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

При химических методах производится обработка материала реактивом, вступающим в реакцию только с влагой, содержащейся в веществе. Количество воды определяется по количеству жидкого или газообразного продукта реакции или методом титрования. Наиболее распространенными химическими методами являются карбидный метод и метод титрования с применением реактива Фишера.

В карбидном методе проба материала смешивается с карбидом кальция в избыточном количестве. Происходит реакция с образованием гидрооксида кальция и ацетилена:

CaC2 + 2H2O → Ca(OH)2 + C2H2.

Определяется количество выделенного газа путем измерения его объема (волюметрический метод), давления в установке с замкнутым объемом (манометрический метод) или массы (гравиметрический метод). Объем образовавшегося ацетилена более чем в 1000 раз превышает объем воды, вступившей в реакцию.

Метод титрования с использованием реактива Фишера является универсальным методом определения воды в материалах. Он применяется для определения содержания воды в твердых, жидких и газообразных материалах в лабораторных условиях. Метод отличается универсальностью, высокой чувствительностью и точностью.

Реактив Фишера представляет собой раствор возогнанного металлического йода J2, безводного пиридина C5H5N и сухого сернистого ангидрида SO2 в абсолютном метаноле. В основу метода положена реакция взаимодействия йода и сернистого ангидрида с водой с образованием серной и йодистоводородной кислоты. Пиридин служит для нейтрализации образовавшихся при реакции кислот.

J2 + SO2 + 2H2O → H2SO4 + 2HJ.

Конец титрования (точку эквивалентности) определяют визуально или электрометрическим методом. Количество воды определяют по количеству реактива Фишера, затраченного до конца титрования.

11

3.2. Косвенные методы

Механические методы основаны на измерении механических характеристик материала, связанных с его влажностью. Такими характеристиками являются:

плотность; сопротивление раздавливанию (зерна);

сопротивление вдавливанию металлической иглы, конуса или ножа (в глину);

сопротивление деформирующему усилию; давление, необходимое для уплотнения пробы (хлопка);

усадка материала (почвы) под давлением поршня в цилин-

дре.

Метод гигротермического равновесия основан на том, что между влагосодержанием гигроскопичных веществ и относительной влажностью окружающего воздуха в условиях равновесия существует зависимость, описываемая изотермой сорбции.

Если большую пробу влажного материала поместить в капсулу, изолированную от воздушных потоков, в этой капсуле медленно установится некоторая относительная влажность воздуха. По изотерме сорбции можно определить содержание влаги в этом веществе, соответствующее измеренной относительной влажности воздуха в капсуле.

Метод инерционен и используется в длительных процессах хранения и сушки материалов.

Электрические методы основаны на зависимости электрических характеристик материалов от их влажности. Нашли применение кондуктометрический и диэлькометрический методы.

Кондуктометрический метод основан на зависимости элек-

тропроводности материала от его влажности.

Чистая вода имеет относительно небольшую электропроводность (удельное электрическое сопротивление при 20 °С 22∙106 Ом∙см). Но за счет диссоциации электролитов при их растворении в воде электропроводность раствора повышается на несколько порядков. Таким образом, электропроводность влажного материала определяется прежде всего электролитами, содержащимися в самом материале.

Влагосодержащие материалы, которые в сухом виде являются диэлектриками с удельным электрическим сопротивлением

12

1010...1015 Ом∙см и более, при увлажнении становятся полупроводниками. Удельное электрическое сопротивление снижается до

10–2...10–3 Ом∙см.

Измерение влажности сводится к измерению электрического сопротивления первичного преобразователя. Характер зависимости электрического сопротивления первичного преобразователя от влажности твердого органического материала имеет вид, приведенный на рис. 3.

В связи с этим кондуктометрический метод применяется для измерений низкой и средней влажности. При этом нижний предел измерения ограничен трудностями измерения очень больших сопротивлений (более 1011...1012 Ом). Для большинства материалов это соответствует влажности порядка 5...8 %.

