Тема: Разработка измерительной схемы преобразователя влажности для твердых и сыпучих материалов (стр. 2 )

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 дистиляционных методах образец подогревается в сосуде с определенным количеством жидкости, не смешивающейся с водой. Выделяющиеся пары воды вместе с парами жидкости подвергаются отгонке и, проходя через холодильник, конденсируются в измерительном сосуде, в котором измеряется объем или масса воды.

Экстракционные методы основаны на извлечении влаги из исследуемого образца водопоглощающей жидкостью и определении характеристик жидкого экстракта, зависящих от его влагосодержания - плотности, показателя преломления, температуры кипения или замерзания и т. д.

Основой химических методов является обработка образца реагентом, вступающим в химическую реакцию только с влагой, содержащейся в образце. Количество воды в образце определяется по количеству жидкого или газообразного продукта реакции. Так для зерна можно использовать титрирование К. Фишера

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

Механические методы основаны на измерении изменяющихся с влажностью механических характеристик твердых материалов (сопротив­ление раздавливанию зерна).

Методы, основанные на измерении неэлектрических свойств материалов.

Радиометрические методы базируются в основном на современных способах исследования состава, структуры и свойств вещества, использующих взаимодействие различных видов электромагнитных колебаний и ядерных излучений с исследуемым веществом. В радиометрических (ядерно-физических) методах используются различные виды ядерных излучений (гамма-лучи, бета-частицы, быстрые нейтроны) и взаимодействий (поглощение и рассеяние гамма - и бета-излучения, упругое рассеяние быстрых нейтронов). Так, например, в основе гамма-методов лежит ослабление интенсивности гамма-излучения твердой фазой и влагой зерна в результате рассеяния и поглощения атомами вещетства.

В основе метода ядерного магнитного резонанса (ЯМР) лежит резонансное поглощение радиочастотной энергии ядрами атомов водорода (протонами) воды при помещении влажного материала а постоянное магнитное поле. Явление ЯМР связано с квантовыми переходами между зеемановскими энергетическими уровнями атомных ядер, возникающими в результате взаимодействия ядерного магнитного момента с внешним магнитным полем.

Оптические методы основаны на зависимости оптических свойств материалов от их влагосодержания. Для твердых материалов используется инфракрасная и видимая области спектра.

Теплофизические методы основаны на зависимости от влажности материала его теплофизических свойств - коэффициента теплопровод­ности, удельной теплоемкости и коэффициента температуропроводности.

Электрические методы измерения влажности.

Основой электрических методов измерения влажности является зависимость от влажности параметров, характеризующих поведение влажных материалов в электрических полях. Кондуктометрические методы основаны на измерении электрической проводимости материала на постоянном токе и переменном токе промышленной или звуковой частоты.

Влагосодержащие материалы, являясь в сухом виде диэлектриками, в результате увлажнения становятся полупроводниками. Удельное сопротивление изменяется, следовательно, в зависимости от влажности в чрезвычайно широком диапазоне, охватывающем 12-18 порядков. Неоднородность диэлектрика, наличие в нем влаги сказываются не только на величине удельной проводимости, но и на качественных особенностях электропроводности: на ее зависимости от напряженности электрического поля и температуры.

Электропроводность твердого материала определяется электролитами, растворенными в воде; эти электролиты содержатся главным образом в самом материале. При этом характер зависимости удельной электропроводности материала от содержания влаги определяется распределением влаги в нем, зависящим в свою очередь от пористой структуры материала, формы пор, их размеров и характера распределения.

В диэлькометрическом методе чаще всего используется средневолновой и коротковолновой диапазоны частот или сверхвысокие частоты.

Поведение диэлектрика в синусоидальном электромагнитном поле характеризуется величинами комплексной диэлектрической и магнитной проницаемостей. У влажных материалов, не содержащих ферромагнетиков, величина (магнитной проницаемости пустоты) и их электрические свойства в слабых переменных электрических полях можно описать двумя параметрами, связанными с. При измерении влажности используются следующие пары величин:

а) вещественная и мнимая составляющие комплексной диэлектрической проницаемости;

б) диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь;

в) диэлектрическая проницаемость и удельная проводимость (ее активная составляющая).

