Измерение влажности веществ и материалов реферат

Обновлено: 05.07.2024

Влажность и содержание молекул воды в веществах и материалах являются одним из наиболее важных характеристик состава. Уже указывалось, что влагу необходимо измерять в газах (концентрация паров воды), в смесях жидкостей (собственно содержание молекул воды) и в твердых телах в качестве кристаллизационной влаги, входящей в структуру кристаллов. Соответственно, набор методов и устройств для измерения содержания молекул воды в материалах оказывается весьма разнообразным.

Традиции измерительной техники, опирающиеся на повседневный опыт, привели к тому, что в измерениях влажности сложилась специфическая ситуация, когда в зависимости от влияния количества влаги нате или иные процессы необходимо знать либо абсолютное значение количества влаги в веществе, либо относительное значение, определяемое как процентное отношение реальной влажности вещества к максимально возможной в данных условиях. Если необходимо знать, например, изменение электрических или механических свойств вещества, в этом случае определяющим является абсолютное значение содержания влаги. То же самое относится к содержанию влаги в нефти, в продуктах питания и т. д. В том случае, когда необходимо определить скорость высыхания влажных объектов, комфортность среды обитания человека или метеорологическую обстановку, на первое место выступает отношение реальной влажности, например воздуха, к максимально возможной при данной температуре.

В связи с этим характеристики влажности, а также величины и единицы влажности подразделяются на характеристики влагосостояния и влагосодержания.

Влагосодержание - величины и единицы, выражающие реальное количество влаги в веществе. Основной характеристикой влагосодержания является абсолютная влажность, определяемая как количество влаги в единице объема:

К этому классу характеристик можно отнести парциальное давление водяных паров в газах, абсолютную концентрацию молекул воды для газа, близкого к идеальному, определяемую как:

где Т -абсолютная температура, n₀- постоянная Лошмидта, равная числу молекул идеального газа в 1 см 3 при нормальных условиях, т. е. при p₀= 760 Торр= 1015 Гпа и T₀ = 273,1б К. Часто используется такая характеристика абсолютной влажности как точка росы, т. е. температура, при которой данная абсолютная влажность газа становится 100%.Эта характеристика привнесена в гигрометрию метеорологам и, т.к. является наиболее характерной при определении момента выпадения росы и определения ее количества.

Влагосостояние - процентное соотношение, равное отношению абсолютной влажности к максимально возможной при данной температуре:

Относительная влажность может характеризоваться так называемым дефицитом парциального давления, равного отношению парциального давления влаги к максимально возможному при данной температуре. Очень редко в гигрометрических измерениях можно встретить дефицит точки росы.

Связь между температурой и максимально возможной абсолютной влажностью дается уравнением упругости насыщенных паров воды. Это уравнение имеет вид:

На практике чаще пользуются таблицей давления насыщенных паров над плоской поверхностью воды или льда при различных температурах. Эти данные приведены в таблице.

В состав большинства неметаллических промышленных изделий и сельскохозяйственных продуктов входит влага, определяющая их технологические и потребительские свойства. Полное отсутствие влаги и ее избыток ухудшают физико-химические и физико-механические свойства большинства материалов, в то время как оптимальное ее содержание обеспечивает их высокое качество. Поэтому влажность материалов является одним из важнейших качественных показателей продукции и строго регламентируется государственными стандартами.

Содержание влаги в материале характеризуется чаще всего или влагосодержанием, или влажностью. Влагосодержание — это отношение количества влаги в материале к количеству абсолютно сухого вещества. Влажность — это отношение количества влаги в материале ко всему количеству материала (сухому веществу вместе с влагой). Влагосодержание и влажность материалов могут быть выражены в виде отношения весовых или объемных величин. Поэтому приходится различать весовое или объемное влагосодержание, весовую или объемную влажность. Они выражаются следующим образом:
Весовое влагосодержание материала:
(1)
где q_В —-вес содержащейся в пробе воды; q_c— вес абсолютно сухого вещества.
Объемное влагосодержание материала:
(2)
где V_B— объем воды, содержащейся в пробе; V_C— объем абсолютно сухого вещества.
Весовая влажность материала:
(3)
где q — полный вес пробы материала.
Объемная влажность материала:
(4)
где V — полный объем пробы материала.

