Датчики влажности зерна

  Наиболее  полная классификация форм связи  влаги с материалом дана П. А. Ребиндером, исходя из интенсивности форм связи. В зависимости от энергии, необходимой для удаления влаги из тела, связи делятся на химические, физико-химические и физико-механические. К первой группе относятся наиболее сильные связи: ионная и молекулярная. При этих формах связи вода как таковая исчезает и ее молекулы входят в состав нового вещества (гидратная вода).  Химически связанная влага резко отличается по своим свойствам от свободной; ее нельзя удалить сушкой или отжатием.

  К физико-химическим связям относятся  адсорбционная и осмотическая связи. Первая характерна для гидрофильных и гидрофобных тел; удаление влаги происходит испарением, десорбцией у гидрофильных тел или дезадсорбцией - у гидрофобных. Осмотическая связь имеет место у растительных клеток с концентрированным раствором, в которые вода проникает из окружающей среды, с менее концентрированным раствором.

  При наиболее слабой связи - физико-механической -  вода удерживается в неопределенных соотношениях. Связь может иметь структурный характер, например, в студне образующих веществах. В микрокапиллярах связь образуется поглощением воды из влажного воздуха или непосредственным соприкосновением материала с водой, в макрокапиллярах—поглощением воды прямым соприкосновением. В обоих случаях вода механически удерживается адсорбционными силами у стенок. Основная масса воды, кроме связанной адсорбционно, сохраняет свои свойства. Условием нарушения связи является действие давления, превосходящего капиллярное. Наконец, связь смешиванием образуется в непористых смачиваемых телах прилипанием воды при ее соприкосновении с поверхностью тела. Удаление влаги, как и при структурной связи, производится испарением.

    Разграничение влаги по форме ее связи с сухим  материалом представляет сложную задачу, хотя для этого был предложен ряд методов, основанных на использовании изменения физических (в том числе и электрических) характеристик.

    3)     Описание и выбор метода измерения влажности  

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

3.2.1 Метод высушивания  

    Наиболее  распространенным прямым методом является метод высушивания, заключающийся  в воздушно-тепловой сушке образца  материала до достижения равновесия с окружающей средой; это равновесие условно считается равноценным 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°С в течение 40 мин). В последние годы для ускоренной сушки ряда материалов стали применять 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.

    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 результате сушки образуется водонепроницаемая корка, препятствующая 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 распространенной сушке (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 бюкс 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.

    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. Более точные результаты дает вакуумная сушка, выполняемая обычно в камере при пониженном давлении (25 мм рт. ст. и ниже) до постоянного веса. 

3.2.2 Дистилляционный метод 

    В дистилляционных методах исследуемый  образец подогревается в сосуде с определенным количеством жидкости, не смешивающейся с водой (бензол, толуол, ксилол, минеральное масло и т. д.), до температуры кипения этой жидкости. Пары, проходя через холодильник, конденсируются в измерительном сосуде, в котором измеряется объем, или вес 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. Капли  воды, остающиеся на стенках холодильника и трубок, вызывают погрешности в определениях. Применяемые растворители, как правило, огнеопасны, а аппаратура хрупка и громоздка.

    Методы  высушивания и дистилляционные  приняты в качестве стандартных  методов определения влажности  большинства материалов. 
 

3.2.3 Экстракционные методы   

    Экстракционные  методы основаны на (извлечении влаги из исследуемого образца твердого материала водопоглощающей жидкостью (диоксан, спирт) и определении характеристик жидкого экстракта, зависящих от его влагосодержания: удельного веса, показателя преломления, температуры кипения или замерзания и т.п. В электрических экстракционных методах измеряются электрические свойства (удельное сопротивление, диэлектрическая проницаемость) экстракта.  Экстракционные методы дают наилучшие результаты в применении к материалам, мелко измельченным или обладающим пористой структурой, обеспечивающей проникновение экстрагирующей жидкости в. капилляры. 

3.2.4 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 -\-С₂Н₂

    Количество  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, н по разности весов навески определяют вес поверхностной влаги.  

