ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ

ОПТИЧЕСКИЕ, ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ И ПРОЧИЕ МЕТОДЫ

Оптические методы основаны на зависимости оптических свойств материалов от их влагоеодержания. Для твердых веществ и жидко­стей используются инфракрасная и видимая области спектра.

Измерения влажности представляют собой одно из аналитиче­ских приложений инфракрасной абсорбционной спектроскопии, тео­рия и техника которой подробно освещены в литературе. В влаго­мерах используется преимущественно коротковолновая область (дли­на волны 'к от 0,8 до 3 мкм) инфракрасного спектра. В этой области имеются интенсивные полосы поглощения жидкой воды; кроме того, в ней можно использовать стеклянные оптические детали, в том числе кюветы для исследуемого' материала, а также наиболее про­стые источники и детекторы излучения. Известно, что спектр погло­щения жидкой воды усложнен по сравнению с поглощением водяно­го пара наличием водородных связей. Положение и интенсивность полос поглощения воды в растворителях изменяются под влиянием межмолекулярных - взаимодействий; иіпенсивіюсть зависит также от температуры воды. В твердых телах дополнительным фактором, влияющим на положение максимума поглощения, является прочность связи воды с веществом.

В качестве основной характеристики инфракрасного влагомера абсорбционного типа удобно использовать зависимость оптической плотности iD=lg(/o//), (Id, І — интенсивности излучения, падающего на. слой вещества и прошедшего через него) от концентрации влаги. Вода в неполярном жидком растворителе, с которым она не обра­зует химических соединений, в основном подчиняется закону Буге - ра — Ламберта — Бера, и указанная зависимость линейна (но край­ней мере в диапазоне малых концентраций воды). Инфракрасный метод измерения влажности применялся к широкому кругу органи­ческих растворителей. В последние годы его важнейшими практиче­скими применениями являются измерения влагоеодержания водонеф - тяных эмульсий, бензина и других топлив. Высокая чувствительность инфракрасного метода позволила выполнять измерения в диапазоне от микроконцентраций (0—100 м. д.) [2] до очень высоких (10—20%). При прохождении параллельного пучка монохроматического излуче­ния через слой водной эмульсии энергия пучка частично поглощает­ся, частично рассеивается и отражается и лишь часть пучка выходит без изменения первоначального направления и детектируется. Интен­сивность рассеянного излучения является функцией не только концентрации влаги в эмульсии и условий измерения (длина волны, ■угол между направлениями падающего и рассеянного излучения), но и свойств компонентов эмульсии — их коэффициентов преломления, а также размеров водяных глобул.

Выходной величиной оптического преобразователя служит ослаб­ление энергии пучка, являющееся результирующим эффектом пере­численных видов взаимодействия излучения с веществом. Исследова­ние оптических свойств водонефтяных эмульсий и их "компонентов [Л. 1-1] показало, что эффект рассеяния на каплях может превосхо­дить эффект поглощения, а эффектом отражения можно пренебречь.

Рассеяние можно рассматривать как помеху, воздействующую на преобразователь влажности; воздействие этой помехи можно ком­пенсировать, применяя двухволновый метод измерения (см. ниже). Такой подход характерен для большинства современных инфракрас­ных влагомеров, например турбидиметрических (по ослаблению пря­мого пучка). Однако рассеяние в переднюю полусферу несет полез­ную информацию о влагосодержании. Поэтому правомочна также методика измерения по рассеянию излучения с подавлением сигнала поглощения или же комбинированного измерения по обеим состав­ляющим ослабления. Последняя методика характерна для большин­ства одноволновых влагомеров.

Рассмотрим устройство инфракрасных влагомеров. Для выделе­ния нужного участка спектра излучателя в них используются твер­дые узкополосные фильтры — интерференционные или, реже, наборы стеклянных фильтров. Источником излучения в ближней инфракрас­ной области обычно служит электрическая лампа накаливания с вольфрамовой нитью. Наиболее распространенными приемниками излучения являются фотодиоды и фоторезисторы, например свинцо - во-сернистые, у которых максимум спектральной характеристики на­ходится в ближней области ИК-спектра. Они более надежны и дол­говечны, чем используемые в более длинноволновом диапазоне термические приемники (болометры, термоэлементы).

