Методы измерения влажности. Методы измерения влажности принято делить на пря­мые и косвенные

Методы измерения влажности принято делить на пря­мые и косвенные. В прямых методах производится непосредственное разделение материала на сухое вещество и влагу. В косвенных методах измеряется величина, функционально связанная с влажностью материала. Косвенные методы требуют предварительной калибровки с целью установления зависимости между влажностью материала и измеряемой физической величиной.

Прямые методы

Наиболее распространенным прямым методом является метод высушивания (термогравиметрический), заключающийся в воздушно-тепловой сушке образца материала до достижения равновесия с окружающей средой; это равновесие условно считается равнозначным полному удалению влаги. На практике применяется высушива­ние до •постоянного' веса; чаще применяют так называемые ускоренные методы сушки. В первом случае 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. Длительность определения этим методом составляет обычно от нескольких часов до суток и более. В ускоренных методах сушка ведется в течение определенного, значительно более короткого промежутка времени при повышенной температуре (например, стандартный метод определения влажности зерна сушкой размолотой навески при +130^oС в течение 40 мин). Для ускоренной сушки ряда материалов применяют инфракрасные лучи, а в отдельных случаях - диэлектрический нагрев (токи высокой частоты).

Определению влажности твердых материалов высушиванием присущи следующие методические погрешности:

а) при высушивании органических материалов наряду с потерей гигроскопической влаги происходит потеря летучих; 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 коллоидной 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 вакуумной сушки требуется более громоздкая и сложная аппаратура, чем для воздушно-тепловой.

При наиболее распространенном методе сушки (в сушильных шкафах) имеются погрешности, зависящие от применяемой аппаратуры и техники высушивания. Так, например, результаты определения влажности зависят от длительности сушки, от температуры и атмосферного давления, при которых протекала сушка. Температура имеет особенно большое значение при использовании ускоренных методов, когда понижение температуры сильно влияет на количество удаленной влаги. На результаты высушивания влияют также форма и размеры дюкс и сушильного шкафа, распределение температуры в сушильном шкафу, скорость движения воздуха в нем, возможность уноса пыли или мелких частиц образца и т. д. Для материалов, подвергающихся перед определением влажности измельчению, большое значение имеет убыль влаги в образце в процессе измельчения. Эта убыль особенно велика, если при размоле имеет место нагрев образца. С другой стороны, возможно поглощение влаги из окружающей среды в промежутках времени между оконча­нием сушки и взвешиванием образца. Изменения влажности образца до или после сушки вследствие сорбции или десорбции имеют место и у других материалов с высокой гигроскопичностью, например тонких листовых (бумаги).

В итоге высушивание представляет собой чисто эмпирический метод, которым определяется не истинная величина влажности, а некая условная величина, более или менее близкая к ней. Определения влажности, выполненные в неодинаковых условиях, дают плохо сопоставимые результаты. Значительно более точные результаты дает вакуумная сушка, выполняемая обычно в камере при давлении 25 мм рт. ст. и ниже до постоянного веса.

В дистилляционных методах исследуемый образец подогревается в сосуде с определенным количеством жидкости, не смешивающейся с водой (бензин, бензол, толуол, ксилол, минеральное масло и т. д.). Выделяющиеся пары воды вместе с парами жидкости подвергаются отгонке и, проходя через холодильник, конденсируются в измерительном сосуде, в котором измеряется объем или масса воды. Дистилляционные методы в различных модификациях и с использованием разных конструкций аппаратуры были разработаны для различных материалов, в том числе и для жидких. Однако дистилляционным методам также свойственны многие недостатки и источники погрешностей, в том числе и систематических.

Экстракционные методы основаны на извлечении влаги из исследуемого образца твердого материала водопоглощающей жидкостью (диоксан, спирт) и определении характеристик жидкого экстракта, зависящих от его влагосодержания - плотности, показателя преломления, температуры -кипения или замерзания и т. п.

Химический метод.

Основой химических (методов является обработка образца твердого материала реагентом, вступающим в химическую реакцию только с влагой, содержащейся в образце. Количество воды в образце определяется по количеству жидкого или газообразного продукта реакции. Наиболее распространенными химическими методами являются карбидный (газометрический) метод и применена реактива Фишера.В первом методе измельченный образец влажного материала тщательно смешивают с карбидом кальция в избыточном количестве, причем имеет место реакция:СаС₂ + 2Н₂0 =Са(ОН)₂ +С₂Н₂Количество выделенного ацетиленового газа определяют измерением его объема или по повышению давление в плотно закрытом сосуде. Обычно прибор градуируют эмпирически, так как практически не вся вода участвует в реакции и количество выделенного ацетилена не соответствует уравнению реакции.Менее распространен химический метод определению влажности по повышению температуры вследствие химической реакции реагента с влагой вещества; чаще всего в качестве реагента используется серная кислота. Повышение температуры смеси карбида кальция с материалом можно использовать также в карбидном методе, так как реакция воды с СаС₃ протекает с выделением тепла.Иногда необходимо раздельное определение «поверхностной» и «внутренней» влажности материала. Кроме способов, основанных на удалении поверхностной влаги силикагелем, фильтровальной бумагой и т. п., можно применить предложенный И. К. Петровым метод, по которому предварительно взвешенную навеску материала опускают в воду измеряют ареометром, отградуированным в граммах (для данного материала), силу, действующую на навеску, по разности весов навески определяют вес поверхностной влаги.

