3.2. Ввимірювання вологості твердих та сипких матеріалів

Для вимірювання вологості твердих та сипких матеріалів в лабораторії застосовують ваговий метод, заснований на зважуванні проби до (М_в) та після (М_с) її висушування в спеціальних шафах до настання зрівноваженого стану з навколишнім середовищем, тобто, коли подальше висушування не приводить до зменшення маси проби. Метод дуже простий і точний але потребує багато часу.

В системах автоматичного контролю та управління технологічними

процесами, де необхідно постійно контролювати вологість сипких та твердих

матеріалів, найбільш поширені кондуктометричні та ємнісні вологоміри.

ПВП таких вологомірів є два електроди. Вони конструктивно виконуються у вигляді або двох пластин, або циліндричної трубки, що є зовнішнім електродом, з загостреним у вигляді голки внутрішнім електродом та ін.. Простір між електродами, які ізольовані один від одного, утворює вимірювальну комірку, де знаходиться контрольований за вологістю матеріал, який подається у комірку або порціями (дискретно), або безперервно.

У основу принципу дії кондуктометричних вологомірів покладена

залежність електричного опору між двома електродами (опору R_х

вимірювальної комірки) від вмісту вологи. Ця залежність в загальному вигляді має вигляд: R_х = A/W^k , (4)

де R_х – опір матеріалу, Ом; «А» та «к» - додатні постійні величини, що залежать від природи матеріалу та умов вимірювання.

Характеристика перетворення ПВП нелінійна і використовується її відносно лінійний відрізок з низькою та середньою вологістю від 15 до 30%. В якості вторинних приладів таких ПВП використовуються електронні та магнітоелектричні oмметри та автоматичні мости постійного струму.

На відміну від кондуктометричних ПВП, ємнісні ПВП використовують

залежність ємності між електродами, які можна розглядати як дві обкладки конденсатора, від діелектричної проникності матеріалу, що в сою чергу залежить від його вологості. Ємність С плоского конденсатора дорівнює:

С = ε (S / d) , (5)

де ε - абсолютна діелектрична проникність між електродного простору, Ф/м;

S – площина електродів, м²; d – відстань між електродами, м.

Із формули видно, що при постійних розмірах конденсатора (вимірювальної комірки), отримуємо функціональну залежність: С = f(ε).

У ємнісних ПВП для визначення вологості сипких матеріалів, наприклад, зерна, використовується зміна діелектричної проникності продукту в залежності від його властивостей (вологості), складу та наявності домішок. Відомо, що діелектрична проникність багатьох речовин суттєво різна. Наприклад, для води ε_в = 81, для клейковини зерна - 2,6, а для більшості сухих речовин вона знаходиться в межах від 2 до 10. Таким чином, незначна зміна вологості

речовини визиває зміну її діелектричної проникності.

ПВП таких видів виготовляється у вигляді двох однакових пластин, які жорстко закріплені у корпусі із високоякісного ізоляційного матеріалу і які вводяться у вимірюване середовище. Так як відстань та площина пластин незмінні, то ємність між ними є лінійною функцією від діелектричної провідності середовища ε, яке знаходиться між пластинами.

Наприклад, у портативного ПВП для визначення вологості сипких матеріалів (зерна), корпус виготовлено у вигляді ручки, а пластини – у вигляді леза ножа, що полегшує їхнє введення у сипке середовище, діелектрична проникність якого в свою чергу залежить від вологості. Вимірювання проводять на частотах в межах десятків кГц. В цих ПВП електроди ізолюють від контрольованої за вологістю речовини за допомогою матеріалів з високими ізоляційними властивостями. В якості вимірювальних приладів в комплекті із ємнісними ПВП використовують автоматичні мости змінного струму, або прилади, що побудовані на спеціальних резонансних схемах.

3.3. Вимірювання вологості повітря та газових середовищ

Вимірювання вологості повітря та газових середовищ проводиться, в основному, психрометричними, сорбційними методами та за точкою роси.

Для вимірювання вологості газових середовищ найбільше використовуються

методи: сорбційний, точки роси та психрометричний.

3.3.1.Суть сорбційного методу полягає у використовування властивості деяких гігроскопічних речовин (із пористою структурою), поглинати (абсорбувати) вологу із газового середовища. І ця поглинута волога знаходиться у стані рівноваги з вологістю контрольованого за вологістю середовища. Кількість води, що адсорбується на поверхні такого ПВП, однозначно пов’язана із вологостю газового середовища, яка визначається по масі, кольору або інших параметрах вологу сорбуючих матеріалів.

