Измерение влажности веществ и материалов

ВВЕДЕНИЕ

Наука начинается тогда, 

Когда начинают измерять.

Д. И. Менделеев

Начиная с производства строительных материалов и кончая возведением зданий и сооружений, в строительстве используются измерения различных видов.

Процесс

измерения влажности веществ и материалов является одним из важнейших процессов в метрологии, поскольку влажность и содержание молекул воды в веществах и материалах являются одним из наиболее важных характеристик состава строительных материалов.

Для измерения влажности веществ и материалов используют стандартные измерительные средства с известными метрологическими характеристиками и отработанной методикой поверочных работ. Применяемые измерительные средства имеют некоторый запас по точности, т. е. погрешность измерения в 5…10, а иногда в 20…30 раз меньше, чем заданный допуск на измеряемый параметр.

Цель моего исследования – рассмотреть основные методы и измерительные приборы для измерения влажности веществ и материалов.

Основная задача исследования – рассмотреть основные методы и оборудование для измерения влажности веществ и материалов.

Объект исследования – влажность.

Предметом исследования являются:

- влажность как одна из наиболее важных характеристик состава материала;

- измерение влаги в газах;

- измерение влаги в смесях жидкостей;

- измерение влаги в твердых частях;

- приборы для измерения влажности;

- методов и устройства для измерения содержания молекул воды в материалах.

Методика работы – реферативное исследование. Структура предопределена принятыми задачами. Исследование состоит из введения, основной части, заключения, списка использованных источников и литературы. Для исследования была использована информация из учебников, журналов, нормативных источников.

1 ВЛАЖНОСТЬ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ

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 см3 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.

Таблица

Давление насыщенных паров над плоской поверхностью воды

T°c

Рнк, мбар

Анкг/м3

T°C

Рнк, мбар

Анкг/м3

0

6,108

4,582

31

44,927

33,704

1

6,566

4,926

32

47,551

35,672

2

7,055

5,293

33

50,307

37,740

3

7,575

5,683

34

53,200

39,910

4

8,159

6,120

35

56,236

42,188

5

8,719

6,541

36

59,422

44,576

6

9,347

7,012

37

62,762

47,083

7

10,013

7,511

38

66,264

49,710

8

10,722

8,043

39

69,934

52,464

9

11,474

8,608

40

73,777

55,347

10

12,272

9,206

41

77,802

58,366

11

13,119

9,842

42

82,015

61,527

12

14,017

10,515

43

86,423

64,839

13

14,969

11,229

44

91,034

68,293

14

15,977

11,986

45

95,855

71,909

15

17,044

12,786

46

100,89

75,686

16

18,173

13,633

47

106,16

79,640

17

19,367

14,529

48

111,66

83,766

18

20,630

15,476

49

117,40

87,772

19

21,964

16,477

50

123,40

92,573

20

23,373

17,534

51

129,65

97,262

21

24,861

18,650

52

136,17

102,153

22

26,430

19,827

53

142,98

107,268

23

28,086

21,070

54

150,07

112,581

24

29,831

22,379

55

157,46

118,125

25

31,671

23,759

56

165,16

123,900

26

33,608

25,212

57

173,18

129,917

27

35,649

26,743

58

181,53

136,009

28

37,796

28,354

59

190,22

142,700

29

40,055

30,048

60

199,26

149,482

30

42,430

31,830

На стандартных справочных данных, приведенных в таблице, основаны практически все пересчеты характеристик влажности. На их основе можно, например, по известной абсолютной влажности и температуре найти относительную влажность, точку росы и т. д., выразить практически любую характеристику влажности газов.

2 ПРИБОРЫ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ

Среди приборов для измерения влажности наиболее массовыми являются приборы для определения содержания воды в газах - гигрометры. Для измерения влажности твердых и сыпучих тел чаще всего используются те же гигрометры, только процесс подготовки пробы к анализу включает в себя перевод влаги в газовую фазу, которая затем и анализируется. Существуют в принципе методы непосредственного измерения содержания влаги в жидкостях и в твердых телах, например, методом ядерного магнитного резонанса. Приборы, построенные на таком принципе, достаточно сложны, дороги и требуют высокой квалификации оператора.

Гигрометры как самостоятельные приборы являются одними из самых востребованных измерительных приборов, поскольку с давних времен в них нуждались метеорологи. По изменению влажности, также как по изменению давления и температуры, можно предсказывать погоду, можно контролировать комфортность жизнеобеспечения в помещениях, контролировать различного рода технологические процессы. Например, контроль влажности на электростанциях, на телефонных станциях, на полиграфическом производстве и т. д. и т. п. является определяющим в обеспечении нормального режима функционирования.

Востребованность Гигрометров породила разработки и изготовление большого количества различных типов приборов. Большинство измерителей влажности представляют собой датчики влажности с индикатором либо аналогового сигнала, либо сигнала в цифровой форме. Поскольку индикаторами являются в большинстве своем либо механические устройства, либо электроизмерительные приборы, рассмотренные в предыдущих разделах, остановимся на датчиках влажности, определяющих почти все функциональные возможности гигрометров.