Применение тех или иных величин для характеристики содержания влаги в материале зависит только от удобства и в некоторой степени от установившейся практики. Для всей группы твердых материалов чаще всего пользуются весовой процентной влажностью, вычисленной по формуле (3).

Это обусловлено наиболее распространенной методикой определения влажности твердых тел высушиванием и вычислением влажности по потере веса при высушивании, а также наибольшей наглядностью этой величины.

Пользуясь формулами (1), (2) и выражая влагосодержание материала в процентах, можно получить численное значение влагосодержания, превышающее 100%. Связь между количеством влаги в материале и выражением этого количества в величинах влажности и влагосодержания в процентах и относительных величинах приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Зависимость между количеством влаги в материале и числовыми значениями: 1 - W (%); 2 - U ; 3 – U (%)

1.2 Формы связи влаги с материалом
При определении и оценке содержания влаги в контролируемых материалах необходимо учитывать сложные и разнообразные формы связи влаги с материалом, а также способность материалов поглощать или отдавать влагу.

Связи подразделяют на химические, физико-химические и физико-механические.

К химическим связям относятся наиболее сильные связи — ионная и молекулярная, при которой молекулы воды не существуют самостоятельно, а входят в состав молекул самого вещества и химически с ними связаны.

К физико-химическим связям относятся адсорбционная и осмотическая связи.

Наибольшей сложностью отличаются формы связи влаги с твердыми материалами. У всех твердых материалов имеются поры и капилляры, удерживающие в себе влагу. Причем эта влага может состоять из твердых вкраплений, жидкой фазы и, частично, пара, заполняющего некоторый объем пор и капилляров.

2 Основные методы определения влаги в твёрдых материалах
2.1 Метод высушивания
Сущность метода заключается в высушивании пробы, удалении из нее несвязанной влаги и вычислении процентной влажности по потере веса. Метод высушивания получил наибольшее распространение среди всех остальных методов определения влажности твердых сыпучих тел, дробленых, порошкообразных, листовых, пленочных материалов. Поскольку проба может быть взвешена до и после сушки с высокой точностью (некоторые стандарты предусматривают это взвешивание с точностью до 0,0001 г), метод сушки является одним из наиболее точных, и поэтому его широкое применение в стандартах не случайно. Однако, применяя метод высушивания пробы, следует иметь в виду, что многие твердые материалы могут содержать летучие вещества, потеря которых в процессе удаления влаги может исказить представление о действительной влажности материалов. Поэтому каждым стандартом на каждый конкретный материал регламентируется режим сушки, метод высушивания, применяемые сушильные устройства, продолжительность сушки и, температура, при которой должен высушиваться данный материал.

Процентную влажность исследованного материала вычисляют по формуле:
(5)
где (g₁-g₂) – вес, содержащейся в пробе влаги; (g₁-g₀) – чистый вес первоначально взятой навески.
Если проба взвешивается и высушивается без тары, то в формуле (5) достаточно считать g₀, равным нулю, тогда эта формула примет вид:
(6)
где g₁ – вес взятой для исследования пробы (навески); g₂ – вес высушенной пробы.

2.2 Метод прямого весового определения
Сущность метода заключается в нагревании навески (пробы) материала в атмосфере хорошо осушенного инертного газа, чаще всего азота, улавливании выделяющихся паров воды энергичными поглотителями и определении влажности материала по весу выделившейся и поглощенной влаги (увеличению веса поглотителей).

Влажность материала методом прямого весового определения находят на установке, схема которой приведена на рисунке 2.

Азот из баллона 1 через редукционный вентиль 2 и маностат 3 подается в осушительную (обезвоживающую) систему, состоящую из цилиндра-колонки 4, заполненной хлорнокислым магнием, и двух параллельных ветвей с включенными в них контрольными U-образными трубками 5, также заполненными хлорно-кислым магнием, по привесу которых можно судить о степени осушки газа. За каждой U-образной трубкой устанавливают по одному реометру 7 с краниками 6, контролирующему расход газа, поступающего в сушильный шкаф 12 с установленными в нем пробами исследуемого материала.