Косвенные методы

В этих методах оценка влажности материала произ­водится по изменению различных его свойств.

В пикнометрическом методе используются водные пикнометры для определения плотности твердых материалов.

Недостатком этого метода является необходимость в дополнительной информации о плотности материала; кроме того, на результат измерения влияет содержание в материале воздуха и водорастворимых компонентов (соли и т. п.).

Механические методы основаны на измерении изменяющихся с влажностью механических характери­стик твердых материалов: сопротивления раздавливанию (зерна); сопротивления вдавливанию металлической иглы, конуса или ножа; сопротивления деформирующему усилию; давления, необходимого для уплотнения образца (хлопка) постоянной массы в фиксированном объеме; усадки материала (почвы) под давлением поршня в цилиндре и др. Этим методам, отличающимся своей простотой, свойственна низкая точность.

Все физические методы основаны на преобразовании влажности в другую физическую или физико-химическую величину, более удобную для измерения и дальнейших преобразований. Характер измеряемого свойства может служить основным признаком для классификации физических методов измерения влажности.

Целесообразно выделить в отдельную группу электрические методы, в основу которых положено прямое измерение электрических параметров материала.

Вторую группу образуют методы, у которых измеряемая физическая величина не является электрической. Этим методам присвоено наименование «неэлектрических».

Комбинирование методов обеих групп осуществляется в «многопараметрических» методах, основанных на совокупном измерении двух или большего числа параметров материала; каждый из них может быть электрическим или неэлектрическим.

М. В. Венедиктов предложил разделить все методы определения влагосодержания на две группы:

1. Методы, основанные на измерении одного или нескольких свойств влажного материала без предварительного разделения воды и исследуемого материала.

2. Методы «массопереносные», основанные на предварительном переносе влаги во вспомогательную среду.

Эти последние методы реализуются системами(на первом месте указан объект измерения, на втором - среда, в которую переносится влага): «твердое тело — твердое тело», «твердое тело — жидкость», «твердое тело — газ» или «жидкость — твердое тело», «жидкость — газ». К массопереносным относятся рассмо­тренные выше прямые методы, а также некоторые косвенные.

Мы будем рассматривать те «массопереносные» методы, в которых влага переносится во вспомогательную среду того же или другого агрегатного состояния, что и анализируемая среда, причем влагосодержание вспомогательной среды определяется тем или иным физическим методом. Массопереносные методы применимы при различных агрегатных состояниях исследуемого вещества.

Рассмотрим теперь подробнее электрические и неэлектрические методы.

Измерение электрической проводимости материала на постоянном токе и переменном токе промышленной или звуковой частоты осуществляется в кондуктометрических влагомерах.

Для диэлькометрических методов характерно измерение диэлектрических свойств (комплексной диэлектрической проницаемости и ее составляющих) материала в широком диапазоне частот - от звуковых до сверхвысоких; измерения на СВЧ имеют ряд особенно­стей, ввиду чего они выделены в самостоятельную подгруппу. Наконец, методы измерения, основанные на использовании иных электрических свойств влагосодержащих материалов (э. д. с. гальванической пары, электростатического заряда и т. д.), ввиду их малой распространенности целесообразно объединить в одну группу «прочих электрических методов».

К важнейшим неэлектрическим относятся методы, основанные на использовании: а) теплофизических характеристик материала; б) акустических свойств материала; в) гамма-лучей и нейтронов (радиометрические методы); родственным является метод, основанный на использовании рентгеновского излучения; г) ядерного магнитного резонанса; д) видимого света и инфракрасного излучения.

Последние подгруппы иногда именуют «спектральными методами».

Приведена предлагаемая схема классификации физических методов измерения влажности твердых и жидких материалов.

Физические методы измерения влажности материалов по сравнению с другими методами имеют большие преимущества. Они являются наиболее быстродействующими из всех существующих методов определения влажности. Определение влажности методом высушивания длится от многих часов (высушивание до постоянного веса) до 1ч(ускоренные методы высушивания) или в лучшем случае до десятков или нескольких минут (сушка инфракрасными лучами или токами высокой частоты). В то же время длительность определения влажности электрическим неавтоматическим влагомером равна от одной до нескольких минут, а при применении некоторых типов автоматических влагомеров непрерывного действия измерение можно считать практически безынерционным.

Физические методы позволяют автоматизировать измерения влажности и находят применение в системах информационно-измерительных и управления для многих технологических процессов. Большинство влагомеров позволяет проводить измерения без разрушения образца, чем достигается экономия материала, а также воз­можность повторения измерения на одном и том же образце при проверке результата измерения. Это приводит к дополнительному сокращению длительности измерений.[6]

Рисунок 3 – Физические методы измерения влажности.