По оптической схеме инфракрасные влагомеры, как и другие оптические анализаторы, можно разделить на однолучевые и двух - лучевые. Однолучевые состоят из источника излучения, светофильтра, кюветы с исследуемым образцом, приемника излучения, усилителя с выходным прибором, а также оптической системы для формиро­вания узкого прямого пучка, направляемого на кювету, а после прохождения кюветы — для фокусирования на детектор. Модуляция падающего излучения (чаще всего механическая с помощью диска, вращаемого синхронным электродвигателем и несущего светофильтр) позволяет использовать усилитель переменного тока. Для получения линейной шкалы выходного прибора в единицах влажности приме­няют логарифмический усилитель. Процесс измерения состоит в сравнении прозрачности исследуемого образца и эталона; для жидкостей эталоном служит безводный растворитель (реже — эта­лонный фильтр или незаполненная кювета).

Однолучевые приборы более просты, чем двухлучевые, однако уступают им по точности. В погрешность измерения входит инстру­ментальная погрешность, вызванная нестабильностью параметров.

В двухлучевых приборах, имеющих два измерительных канала — .измерительный и эталонный, измерение выполняется методом сравне­ния с постоянно действующим «внутренним эталоном». Оба канала могут иметь свои приемники; большую точность позволяет получить схема с одним приемником и устройством, подключающим к нему поочередно оба канала. Выходной сигнал влагомера формируется по разности сигналов обоих каналов или по их отношению.

В зависимости от числа длин воли, используемых для измерения, различают влагомеры одноволновыё и двухволновые. В одноволно - вых влагомерах сравниваются оптические плотности объекта измере­ния и эталона в области характеристического поглощения волны. Двухволновые сравнивают прозрачность исследуемой жидкости в двух областях — аналитической (Яан) и эталонной (Яот); при ста­билизации интенсивности /о падающего излучения отпадает необхо­димость в эталоне. Значения Яан И Лэт можно выбрать на основе анализа спектров поглощения и рассеяния растворителя и воды. Для компенсации погрешностей от рассеяния (и ряда других источ­ников) Хан должна находиться в области характеристического погло­щения ВОДЫ, а А;;т в области, где оно отсутствует; интервал между Яан и Язт должен быть минимальным, а рассеивающие свойства исследуемой жидкости в обеих полосах должны быть близкими.

В распространенных влагомерах этого типа механический моду­лятор с двумя светофильтрами обеспечивает (одновременно с моду­ляцией) выделение Хян и Хвт - На приемник поступают чередующиеся импульсы, соответствующие интенсивностям излучения, прошедшего через исследуемую жидкость на обеих длинах волн. На выходе ана­логового вычислительного устройства формируется характеризующий влажность сигнал, величина которого пропорциональна отношению обоих сигналов после демодуляции. Для измерений влагоеодержания некоторых растворителей и водонефтяиых эмульсий использовались длины волн Яак=1,93 мкм и ?.зт=1,98 мкм или ЯЭт=1,83 мкм. Двух- волновый влагомер с проточной кюветой и автоматическим уравнове­шиванием (с цепью обратной связи), построенный по двухволновой схеме, можно использовать для непрерывного автоматического кон­троля и регулирования производственных процессов.

Инфракрасные влагомеры для твердых материалов работают по принципу поглощения или отражения излучения. Влагомеры по по­глощению используются для тонких листовых материалов, про­зрачных для инфракрасных лучей, главным образом бумаги. Для не­прерывного контроля движущегося бумажного полотна на бумаго­делательной машине - были разработаны автоматические влагомеры двухволнового типа. Ослабление зависит от толщины и плотности (у листовых материалов'—массовой толщины) просвечиваемого ма­териала. Компенсация влияния массовой толщины R была достигнута при «трехволновом» способе измерения; кроме аналитической длины волны?-ян= 1,935 мкм, использовались 7=2,11 мкм, чувствительная к величине R, и эталонная 1,82 мкм [Л. 5-13].