Рис. 3. Характер зависимости электрического сопротивления твердого материала от влажности:

W – массовая доля влаги;

R – электрическое сопротивление первичного преобразователя, Ом

При низкой и средней влажности появляется резкая зависимость сопротивления от влажности, что обеспечивает высокую чувствительность влагомера в этом диапазоне влажности. При высокой влажности чувствительность снижается. Поэтому на результат измерения оказывают влияние факторы, не связанные с влажностью анализируемого вещества (химический состав, структура и т.д.).

У неводных жидкостей зависимость удельной электрической проводимости в узком диапазоне может быть практически линейной.

Электропроводность влажных материалов, как сказано выше, определяется содержанием в них электролитов, которые при растворении в воде распадаются на ионы. Электролиты являются проводниками электрического тока второго рода. Прохождение

13

электрического тока определяется движением ионов и сопровождается химическими реакциями — электролизом. При этом происходит изменение потенциала электродов — поляризация. Для устранения влияния поляризации на результат измерения в большинстве случаев измерение сопротивления проводится на переменном токе.

На электропроводность материалов большое влияние оказывает температура. Поэтому в средствах измерения влажности материалов должна быть предусмотрена термокомпенсация или стабилизация температуры анализируемых материалов.

Диэлькометрический (емкостной) метод основан на осо-

бых электрических свойствах воды. Вода обладает целым рядом особенностей строения и свойствами, отличающими ее от других веществ. Одним из аномальных свойств воды является очень высокая диэлектрическая проницаемость. Диэлектрическая проницаемость свободной воды ε ≈ 80. У большинства твердых веществ ε < 10, у жидкостей ε < 10...20. Диэлектрическая проницаемость воды зависит от ее состояния. При связывании вода теряет подвижность в электрическом поле и ее диэлектрическая проницаемость уменьшается. У химически связанной воды ε = 4,5...4,9.

Влажный материал условно может быть представлен как двухкомпонентная смесь с диэлектрической проницаемостью εсм, которая определяется по выражению

εсм = ρвεв + ρсεс,

где εв и εс — диэлектрическая проницаемость воды и сухого материала;

ρв и ρс — объемная концентрация воды и сухого материала. Характер зависимости диэлектрической проницаемости не-

которых твердых материалов от влажности приведен на рис. 4. Первичный преобразователь диэлькометрического влагомера

представляет собой конденсатор. Емкость конденсатора С зависит от диэлектрической проницаемости вещества, находящегося между электродами конденсатора:

С = kε,

где ε — диэлектрическая проницаемость анализируемого вещества;

k – постоянный коэффициент, который определяется размерами конденсатора и его конструкцией.

14

гласно ГОСТ 14203–69 «Нефть и нефтепродукты. Диэлькометрический метод определения влажности» приведены на рис. 5.

а б

Рис. 5. Расположение первичного преобразователя диэлькометрического влагомера нефти в трубопроводе:

а — с цилиндрическими электродами; б — с плоскими электродами; 1 — внутренний электрод; 2 — внешний электрод; 3 — разъем для соединения с измерительным блоком

Для снижения влияния диэлектрической проницаемости самой сухой нефти применяются дифференциальные влагомеры. Схема диэлькометрического дифференциального влагомера нефти приведена на рис. 6.

Влагомер содержит два первичных преобразователя, выполненных в виде цилиндрических конденсаторов. Конденсатор 1 установлен в трубопроводе, по которому протекает анализируемая нефть. Конденсатор 2 установлен в емкости, которая периодически заполняется очищенной от механических примесей и осушенной нефтью. Конденсаторы включены в колебательные контуры генераторов 4 и 5. Частоты колебаний в контурах пропорциональны емкостям конденсаторов 1 и 2. Выходной сигнал

16

смесителя 6 равен разности частот колебательных контуров и определяется концентрацией воды в нефти.