Очевидно, что сумма g₁ + g₂ представляет собой вес всей удаленной из материала влаги, который определился прямым ее взвешиванием. Это и обусловливает само наименование метода, как прямого весового метода определения влаги.

Объемное определение влаги производится аппаратом для количественного определения содержания воды в нефтяных, пищевых и других продуктах (Рисунок 3).

Рисунок 3 – Аппарат для количественного определения воды: 1 - колба; 2 - приёмник-ловушка; 3 – холодильник
В колбу 1 помещается подлежащая исследованию, предварительно взвешенная проба и добавляется необходимое количество толуола. При этом влага, содержащаяся в материале, смешивается с толуолом, при перегонке конденсируется в холодильнике 3 и собирается в приемнике-ловушке 2. После кратковременного отстоя вся отогнанная влага собирается в нижней, градуированной части приемника-ловушки.
Процентное содержание влаги в исследуемом материале вычисляется по формуле:
(8)
где V — объем выделившейся воды, мл; g — навеска материала, г.
Поскольку при определении влажности измеряется объем содержащейся в пробе влаги, метод называется методом прямого объемного определения содержания влаги.
2.4 Метод переноса влаги во вспомогательную среду
В ряде случаев удаление влаги из материала высушиванием недопустимо или нецелесообразно (если материал не допускает нагревания или если влага не может быть удалена нагреванием). Содержание влаги может определяться методом перегонки с какой-либо несмешивающейся с водой вспомогательной средой, имеющей низкою температуру кипения.

При этом существует две разновидности метода.

В первом случае контролируемый материал не растворяется в выбранной вспомогательной среде, и после перегонки вода отделяется в сборнике и отсчитывается ее объем.

Во втором случае контролируемый материал полностью растворяется в выбранной вспомогательной среде — в данном случае хорошем растворителе, выделяя содержащуюся в нем влагу. После перегонки влага отделяется. Такой метод используется для материалов, содержащих влагу во внутренних, замкнутых порах и капиллярах, из которых вода не может быть удалена нагреванием, или материалов с высокой температурой кипения.
2.5 Газовый метод определения
Метод прямого объемного определения воды перегонкой не отличается большой точностью, поэтому стандарты устанавливают количественный метод определения малого содержания воды. Он основан на взаимодействии гидрида кальция с водой, содержащейся в контролируемом нефтепродукте, и измерении объема выделившегося при этом водорода. Содержание воды вычисляется по объему выделившегося водорода.

Гидрид кальция — СаН₂, взаимодействуя с водой, образует гидрат окиси кальция с выделением свободного газообразного водорода. Реакция протекает по уравнению:
(8)
Этот метод отличается большой чувствительностью, что можно подтвердить при расчете приведенной реакции по молекулярным весам участвующих в реакции веществ:
;
;
;
,
отсюда: .
Как видно по приведенному уравнению, 36 г воды, вступая во взаимодействие с гидридом кальция, выделяют 4 г водорода, или 1 г воды выделяет 0,11 г водорода.

Но 1 г воды занимает объем 1 см 3 , а 0,11 г водорода — 1240 см 3 (при нормальных условиях 1 л водорода весит 0,089 г).

Таким образом, гидрид кальция как бы резко увеличивает (в 1240 раз) объем воды, содержащейся в контролируемом нефтепродукте.

Если учесть, что цена деления газовой бюретки для улавливания водорода составляет 0,05 мл (см 3 ), то можно установить, что этому объему соответствует 0,00004 г воды. Отнеся её к навеске пробы (100 г), устанавливаем, что этот метод позволяет обнаруживать воду в количестве 0,00004%.

Практически достижимая точность определения воды, узаконенная стандартами — до 0,005 ±0,001 или до 0,005 ±0,0002%.
2.6 Измерение влажности материалов электровлагомерами
Достижения современного приборостроения позволили разработать удобные приборы для автоматического определения влажности каменного угля от 5 до 18%.

Такими являются приборы ЭВ-2К и ему подобные.

Электронный влагомер типа ЭВ-2К (Рисунок 4) — используется для определения влажности древесины при температуре 20 Cº. Погрешность прибора составляет (2…3)%.