Датчик ИК-влагомера может быть выполнен сканирующим с возвратно-поступательным движением поперек полотна, причем его скорость может быть значительно выше, чем у радиоизотопных (бе - та-) влагомеров-плотномеров, где она ограничена величиной стати­стической погрешности прибора.

Инфракрасный абсорбционный метод применим к любым твер­дым веществам при условии подготовки образцов в виде тонкого однородного слоя, сжатого между двумя параллельными прозрачны­ми пластинами, или в виде таблетки.

Специфическим для твердых материалов разнообразной струк­туры является метод, основанный на использовании спектра диффуз­ного отражения инфракрасных лучей. При применении двухволнового метода обе длины волны должны находиться достаточно далеко от видимой области спектра, для того чтобы поглощение света исследуе­мым материалом, связанное с его окраской, не влияло на результат измерения.

Отражательную способность исследуемого материала можно оце­нить отношением интенсивностей отраженных монохроматических излучений при длииах ВОЛНЫ?,ан И %вт-

Рассматриваемый метод был применен при длинах волны Яан= = 1,96 мкм и Явт=1,7 мкм к некоторым непрозрачным материалам — текстильным тканям, коже и бумаге.

Графики зависимости отношения отражений Яі. мІЯіл от влаго­еодержания исследованных материалов приведены на рис. 5-7. Чув­ствительность влагомера максимальна в области низких влагосодер­жаний и понижается с ростом влажности.

На описанном методе основаны - инфракрасные лабораторные и автоматические влагомеры, выпускаемые в ряде стран. В большин­стве из них приняты значения Лан=1,93-ь 1,96 мкм, ?.3т= 1,7-:-1,8 мкм; Отраженные и рассеянные материалом излучения интегрируются сфе­рической поверхностью. Иногда предусматривается настройка на
нуль и верхний предел шкалы по эталонам отражения в виде табле­ток соответствующих химических соединений (для эталона белизны — таблетки баритовые или окиси магния). Влагомер для, бум аги имеет элемент настройки на массовую толщину, устанавливаемый - по образцу бумаги исследуемого сорта, влажность которого известна. Пример простой схемы влагомера по отражению показан на рис. 5-8.

Измерение по описанному методу освобождает от некоторых по­грешностей, присущих другим методам; по сравнению с методом по­глощения преимуществом является одностороннее расположение излучателя и приемника. Однако, как и в других методах, основан­ных на отражении излучения, измеряемой величиной является влажность поверхностного слоя материала, которая в ряде случаев (тяжелые сорта бумаг, наличие градиентов влажности ■по толщине. материала) неудов­летворительно характеризует среднюю влажность материала. Отмечалось также, что при измерениях сыпучих материа­лов наличие некоторых приме­сей (например, окисей метал­лов — Ре2Оз и др. — в огнеупо­рах) вызывает большие по­грешности.

Значительно меньшее зна­чение, чем инфракрасные, име­ют оптические влагомеры, ра­ботающие в области видимых лучей и основанные на способности некоторых твердых материалов изменять свою окраску и 'коэффициент отражения в функции влаго­содержания. Влажность материала 'оценивают по отражению излу­чения, соответствующего широкому участку видимого спектра.

Уменьшение отражательной способности поверхности с ростом влажности, наблюдаемое почти у всех грунтов и почв, было исполь­зовано в фотоэлектрическом почвенном влагомере.

Влагомеры на принципе отражения видимого света в ряде слу­чаев и, в частности, для тонко измельченных (порошкообразных) ма­териалов имеют удовлетворительную чувствительность и точность; их достоинством является простота конструкции. В то же время они неприменимы при высоких влагосодержаниях (у грунтов для г/.>20%), а изменения гранулометрического состава и наличие при­месей, отличающихся своими оптическими характеристиками, могуг вызвать большие погрешности.