Рассмотрим методы СВЧ-влагометрии, которые классифицируют на:

- методы, основанные на измерении характеристик поля стоячих волн;

- методы, основанные на измерении характеристик поля волн, прошедших через влажный материал (оптические методы).

К первой группе методов относятся:

а) метод, основанный на измерении поля стоячей волны в образце исследуемого диэлектрика. Основывается на вычислении диэлектрической проницаемости влажного материала, которая является функцией влагосодержания, по результатам измерения величины фазовой части постоянной распространения. Практически измерения сводятся к определению длин волн в системе без диэлектрика и с диэлектриком.

б) метод, основанный на изучении поля стоячих волн, возникающих при отражении электромагнитной энергии от образца исследуемого материала. Сущность метода состоит в определении постоянной распространения в образце измеряемого материала путем изучения картины распределения стоячей волны на участке линии, не заполненной диэлектриком;

в) метод, основанный на использовании волн, отраженных от поверхности измеряемого образца. В этом случае для определения диэлектрической проницаемости используют параметры волны, возникшей в результате взаимодействия падающей и отраженной волн;

г) резонансный метод основан на измерении параметров резонатора при внесении в него исследуемого материала. Измеряя частоты резонатора, определяют диэлектрическую проницаемость, а измеряя ее добротность, определяют коэффициент потерь.

Вторая группа методов основана на исследовании характеристик электромагнитной волны, прошедшей через образец испытуемого материала, путем сравнения с характеристиками волны, распространяющейся по другому пути, или волны, распространяющейся по тому же пути, но при отсутствии материала. Измерения сводятся к определению комплексного коэффициента передачи участка направляющей системы, заполненной исследуемым веществом (коэффициентов поглощения и отражения, как функции влагосодержания). Такой системой может являться как волновод, частично или полностью заполненный материалом, так и область свободного пространства, в которой распространяются электромагнитные колебания СВЧ.

Оптические методы получили наибольшее, поскольку их характерной особенностью является бесконтактность измерений, возможность интегральной оценки влажности в больших объемах (большая информационная емкость метода). Последнее является важным достоинством, так как в реальных производственных условиях всегда наблюдается неравномерное распределение влаги в объеме.

1.2. Методы измерения влажности твердых и сыпучих материалов

Известно большое количество методов определения влажности, теоретических основ, классификации (рис.1.1), описания которых даны в отечественной и зарубежной литературе [9, 10, 11]. Методы измерения принято разделять на прямые и косвенные. В прямых методах материал разделяют на сухое вещество и влагу, а в косвенных - измеряют определенную величину, функционально связанную с влажностью материала: массу, плотность, электропроводность, диэлектрическую проницаемость, теплопроводность, угол естественного откоса, поглощение, отражение различных длин волн и т. д.

Из числа прямых методов наиболее распространены различные модификации метода высушивания (термогравиметрический), химические (метод Фишера) и дистилляционные.

Рассмотрим методы и средства, получившие практическое применение при определении влажности зерновых культур.

Методы, в основе которых лежат измерения потери массы образца после его нагревания при атмосферном или пониженном давлении, массы конденсированной воды, выделившейся из нагретого образца, либо массы воды, адсорбированной высушивающим агентом, являются наиболее известным и широко применяемыми в качестве основных как в СНГ, так и за рубежом.

В работе [17] приведен многочисленные методы, принятых в разных странах и технических обществах для определения влажности зерна, хлебных злаков и зерновых продуктов, из которых четырнадцать приходится на воздушно-тепловые и шесть - на вакуумно-тепловые методы.

Рис.1.1. Классификация методов измерения влажности

Результаты определения влажности методом сушки в вакууме или кондиционированным воздухом более точны, чем при сушке в воздушном шкафу. Во многих странах вакуумно-тепловой метод сушки принят в качестве образцового.

Основные отличительные особенности методов – различие в продолжительности и температуре высушивания. Практически все методы, используемые в официальных стандартах США при определении влажности зерна, являются воздушно-тепловыми. Для зерна (кроме кукурузы и фасоли) в США широко используют метод воздушно-тепловой сушки при температуре (130±1) °C в течение 1 ч. Если первоначальное содержание влаги в зерне превышает 16 %, а для сои и риса зерна - соответственно, 10 и 13 %, то используют двухступенчатую сушку: взвешенную пробу неразмолотого зерна предварительно подсушивают до содержания влаги менее указанных величин [13].