Датчики гигрометров можно классифицировать по принципу действия на следующие типы:

  • Волосяные датчики, в которых используется свойство волоса изменять длину при изменении влажности;
  • Емкостные датчики, в которых при изменении влажности изменяется электрическая емкость конденсатора с гигроскопичным диэлектриком;
  • Резистивные датчики, в которых изменяется сопротивление проводника, на поверхность которого нанесен гигроскопический слой;
  • Пьезосорбционные датчики, в которых влага, поглощенная гигроскопическим покрытием, изменяет собственную частоту колебаний пьезокристалла, на поверхность которого нанесен гигроскопичный слой;
  • Датчик температуры точки росы, в котором фиксируется температура, соответствующая переходу зеркального отражения металлической поверхностью в диффузное;
  • Оптический абсорбционный датчик, в котором регистрируется доля поглощенной энергии света в полосах поглощения парами воды электромагнитного излучения.

Наиболее древний, наиболее простой и наиболее дешевый датчик влажности представляет собой обычный волос, натянутый между двумя пружинами. Для измерения влажности используется свойство волоса изменять длину при изменении влажности. Несмотря на кажущуюся примитивность такого датчика и на то, что процесс, лежащий в основе измерения, не определяется законами физики и поэтому не поддается расчету, гигрометры с волосяными датчиками изготавливаются в большом количестве.

Емкостные датчики влажности в настоящее время по массовости использования конкурируют и даже превосходят волосяные, поскольку по простоте и дешевизне они не уступают волосяным. Измеряемой физической величиной является емкость конденсатора, а это означает, что в качестве индикатора или выходного устройства может использоваться любой измеритель емкости. На подложку из кварца наносится тонкий слой алюминия, являющийся одной из обкладок конденсатора.

На поверхности алюминиевого покрытия образуется тонкая пленка окиси Al2O3. На окисленную поверхность наносится напылением второй электрод из металла, свободно пропускающего пары воды. Такими материалами могут быть тонкие пленки палладия, родия или платины. Внешний пористый электрод является второй обкладкой конденсатора.

Резистивные датчики изготавливаются в виде структуры.

Конструкция резистивного датчика влажности представляет собой меандр из двух не соприкасающихся электродов, на поверхность которого нанесен тонкий слой гигроскопического диэлектрика. Последний, сорбируя влагу из окружающей среды, изменяет сопротивление промежутков между электродами меандра. О влажности судят по изменению сопротивления или проводимости такого элемента.

В последнее время появились гигрометры, в основу работы которых положен фундаментальный физический закон поглощения электромагнитного излучения - закон Ламберта-Бугера-Бера. Согласно этому закону через слои поглощающего или рассеивающего вещества проходит электромагнитное излучение интенсивностью Iλ, равное:

Где Iλ - интенсивность излучения, падающего на поглощающий столб; N - концентрация поглощающих атомов (число молекул в единице объема); l - длина поглощающего столба, δλ- молекулярная константа, равная площади «тени», создаваемой одним атомом и выраженной в соответствующих единицах.

Пары воды имеют интенсивные полосы поглощения в инфракрасной области спектра и в области длин волн от 185 нм до 110 нм - в так называемой вакуумной ультрафиолетовой области. Имеются отдельные разработки по созданию инфракрасных и ультрафиолетовых оптических влагомеров, и все они имеют одно общее положительное качество - это влагомеры мгновенного действия. Под этим понимается рекордно быстрое установление аналитического сигнала для пробы, помещенной между источником света и фотоприемником. Другие особенности оптических датчиков определяются тем, что в инфракрасной области поглощение молекулами воды соответствует вращательно-колебательным степеням свободы. Это означает, что вероятности переходов, и, соответственно, сечения поглощения в законе Ламберта-Бугера-Бера зависят от температуры объекта. В вакуумной ультрафиолетовой области сечение поглощения от температуры не зависит. По этой причине ультрафиолетовые датчики влажности являются более предпочтительными, но инфракрасная техника, которая используется в ИК датчиках влажности, намного долговечнее и проще в эксплуатации, чем ВУФ техника.

У оптических датчиков имеется и один общий недостаток - влияние на показание мешающих компонентов. В инфракрасной области это различные молекулярные газы, например окиси углерода, серы, азота, углеводороды и т. д. В вакуумном ультрафиолете основным мешающим компонентом является кислород. Тем не менее можно выбрать длины волн в ВУФ, где поглощение кислорода минимально, а поглощение паров воды максимально. Например, удобной областью является излучение резонансной линии водорода с длиной волны А, = 121,6 нм. На этой длине волны у кислорода наблюдается «окно» прозрачности в то время, как пары воды заметно поглощают. Другой возможностью является использование излучения ртути с длиной волны 184,9 нм. В этой области кислород излучения не поглощает и весь сигнал поглощения определяется парами воды.