Поглощение видимого свста было использовано и для автомати­ческого контроля наличия нерастворенной влаги в авиационных топ - ливах. Для контроля влагосодержания некоторых нефтепродуктов применялся также метод точки помутнения, основанный на постепен­ном охлаждении образца и определении его температуры в момент начала образования тумана. Некоторые приборы этого типа описа­ны в [Л. 5-14].

Теплофизические влагомеры основаны на зависимо­сти от влажности материала его теплофизических параметров — коэффициента теплопроводности %, удельной теплоемкости с и коэф­
фициента температуропроводности с=Я/ср (р — плотность материа­ла). Эта зависимость наблюдается у всех капиллярнопористых материалов и была исследована экспериментальным путем для мно­гих материалов [Л. 5-15].

Как правило, параметры X и с нелинейно и монотонно увели­чиваются с ростом влагосодержания к; однако у некоторых материа­лов зависимость 'к (и) имеет экстремум. Зависимости К(и) и с (и) Описываются эмпирическими формулами, достаточно точными лишь для одного материала или определенной группы материалов.

1 — образец материала; 2 —диск со светофильтрами; 3 — синхронный электро­двигатель; 4— зеркала; 5 — лампа; Є — вогнутое зеркало; 7— фоторезистор.

Рассматриваемые влагомеры применялись для ірунтов, строи­тельных материалов и конструкций, а затем и других твердых мате­риалов и (в меньшей степени) жидкостей.

Большинство осуществленных влагомеров основано на зависимо­сти K(W) (практически на результат измерения влияют и другие параметры материала). Величину % определяют известными метода­ми, преимущественно нестационарными (отличающимися по сравне­нию со стационарными методами меньшей длительностью опыта), например по скорости нагрева материала, в который введен нагрева­тель. При идеализации системы материал — нагреватель (проволоч­ный нагреватель - бесконечной длины и пренебрежимо малой толщины в бесконечной однородной и изотропной среде) повышение темпе­ратуры на некотором расстоянии от нагревателя описывается урав­нением [Л. 5-16]

(5-11)

Где 0 — температура, °К; T — время, сек; Q — количество выделенного тепла на единицу длины нагревателя, дж/(м-сек); г — расстояние от

Нагревателя, м % — коэффициент теплопроводности, сек - СК);

А — температуропроводность, м2/сек.

При этом были приняты нулевые начальные условия (при 1=0, DQ/Dt=0), соответствующие стационарному состоянию. Если т= =4af/r2>50, правую часть уравнения (5-11) можно заменить величи­ной, к которой она асимптотически приближается при m—>-оо:

ДЪ _ q Dint

При условии Q= const угол наклона прямой 6(lg І), построенной в полулогарифмических координатах, однозначно характеризует ве­личину а следовательно, и влажность материала.

В практической реализации метода датчик-зонд длиной 22 см Имел 9 термопар, расположенных в непосредственной близости от проволочного нагревателя. Так как в реальных условиях начальные условия не соответствуют стационарному состоянию, применялся дифференциальный датчик, у которого холодные слои термопар на­ходились во втором цилиндрическом корпусе, расположенном на рас­стоянии 15 см от корпуса с горячими спаями. Обе части датчика вводились в полости, высверленные в объекте измерения. Прибор применялся для исследования динамики увлажнения строительных конструкций и ограждений. Аналогичный зонд применялся для почв, причем наклон прямых 6(Igf) характеризовал влажность почвы, не насыщенной влагой или пористость насыщениой.

Влажность широкого класса твердых материалов и жидкостей можно определять также по скорости охлаждения предварительно нагретого зонда, роль которого выполняет, например, чувствительный элемент термометрического датчика, нагреваемый до температуры 6І=6М+Д6 (Дб=Const, Бы — температура образца материала) [Л 5-. 17]. В этой модификации метода регулярного теплового по­тока измеряемой величиной являлся интервал времени |Дt, в течение которого термометр охлаждался до температуры 6а=6ы+А6/2. При условии термического. равновесия образца с окружающей средой результат измерения не зависит от изменений начальной температуры в широких пределах.