Датчик для измерения влажности стружки представляет собой разъёмный стакан, в котором между двумя дисковыми электродами с помощью пресса уплотняется навеска материала. С помощью этих электродов измеряется электрическое сопротивление уплотнённого материала – стружки.

Рисунок 4 – Электровлагомер ЭВ-2К: 1 – электронное измерительное устройство; 2 – датчик

Заключение
Со временем многие методы лабораторного определения влажности, предусмотренные стандартами, будут заменены методами экспрессного определения влажности с помощью влагомеров. Повсеместное применение лабораторных и промышленных влагомеров ставит на повестку дня вопрос об их метрологическом обслуживании органами государственного надзора за состоянием измерительной техники.

Это обслуживание с регулярной поверкой и аттестацией рабочих приборов будет осуществляться на основе специальных поверочных схем, разработанных в последнее время.

Список использованных источников
1. Мелкумян В.Е. Измерение и контроль влажности материалов. – М.: Издательство комитета стандартов, мер и измерительных приборов при совете министров СССР, 1970. – 138 с.

2. СТО 4.2–07–2014 Система менеджмента качества. Общие требования к построению, изложению и оформлению документов учебной деятельности. – Введ. 09.01.2014. – Красноярск : ИПК СФУ, 2014. – 60 с.

Измерение влажности
Влажность газов, жидкостей и твердых материалов — один из важных показателей в технологических процессах. Влажность газов, например, необходимо измерять в сушильных установках, при очистке газов, в газосборниках, при кондиционировании воздуха и т. д. Измерение содержания воды в нефти, спиртах, ацетоне проводят в процессах нефтепереработки и нефтехимии, в пульпах — в производстве серной кислоты и минеральных удобрений. Измерение влажности твердых сыпучих материалов занимает важное место в производстве красок, минеральных удобрений,

Содержимое работы - 1 файл

Измерение влажности.doc

Влажность газов, жидкостей и твердых материалов — один из важных показателей в технологических процессах. Влажность газов, например, необходимо измерять в сушильных установках, при очистке газов, в газосборниках, при кондиционировании воздуха и т. д. Измерение содержания воды в нефти, спиртах, ацетоне проводят в процессах нефтепереработки и нефтехимии, в пульпах — в производстве серной кислоты и минеральных удобрений. Измерение влажности твердых сыпучих материалов занимает важное место в производстве красок, минеральных удобрений, строительных материалов; влажность волокнистых материалов определяет качество продукции при производстве бумаги и картона.

Влажность газов в технологических процессах обычно измеряют психрометрическим методом.

В специальных влагомерах для жидкостей используют емкостный и абсорбционный методы измерения.

Действие емкостных влагомеров основано на изменении диэлектрической проницаемости жидкости при изменении содержания в ней воды. Электрическая схема такого влагомера аналогична электрической схеме емкостного уровнемера. Изменение влажности жидкости приводит к изменению емкости

Сх и выходного напряжения моста U. Такими влагомерами измеряют содержание воды в нефти на нефтеперерабатывающих заводах. Диапазон измерения прибора 0-1 %.

Принцип действия абсорбционных влагомеров для жидкости основан на поглощении водой энергии излучения в области спектра близкой к инфракрасной.

Жидкость пропускают через камеру, где через нее проходит поток излучения от источника. Так как в камере часть энергии поглощается влагой, энергия выходящего потока будет тем меньше, чем больше концентрация влаги в смеси.

Источником излучения служит лампа накаливания, приемником - фоторезистор. Промышленные анализаторы влажности служат для определения концентрации влаги в ацетоне и спиртах от 0 до 5 %.

Сложность измерения влажности твердых сыпучих и волокнистых материалов заключается в том, что при взаимодействии датчика с материалом может изменяться его структура, насыпная плотность и другие факторы, существенно увеличивающие погрешность прибора. Поэтому в промышленности нашли применение в основном бесконтактные методы измерения: оптический и сверхвысокочастотный.

В оптических влагомерах используется связь между влажностью вещества и потоком отраженного от него излучения. Для получения наибольшей чувствительности применяют излучение в инфракрасной области спектра, которое создается источником. Отраженный анализируемым материалом световой поток направляется собирающим устройством на приемник. Чем больше влажность материала, тем лучше он поглощает инфракрасное излучение и тем меньше величина отраженного потока.