Рис. 6. Дифференциальная схема измерения влажности нефти:

1, 2 — первичные измерительные преобразователи; 3 — осушитель; 4, 5 — генераторы; 6 — смеситель; 7 — показывающий прибор

Конструкция первичных преобразователей влагомеров твердых веществ зависит от свойств анализируемого материала. Преобразователи для сыпучих материалов часто выполняются в виде цилиндрического конденсатора с центральным электродом. При этом заполнение преобразователя производится с произвольной засыпкой материала, с принудительным уплотнением или с самоуплотнением.

Преобразователи сыпучих материалов также могут иметь вид зондов, которые вводятся в массу материала (см. рис. 7).

17

Применяются также диэлектрические влагомеры на сверхвысоких частотах более 100 МГц (СВЧ-влагомеры). Измерения влажности твердых и жидких материалов на сверхвысоких частотах (СВЧ) являются разновидностью диэлькометрического метода, в котором изменения диэлектрических свойств материала оцениваются по его взаимодействию с радиоволнами дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Важнейшими достоинствами СВЧ-влагомеров являются возможность бесконтактных измерений, высокая чувствительность, неограниченный верхний предел измерения, малое влияние на результат измерений химического состава и некоторые другие факторы. При прохождении радиоволн СВЧ через влажный материал происходит поглощение и рассеивание энергии электромагнитных волн частицами веществ (влаги и сухого скелета). Для получения информации о свойствах вещества можно использовать параметры прошедшего и отраженного излучения.

СВЧ-методы подразделяются на методы свободного пространства (с использованием проходящей или отраженной волны), резонаторные и волноводные методы.

Наибольшее практическое применение нашли влагомеры, основанные на измерении в свободном пространстве затухания или фазового сдвига проходящей волны. Блок-схема такого влагомера приведена на рис. 9.

Рис. 9. Блок-схема амплитудного СВЧ-влагомера:

1 — СВЧ-генератор; 2 — аттенюатор; 3, 7 — согласующие устройства;

4 — передающая антенна; 5 — анализируемый материал; 6 — приемная антенна; 8 — детектор

Анализируемый материал помещается между передающей и приемной антеннами при нормальном падении волны.

19

Выходной величиной преобразователей влагомеров СВЧ служит фазовый сдвиг Δφ или ослабление в децибелах А, вносимое материалом (суммарный эффект поглощения и отражения),

A 10 lg PP0 ,

где Р0 и Р — мощности падающего и прошедшего излучений. Величины Δφ и А измеряются относительно воздуха, т.е. от-

носительно значений, соответствующих отсутствию материала между антеннами. Схема современного СВЧ-влагомера включает компенсационный канал, что повышает чувствительность и точность измерений.

Влагомеры, основанные на отражении волны в свободном пространстве, применяются значительно реже. В этих влагомерах также используются амплитудные и фазовые измерения. Преимуществом измерений по отражению по сравнению с измерениями по прохождению является одностороннее расположение приемопередающей системы относительно объекта измерения.

Внекоторых случаях для повышения точности совмещают два метода: на прохождение и отражение. При этом канал отраженной волны используется для компенсации и внесения поправок в результат измерения.

Резонаторный и волноводный методы требуют введения анализируемого материала в полость резонатора или волновода, что накладывает ограничения на размеры образца и, по существу, эти методы не являются бесконтактными. В то же время локализация электромагнитного слоя повышает чувствительность и создает возможность измерения низкой влажности при малой массе образца.

Врезонаторном методе выходными величинами первичного преобразователя служат изменения параметров резонатора — резонансной частоты и добротности. Волноводные методы основаны на влиянии диэлектрических свойств материала, введенного в

волновод, на характеристики, определяющие распространение радиоволн в волноводе.

Оптические методы основаны на способности воды поглощать излучение определенных длин волн. Во влагомерах используется преимущественно коротковолновая область инфракрасного излучения (λ = 0,8...3 мкм).

20