В приборе [Л. 5-18] результат измерения зависит от теплоемко­сти материала. Датчик представляет собой теплоизолирующий ци­линдр, в полости которого установлен (по оси цилиндра) нитевидный термометр сопротивления и в центральном поперечном сечении — плоский электрический нагреватель. Исследуемый материал окружает внешнюю поверхность цилиндра и заполняет его полость. С помощью нагревателя кратковременно выделяют фиксированное количество тепла (тепловой импульс) и измеряют приращение температуры.

Теплофизические влагомеры отличаются простотой конструкции; их можно использовать для измерений в полевых и производствен­ных условиях, а процесс измерения можно автоматизировать. При условии миниатюризации датчиков с их помощью можно определять не только интегральную влажность, но локальные значения, распре­деление влажности в объеме материала и т. д. К недостаткам сле­дует отнести сильное влияние плотности материала, его грануломе­трического состава и термического контакта с чувствительным эле­ментом; наличие поверхностной влаги в зоне контакта может вызвать большие погрешности. Для выполнения измерения необходимы отбор пробы или введение датчика в массу материала. От этого метода

Нельзя ожидать высокой точности; наиболее полезным его примене­нием является контроль динамики влажности в массе материала с. помошью «закладных» датчиков.

Ультразвуковые влагомеры основаны иа зависимо­сти характеристик ультразвуковых колебаний от свойств и состава среды, в которой распространяется ультразвук. Влагомеры этого типа появились в последние годы; в них обычно используется зависимость скорости распространения ультразвуковых колебаний от влагосодер­жания исследуемого материала. Приборы на принципе поглощения ультразвука имеют значительные дополнительные погрешности, свя­занные с изменением параметров генераторов, усилителей, излучате­лей и приемников ультразвука, - а также различных параметров кон­тролируемого объекта. Хотя эти погрешности можно уменьшить, при­меняя двухканальные дифференциальные схемы, приборы на прин­ципе измерения скорости более точны. Как и другие ультразвуковые приборы, влагомеры могут работать в режиме непрерывного или импульсного излучения.

Для расчета скорости ультразвука в сложных гетерогенных си­стемах, в том числе и влагосодержащих материалах, нет единых ана­литических методов. Если рассматривать эти материалы как двух - компонентные смеси (сухое вещество — вода) и исходить из гипоте­зы аддитивности адиабатических сжимаемостей, то близкой к экспе­риментальным данным будет зависимость [Л. 5-19]:

Где V — скорость распространения ультразвука; - у — объемная доля компонента; р — плотность; индексы «т», «в» относятся к твердой фазе и воде, отсутствие индекса — к материалу в целом.

Для диапазона высокой влажности (у керамических масс при W^'20%) справедливо неравенство

Ртт>Рв(1------------------------------------- Yt).

(Рт, Рв — сжимаемости твердой фазы и воды) и уравнение (5-13) примет вид:

V = lZ__U_Jk f5.14)

Ss-yw

Рв

Если выходной величиной ультразвукового преобразователя является время распространения импульса, зависимость измеряемого интервала времени At от скорости распространения ультразвука в контролируемой среде описывается выражением

At=Blv+2bfvM+tB,

Где Им — скорость ультразвука в защитных мембранах датчика; В И b — акустический путь в контролируемой среде (базовое расстоя­ние-датчика) и в защитной мембране. соответственно; Ts — суммарная дополнительная задержка импульса в пьезовибраторах, электриче­ских цепях и т. д.

В схемах ультразвуковых приборов применяется один совмещен­ный излучатель-приемник или два раздельных устройства. Ультразву­ковые влагомеры отличаются высокими быстродействием и чувстви­тельностью и благодаря применению защитных мембран могут ра­ботать в агрессивных средах. Основной недостаток ультразвукового метода заключается в зависимости результата измерения не только от измеряемой величины, но и от ряда влияющих параметров иссле­дуемого материала. Влияние плотности вытекает непосредственно из (5-13); кроме того, существенное влияние оказывает химический со­став, в частности содержание электролитов, а у сыпучих материалов и гранулометрический состав.