Поскольку таким методом можно измерить влажность лишь тонкого слоя, влагомер обычно применяют для сыпучих материалов, транспортируемых по конвейерным лентам.

Сверхвысокочастотные (СВЧ) влагомеры используют значительное (в десятки раз) различие электрических свойств воды и сухого материала. Концентрацию влаги измеряют по ослаблению СВЧ-излучения, проходящего через слой анализируемого материала. В таких влагомерах лента материала (например, волокнистого: бумага, картон) проходит между передающей и приемной антеннами. Передающая антенна соединена с СВЧ-генератором, приемная — с измерительным устройством. Чем больше влажность анализируемого материала, тем меньше сигнал, попадающий в измерительное устройство.

СВЧ-влагомеры позволяют измерять влажность в широком диапазоне (0-100 %) с высокой точностью.

Управление технологическими процессами только по таким параметрам, как давление, уровень, расход и температура, часто не гарантирует получение продуктов требуемого качества. Во многих случаях необходим автоматический контроль состава и свойств вырабатываемых продуктов. Приборы для такого контроля это автоматические анализаторы влажности, вязкости, концентрации, плотности, прозрачности и т. п.

Большинство выпускаемых промышленностью автоматических анализаторов предназначено для определения состава и свойств бинарных и псевдобинарных смесей. Бинарной смесью называют газовую смесь, состоящую из двух газов, или жидкость, содержащую один растворенный компонент. Анализ бинарной смеси возможен при условии, что составляющие ее компоненты отличаются друг от друга какими-либо физическими или физико-химическими свойствами. Псевдобинарной называют многокомпонентную смесь, в которой неопределяемые компоненты резко отличаются по физическим или физико-химическим свойствам от определяемого компонента. Анализ такой смеси аналогичен анализу бинарной смеси.

Анализ многокомпонентных смесей, содержащих три и более компонента, проводят только после их предварительного разделения на отдельные компоненты.

Специфической особенностью аналитических измерений является сильное влияние на их результаты побочных факторов (температуры, давления, скорости движения вещества и т. п.). Эти факторы особенно влияют на точность таких аналитических приборов, принцип действия которых основан на использовании какого-либо одного свойства вещества (электропроводности, теплопроводности, магнитной или диэлектрической проницаемости и др.). Поэтому автоматические анализаторы обычно оснащены сложным дополнительным оборудованием для отбора пробы, подготовки ее к анализу, стабилизации условий измерений или автоматического введения поправки и т. п.

Многообразие анализируемых веществ и широкий диапазон их составов и свойств обусловили производство автоматических приборов с чрезвычайно разнообразными методами анализа. Приборостроительная промышленность выпускает разнообразные автоматические анализаторы: плотномеры, вискозиметры, газоанализаторы, влагомеры, хроматографы, нефелометры и т. д. Если приборы для измерения таких общетехнических параметров, как давление, уровень, расход и температура, применяются практически во всех производствах, то анализаторы, напротив, как правило, для специфических задач конкретного производства.

Измерители влажности по методам измерений принято делить на прямые и косвенные . В измерителях влажности использующих прямые методы производится непосредственное разделение материала на сухое вещество и влагу. В измерителях влажности использующих косвенные методы измеряется величина, функционально связанная с влажностью материала. Косвенные методы требуют предварительной градуировки с целью установления зависимости между влажностью материала и измеряемой величиной.

Принцип работы измерителей влажности базирующихся на прямом методе измерения заключается в непрерывном определении массы пробы при высушивании . В этих приборах сушку заканчивают, если два последовательных взвешивания исследуемого образца дают одинаковые или весьма близкие результаты. Так как скорость сушки постепенно уменьшается, предполагается, что при этом удаляется почти вся влага, содержащаяся в образце. Далее измеритель влажности сравнением массы пробы до и после высушивания определяет значение массовой доли влаги (или массы сухого вещества) в пробе. Длительность измерения этим методом составляет обычно от 0,5 часа до нескольких часов. В ускоренных методах сушка ведется в течение определенного, значительно более короткого промежутка времени при повышенной температуре (например, стандартный метод измерения влажности зерна заключается в сушке размолотой навески при +130 градусах в течение 40 минут).