3.2.5 Метод СВЧ-влагометрии

  Из  методов измерения влажности, применяемых  в промышленности, только высокочастотная  влагометрия может конкурировать  по широте использования с СВЧ-методом. Преимуществами СВЧ-влагометрии являются: возможность бесконтактного измерения, относительная простота и дешевизна аппаратуры, а в ряде случаев и хорошие метрологические характеристики. Метод основан на измерении электрических параметров датчика с материалом или амплитуды или (и) фазы прошедшей или отраженной волны в диапазоне до 30 ГГц. Различие высокочастотных и СВЧ-методов вызвано как соизмеримостью длины волны с минимальными характеристическими размерами объекта, так и особенностью поведения связанной воды в гигагерцевом диапазоне.

    Одно  из уникальных свойств воды - аномально высокая диэлектрическая проницаемость, вызванная тем, что оси 0-Н в молекуле воды имеют угол, близкий к 105°. Эта особенность, обусловленная законами квантовой механики, приводит к тому, что даже в отсутствие внешнего электрического поля молекула воды обладает собственным дипольным моментом. Ориентация полярной молекулы во внешнем поле отлична от ориентации неполярной молекулы при электронной или ионной поляризации, когда деформируется только электронное облако. При дипольной поляризации молекула поворачивается как единое целое, поэтому на процесс поляризации влияют энергия связи воды со скелетом и температура. Вращение молекулы отстает от вращающего момента, вызванного переменным электромагнитным полем, за счет сил трения, уменьшающих также и амплитуду результирующей поляризации. Это отставание удобно характеризовать временем релаксации, которое для воды равно 0,6*10-¹¹ с (Т = 293 К) и для льда 10"⁵ с (Т< 273 К) [2.3J. Полимеризация воды со скелетом вблизи поверхности твердой фазы приводит к увеличению времени релаксации до 10^-9—10^-7 с. При совпадении частоты внешнего поля с собственной частотой диполей (область дисперсии) возрастают потери и диэлектрическая проницаемость начинает зависеть от частоты. 

3.2.6  Нейтронный метод 

    Нейтронный  метод измерения влажности основан на замедлении быстрых нейтронов при упругом столкновении их с атомами вещества. Так как массы ядра и нейтрона соизмеримы, то при упругом столкновении происходит уменьшение энергии нейтрона, равное энергии отдачи ядра. При столкновении с легкими атомами, в частности с атомами водорода. потеря энергии может быть весьма значительной. Анизотропный поток быстрых нейтронов, сохраняющий при прохождении через вещество свое первоначальное направление, превращается в изотропный поток тепловых нейтронов, которые можно регистрировать детектором, расположенным в непосредственной близости от источника быстрых нейтронов или в точке, удаленной на некоторое фиксированное расстояние.

    В реальных средах, содержащих не только легкие, но и средние (с зарядом Z > 35) ядра, быстрые нейтроны испытывают как упругие, так и неупругие столкновения, а затем, когда в результате столкновений нейтрон потеряет большую часть энергии, он начнет терять энергию только на упругих столкновениях. В среде с легкими атомами роль неупругих столкновений значительно слабее. Так, замедляющая способность воды вычислена с учетом кислорода. Несколько большая замедляющая способность у парафина. Высокую замедляющую способность углеводородов объясняет сильное влияние органических примесей на точность при измерении влажности почв нейтронным методом. Используя свойство разной замедленности нейтронов в материалах, создаются нейтронные влагомеры. 
 
 
 

3.2.7 Инфракрасные влагомеры  

    Известно, что в молекуле существуют два  основных вида колебаний — валентные и деформационные. Колебания, в условиях которых атомы остаются на осях валентной связи, а расстояния между атомами периодически изменяются, называют валентными. Под деформационными понимают колебания, в условиях которых атомы отходят от оси валентных связей. Поскольку энергия деформационных колебаний значительно меньше энергии валентных колебаний, то деформационные колебания наблюдаются при больших длинах волн.

 Валентные и деформационные колебания создают  основные, обладающие наибольшей интенсивностью полосы поглощения, а также обертонные полосы, имеющие частоты, кратные основной. Интенсивность обертонных полос поглощения меньше интенсивности основных.

 Разграничение спектров по характеру поглощения совпадает  с энергетическим делением инфракрасной (ИК) области излучений на ближнюю область, соответствующую области обертонов, и среднюю, соответствующую области основных колебаний.