Наибольшее значение имеет температура окружающей срсды; так, для суспензии с влажностью 40% температурная погрешность составляет около 0,8% НгО на 1 град.

Ультразвуковые влагомеры применялись в небольших масштабах для керамических масс, растворов полимеров, ацетилцеллюлозы и

I — генератор; 2 — датчик; 3 — эталон; 4 — фазометр; Б — показывающий при­бор; 6 — излучатель; 7 — контролируемая среда; 8 — приемник; 9 — усилитель: 10 — формирователь; 11 — измерительная схема.

Уксусной кислоты и некоторых других материалов. В (Л. 5-19] для суспензий (шликеры керамического производства с влажностью 30— 50%) был разработан влагомер на принципе. непрерывного излучения (рис. 5-9,а). Генератор, стабилизированный кварцем, создает сину­соидальное напряжение, подаваемое на двухканальпую схему. Опор­ный канал содержит датчик, заполненный дистиллированной водой и выполняющий функции термокомпенсатора. Сигналы обоих каналов имеют фиксированные уровни; выходной величиной служит разность фаз этих сигналов, измеряемая фазометром с самопишущим выход­ным прибором. Для пластичных дисперсных керамических материа­лов с влажностью 15—30% применялся импульсный метод в сочета­нии с принципом автоциркуляции. Влагомер (рис. 5-9,6) содержит синхрокольцо: импульс генератора, пройдя через контролируемую среду, после усиления и формирования используется для нового за­пуска генерйтора, в результате чего создается непрерывная последо­вательность импульсов с частотой следования, которая определяется временем распространения импульса. Измеряемой величиной является интервал времени, кратный определенному целому числу периодов следования синхроимпульсов. Измерительная схема преобразует этот интервал времени в напряжение, характеризующее влажность мате­риала и измеряемое выходным прибором.

Перейдем теперь к рассмотрению более старых, но менее рас­пространенных электрических методов: метода э. д. с. гальваниче­ского элемента и метода статического электричества.

К некоторым материалам применим метод измерения влажности по величине э. д. е., возникающей при введении гальванической лары во влажный материал, или по внутреннему сопротивлению такого «гальванического элемента».

Модификацией рассматриваемого метода является измерение влажности почв по э. д. с. поляризации, возникающей на платиновых электродах, введенных в почву, после пропускания через них по­стоянного тока определенной силы. Этот принцип применен в влаго­мере «Днестр», .предназначенном для определения влажности почвы перед ее поливом.

Преимуществом влагомеров рассмотренного типа являются край­няя простота и дешевизна; для работы некоторых из них не требует­ся даже источника тока, что делает их особенно удобными для изме­рений в полевых условиях. Однако. эти влагомеры имеют очень низ­кую точность.

Влагомеры второго типа основаны на образовании электроста­тического электричества при трении о некоторые влагосодержащие материалы. Величина остаточного электрического заряда, измеряемая с помощью металлических электродов, трущихся о поверхность ма­териала, равна разности заряда, генерированного трением, и утечки на землю. Последняя величина зависит от поверхностного сопротив­ления, а следовательно, и от влажности материала. Чем суше мате­риал, тем больше при прочих равных условиях возникающий электро­статический заряд; повышение влажности материала уменьшает ве­личину заряда. Этот принцип нашел практическое применение для контроля влажности движущихся текстильных тканей и полуфабри­катов, а также других тонких листовых материалов. Электростати­ческие влагомеры непригодны для точного определения влажности и могут применяться лишь в качестве грубых индикаторов степени увлажнения некоторых материалов.

Электрическим свойством материалов, реже других используе­мым в измерениях влажности, является электрическая прочность ма­териала. Зависимость градиента потенциала, при котором происходит пробой, от влажности материала наиболее однозначна у жидких ди­электриков; па практике она используется для контроля увлажнен­ности трансформаторного и других масел. Однако этот метод имеет ряд недостатков: применимость только при низких влагосодержа­ниях, загрязнение масла в результате измерения, непригодность для автоматического контроля.