Резонансная водородная лампа с окном из фтористого магния располагается на расстоянии в несколько миллиметров от фотоэлемента с катодом из никеля. Никелевый фотоэлемент имеет длинноволновую границу чувствительности -190 нм. Окна из фтористого магния имеют коротковолновую границу прозрачности 110 нм. В этом диапазоне длин волн (от 190 до 110 нм) в спектре водородной лампы присутствует только резонансное излучение 121,6 нм, которое и используется для измерения абсолютной влажности без какой-либо монохроматизации.

У оптического датчика, схема которого изображена на рис. 9.4 есть еще одна особенность - возможность изменять чувствительность изменением расстояния от лампы до фотоприемника. В самом деле, с увеличением расстояния наклон характеристики dU/dN выходного сигнала от концентрации прямо пропорционален величине зазора между лампой и фотодиодом.

Важным качеством оптического датчика является следствие из закона Ламберта-Бугера-Бера, состоящее в том, что такой датчик нужно калибровать только в одной точке. Если, например, определить сигнал с прибора при какой-либо одной определенной концентрации паров воды, то отградуировать шкалу прибора можно расчетным путем на том основании, что изменение логарифма сигналов при различных концентрациях равно:

Где N - концентрация (число) молекул в единице объема; δλ - сечение поглощения, I - длина поглощающего промежутка.

Для определения относительной и абсолютной влажности на практике часто используются приборы, получившие название Психрометров. Психрометры представляют собой два одинаковых термометра, один из которых обернут фитилем и смачивается водой. Мокрый термометр показывает температуру ниже, чем сухой термометр в том случае, если относительная влажность не равна 100%. Чем ниже относительная влажность, тем больше разность показаний сухого и мокрого термометров. Для психрометров различных конструкций составляются так называемые психрометрические таблицы, по которым находятся характеристики влажности.

Психрометр не очень удобен в эксплуатации, поскольку его показания не просто автоматизировать, и требуется постоянное увлажнение фитиля. Тем не менее именно психрометр является самым простым и вместе с тем достаточно точным и надежным средством измерения влажности. Именно по психрометру чаще всего градуируются гигрометры с волосяными, емкостными или резистивными датчиками.

3 МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ

В заключение кратко остановимся на методах измерения Влажности жидкостей и твердых материалов. Наиболее распространенным является метод высушивания или выпаривания влаги из вещества с последующим взвешиванием. Обычно пробу высушивают до тех пор, пока не перестанет изменяться ее вес. При этом, естественно, делается два допущения. Первое - что вся сортированная и химически связанная влага при выбранном режиме выпаривания улетучивается. И второе - что вместе с влагой не испарится никакой другой компонент. Очевидно, что во многих случаях гарантировать корректность выполнения процедур выпаривания очень сложно.

Другим универсальным методом измерения влажности жидких и твердых тел является метод, когда влага из них переходит в газовую фазу в каком-либо замкнутом объеме. В этом случае стандартизуют методику подготовки пробы, а измерения ведут одним из упомянутых типов гигрометров, предназначенных для измерений влаги в газовой фазе. С целью получения надежных результатов такие устройства калибруют по стандартным образцам влажности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Поставленная мною цель в начале исследования достигнута. Рассмотрены основные методы измерения влажности веществ и материалов.

Перечисленные преимущества использования средств измерений и, соответственно, востребования метрологических процедур и средств можно продолжать и продолжать. Несомненно одно самое главное - востребованность измерительной техники и средств обеспечения единства измерений напрямую зависит от интеллектуального уровня общества. По мере развития последнего роль метрологии в том ключе, будет постоянно возрастать. В этом убеждает и такой бесспорный факт, что при катаклизмах на Земле, например, во время войн или при каких-либо серьезных перестройках общества, общий интеллектуальный потенциал общества падает. От этого происходит снижение уровня и продолжительности жизни населения.

Причиной этого в какой-то мере является и то, что во время катаклизмов не работают многие службы, напрямую связанные с метрологией. Совсем недавно наше общество столкнулось с тем, что замораживание работы измерительных станций на территории нашей страны отрицательно сказалось на многих параметрах жизнедеятельности общества. Какое-то время недостаточно хорошо были обеспечены сейсмические станции, корабли науки, с борта которых проводились обширные измерения, станции контроля земного магнетизма и распространения радиоволн, станции контроля атмосферного озона, станции космических наблюдений и т. д. Несомненно, что по мере стабилизации экономики в стране все это будет восстановлено, и нужно надеяться, что на более вы со ком техническом уровне, но то, что имело место снижение уровня жизни, связанное с недостаточным вниманием к измерительной технике - факт бесспорный.

Из приведенных аргументов следует, что основополагающие моменты метрологии и измерительной техники оказывают серьезное влияние на наше общество в целом.

 
« Пред.   След. »
Пользователей: 311
Новостей: 663
Ссылок: 0