Розрізняють наступні розпоширені різновиди сорбційного методу:

■ сорбційно-деформаційний – використовується залежність механічних

властивостей (розмірів) деяких сорбентів від значення вологості; в якості ПВП використовуються капронова нитка чи целофанова стрічка, які змінюють свою довжину;

■ сорбційно-масовий – грунтується на властивості деяких сорбентів (селікогель, хлористий кальцій або літій, фосфорний ангідрид) поглинати вологу та збільшувати свою вагу; абсолютну вологість середовища визначають по зміні ваги сорбенту та кількості пропущеного через нього газу;

■ п’єзо – сорбційний – використовується залежність частоти власних коливань кварцового резонатора від маси сорбенту, що нанесений на поверхню кварцової пластини;

■сорбційно-електролітичний – вологість визначають по зміні електропровідності плівки з нанесеним на неї сорбентом (хлористим літієм або фтористим барієм в суміші з сегнетовою або повареною сіллю);

■ сорбційно-кулонометричний - вологість визначають по кількості струму електролiзу вологи, яка не перервно поглинаеться з аналiзованого вологого газу гiгроскопiчною речови-ною (плівка з частинно гідратованим п’ятиокисом фосфору). На рис.1 показана схема кулонометричного вологоміра для вимiрювання вологостi газiв. ПВП вологоміра виконаний у виглядi iзоляцiйної трубки 1, всерединi якої розташованi платиновi електроди 2 i 3, що виконанi у виглядi двох

Рис.1. Кулонометричний вологомір

паралельних спiралей, якi підімкнені до джерела постiйного струму 5.

Електроди утворюють спiральний проміжок, який покритий тонкою плiвкою з фосфорного ангiдриду, який є високоефективним сорбентом i не розкладається пiд час електролiзу. Плiвка поглинає вологу iз. При цьому безперервно проходять два процеси: 1) - утворення фосфорної кислоти i 2) - електролiз iз регенерацiєю фосфорного ангiдриду:

1) Р₂О₅ + Н₂О → 2НРО₃ ;

2) 4НРО₃→2Н + О + 2Р₂О₅.

Струм І електролiзу, який вимiрюсться за спадом напруги на резисторi R за допомогою автоматичного компенсатора 4, пропорцiйний абсолютнiй вологостi газу:

І = (F ּ z ּ Q_v ּа_v) / m (6)

де F — стала Фарадея; z — конструктивна стала; m — мелекулярна маса води; Q_v - об’ємнi витрати газу м³/с; а_v — абсолютна вологiсть, г/м³.

■ сорбційно-термічні – грунтуються на вимірюванні кількості теплоти, що

виділяється при поглинанні вологи сорбентом.

В якості сорбентів використовують також пористе скло, кварц, оксидні алюмінієві плівки, плівки із йодистого срібла , кадмію чи свинцю, або спеціальні ПВП, що заповнені насиченим розчином хлористого літію.

3.3.2.Суть методу точки роси полягає у визначенні температури, за якої водяна пара, що є в контрольованому газі, за її охолодження досягає стану насичення, тобто починає конденсуватися. Існує однозначна залежність між вологістю газового середовища і температурою конденсації. Визначивши температуру конденсації, можна за відповідними таблицями знайти відносну вологість.

Початок конденсації фіксується або візуально (в лабораторних приладах) або за допомогою фотоелементів (в автоматичних вологомірах). Такі прилади ще називаються гігрометрами. Особливістю автоматичних гігрометрів є наявність нагрівально-охолоджувального пристрою та фотооптичної системи для стеження за зміною точки роси. Вимiрювання абсолютної вологостi газiв методом точки роси полягає у визначеннi температури, до якої необхiдно охолодити при сталому тисковi ненасичений газ, для того, щоб вiн став насиченим. У сучасних дзеркальних гiгрометрах точки роси (рис. 2) в потоцi аналiзованого газу розташовують металеве дзеркальце 1, яке охолоджується за допомогою напiвпровiдникового елемента Пельтьє (термопари 2). На дзеркальце вiд джерела свiтла через лiнзу спрямовується промiнь свiтла, який, вiдбившись вiд нього, через другу лiнзу потрапляє на фотоелемент. Викликаний у фотоелементi струм пiдсилюсться в ЕП і через регулятор R живить струмом І₀ елемент Пельтьє. Якщо на дзеркалi вiдсутня волога, то промiнь свiтла вiд дзеркала практично повнiстю вiдбивається і потрапляє на фотоелемент, викликаючи струм зворотного зв’язку i, вiдповiдно, охолодження дзеркала. Температура дзеркала буде зменшуватися доти, доки на дзеркалi не випаде роса. В цьому випадку на фотоелемент буде потрапляти ослаблений потiк свiтла, струм через елемент Пельтьє зменшується, а температура дзеркала

почне зростати внаслiдок нагрiвання дослiджуваним газом. Це призведе до

випаровування роси, збiльшення потоку відбитого від дзеркала світла та струму зворотного зв’язку i до охолодження дзеркала. Отже, температура дзеркала буде пiдтримуватися близькою до температури точки роси, яка вимірюється, наприклад, контактним термометром.

Час встановлення показiв такого гiгрометра становить декiлька секунд. Автоматичнi дзеркальнi гiгрометри точки роси є порiвняно дорогими, але їх можна використовувати i при дослiдженнi вологостi агресивних газiв. Похибка вимiрювання температури точки роси при її значеннях вище вiд О°С знаходиться в границях 0,5 °С, а при вiд’ємних значення температури точки роси може досягати декiлькох градусiв. До недолiкiв методу точки роси належить залежнiсть температури Рис.2. Автоматичний гігрометр точки роси вiд стану поверхнi дзеркала.