Обычно подобные измерители влажности выполняют в виде настольного прибора, состоящего из весового устройства, камеры галогенного или инфракрасного высушивания и электронного блока управления для регистрации и обработки результатов измерений.

Измерению влажности подобными приборами твердых и сыпучих материалов высушиванием присущи следующие методические погрешности:

а) при высушивании органических материалов наряду с потерями гигроскопической влаги происходит испарение легколетучих соединений; одновременно при сушке в воздухе имеет место поглощение кислорода вследствие окисления вещества, а иногда и термическое разложение пробы;

б) прекращение сушки соответствует не полному удалению влаги, а равновесию между давлением водяных паров в материале и давлением водяных паров в воздухе;

в) удаление связанной влаги в коллоидных материалах невозможно без разрушения коллоидальной частицы и не достигается при высушивании;

г) в некоторых веществах в ходе сушки образуется водонепроницаемая корка, препятствующая дальнейшему удалению влаги.

Некоторые из указанных погрешностей можно уменьшить сушкой в вакууме при пониженной температуре или в потоке инертного газа. Однако для подобной сушки требуется более громоздкая и сложная аппаратура, чем для воздушно-тепловой.

Тем не менее, измерители влажности, реализующие прямой метод измерений, являются самими точными, а при измерениях остаточной влажности (менее 1%) им нет альтернативы. К недостаткам следует отнести их дороговизну, высокое время измерений и, самое главное, этот метод является разрушающим (например, чтобы измерить влажность деревянного изделия из него необходимо вырезать образец для измерений).

Наиболее распространёнными измерителями влажности, реализующими косвенные методы, являются кондуктометрические , диэлькометрические (ёмкостные) и сверхвысокочастотные (СВЧ). Основой данных методов измерения влажности является зависимость от влажности параметров, характеризующих поведение влажных материалов в электрических полях.

Кондуктометрические измерители влажности

Кондуктометрические измерители влажности основаны на измерении электрической проводимости материала. Влагосодержащие материалы, являясь в сухом виде диэлектриками, в результате увлажнения становятся проводящими. Удельное сопротивление влажных материалов изменяется в зависимости от содержания влаги в чрезвычайно широком диапазоне, охватывающем 9-12 порядков. Такой широкий диапазон может негативно сказывается на точности данных измерителей, особенно сложно кондуктометрическими измерителями влажности контролировать материалы при малых влажностях, когда электрическое сопротивление очень велико и мешающие факторы вносят в него большую погрешность. Так, наиболее распространённым материалом контроля для игольчатых влагомеров является древесина. В наиболее важном для контроля диапазоне 5…15% она имеет электрическое сопротивление свыше 100 Мом. Точно измерить такие сопротивления - задача не простая, тем более получить на основе этого точное значение влажности, учитывая при этом влияние на электропроводность структуры материала, формы пор, их размеров, характера распределения влаги, наличие на измеряемом материале поверхностной влажности и каких-либо загрязнений.

Диэлькометрические измерители влажности

Принцип работы диэлькометрических измерителей влажности основан на зависимости диэлектрической проницаемости материала от его влажности (т.к. диэлектрическая проницаемость воды во много раз выше, чем у большинства материалов, способных поглощать влагу, то диэлектрическая проницаемость влажного материала дает достоверную информацию об его влажности). По этому методу измеряют ёмкость датчика, заполненного исследуемым материалом (для сыпучих), или ёмкость датчика помещённого на измеряемую поверхность (для твёрдых материалов). Измеряемая ёмкость является функцией диэлектрической проницаемости, и, соответственно, влажности контролируемого материала.

К достоинствам диэлькометрических измерителей влажности следует отнести контроль влажности в широком диапазоне с высокой точностью, оперативность измерений, отсутствие повреждений на измеряемой поверхности после измерений. К недостаткам - невозможность с высокой точностью контролировать остаточную влажность менее 1…0,5%, но, например, для строительных материалов и древесины такой необходимости нет.

СВЧ измерители влажности

СВЧ-влагомеры позволяют измерять влажность в широком диапазоне (0-100 %) с высокой точностью.

Читайте также: