воды в нефтяных, пищевых и других продуктах методом дистилляции в соответствии с ГОСТ 2477–65 «Нефтепродукты. Метод определения содержания воды».

9

В дистилляционную колбу вводят 100 см2 или 100 г пробы, затем 100 см2 растворителя и тщательно перемешивают. Собирают аппарат так, чтобы обеспечить герметичность всех соединений и исключить утечку пара и проникновение посторонней влаги. Включают нагреватель, содержимое колбы доводят до кипения и далее нагревают так, чтобы скорость поступления дистиллята в приемник была от 2 до 5 капель в 1 с.

Массовую долю влаги вычисляют по формуле

где Vв – объем воды в приемнике, см3; M – масса пробы, г.

10