Влажность – показатель содержания воды в физических телах.
Вода входит в состав большинства неметаллических материалов. Оказывая существенное влияние на физико-химические и физико-механические свойства веществ, содержание влаги является одним из важнейших показателей качества продукции. Поэтому контроль влажности играет важную роль при управлении технологическими процессами в перерабатывающей промышленности (влажность руд, пищевых концентратов и сыпучих материалов) и при производстве строительных материалов. Кроме того, многие продукты (зерно, цемент и др.) только при определённой влажности являются пригодными для той цели, для которой они предназначены. Жизнедеятельность растений и животных организмов также зависит от влажности и ее необходимо поддерживать на заданном уровне. Например, зимой относительная влажность воздуха в помещении, в котором поддерживается температура 20 °С, при наружной температуре минус 10ºС и относительной влажности 100% составит всего 13%, в то время как комфортным считается значение 60%.
Влажность зависит от природы вещества, а в твёрдых телах, кроме того, от степени измельченности или пористости. Поэтому при выборе метода определения влажности необходимо учитывать не только формы ее связи с материалом, но и способность материала поглощать или отдавать влагу.
Измерение влажности газов.
В воздухе (газах) свободная вода может находиться в виде водяного пара (бесцветный прозрачный газ без запаха), тумана (жидкая фаза) или твердой фазы (кристаллы льда). Количество содержащейся в воздухе влаги характеризуется двумя величинами – относительной и абсолютной влажностью. Абсолютная влажность показывает количество водяного пара, содержащегося в единице объема воздуха [г/м3]. Несмотря на свою наглядность, абсолютная влажность не дает представления о том, насколько влажен воздух. Насыщение газа парами воды не может быть сколь угодно большим, т.к. этому препятствует состояние насыщения – установление динамического равновесия между испаряющимися и конденсирующимися молекулами воды.
Количество водяного пара, который может содержаться в воздухе, зависит от температуры – чем выше температура, тем больше влаги может в нем находится. Поэтому для определения "сухости" воздуха, от которой зависит интенсивность испарения влаги с кожи человека, из деревянной мебели и т.п., используется относительная влажность – отношение парциального давления паров воды в воздухе к равновесному давлению насыщенных паров при данной температуре. (Эквивалентное определение – отношение массовой доли водяного пара в воздухе к максимально возможной).
Иногда влажность выражается температурой точки росы – температурой газа, при которой газ насыщается водяным паром при данном количестве воды.
СИ влажности называются влагомерами или гигрометрами и классифицируются в зависимости от используемого метода измерений.
Психрометрический гигрометр (психрометр). Принцип действия основан на зависимости от влажности разности температур сухого и увлажненного термометров. Испарение влаги с поверхности термометра сопровождается понижением его температуры. При этом степень понижения зависит от интенсивности испарения и, в конечном счете, от «сухости» окружающего воздуха:
где Рм и Рс – давление насыщенных паров при температурах мокрого и сухого термометров, Аφ – психрометрический коэффициент, Р – барометрическое давление, Тм и Тс – температуры мокрого и сухого термометров.
Преимущества – простота конструкции, достаточная точность, малая инерционность.
Недостатки – увеличение погрешности при понижении температуры воздуха, возможность применения при температурах выше 0 °С, зависимость показаний от скорости обдува мокрого термометра. С увеличением скорости увеличивается интенсивность испарения, но при V > 3м/с, остается практически постоянной. Поэтому часто предусматривают принудительный обдув.
Емкостные гигрометры. Действие основано на изменении диэлектрической проницаемости газа, находящегося между обкладками конденсатора, при изменении содержания в нем воды. Чувствительный элемент представляет собой диэлектрическую влагонепроницаемую подложку, на которую напыляются обкладки конденсатора.
Преимущества – малые габариты (2х3 мм) и инерционность, широкий диапазон изменения рабочих температур.
Недостатки – сложная схема прибора, малое значение емкости (несколько пФ), зависимость диэлектрической проницаемости воды от температуры. Для компенсации влияния по периметру ЧЭ напыляется платиновый термометр сопротивлений Rx (Т).
Волосяные гигрометры. Принцип действия основан на зависимости длины волоса от влажности: при изменении относительной влажности воздуха от 40 до 90% волос удлиняется на 2,5%. Погрешность – 5%. Быстродействие составляет несколько минут и зависит от влажности и температуры. Диапазон рабочих температур от минус 10 до +50 °С.
Гигрометры точки росы. Принцип действия основан на измерении температуры, при которой начинается конденсация влаги. Состоит из металлического зеркала, которое охлаждается элементом Пельтье, источника и приемника света, Управляемого Источника Питания, термопары и потенциометра.
При охлаждении зеркала наступает момент, когда на нем начинает конденсироваться влага из воздуха. Образующиеся на зеркале капли воды увеличивают рассеивание светового потока и, следовательно, уменьшают его часть, попадающую на фотоприемник. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению напряжения питания холодильника и увеличению температуры зеркала до тех пор, пока вода не испарится. Таким образом, температура зеркала стабилизируется около точки росы, которая измеряется потенциометром. Значение влажности индицируется в градусах.
Измерение влажности сыпучих материалов.
Содержание влаги в твердых и сыпучих материалах оценивается влажностью или влагосодержанием. Влажность характеризуется количеством воды в веществе, выраженным в процентах от первоначальной массы влажного вещества. Влагосодержание – количеством воды, отнесённое к единице массы сухой части материала. Эту величину практически невозможно точно измерить, т.к. невозможно удалить всю воду.
Сложность измерения влажности твердых сыпучих и волокнистых материалов заключается и в том, что при взаимодействии датчика с материалом может изменяться его структура, насыпная плотность и другие факторы, существенно увеличивающие погрешность прибора.
Методы определения влажности твердых и сыпучих материалов (подразделяются на прямые и косвенные) более многочисленны и разнообразны из-за разнообразия как форм связи воды и вещества, так и строения самого вещества.
Связи, в зависимости от величины энергии, необходимой для ее разрушения, подразделяются на химические, физико-химические и физико-механические.
Химические – наиболее сильные ионная и молекулярная связи, при которой молекулы воды не существуют самостоятельно. Эту влагу нельзя удалить высушиванием. А ее удаление связано с разрушением молекулы самого вещества.
Физико-химические – адсорбционная и осмотическая связи. При адсорбции под действием сил межмолекулярного взаимодействия на поверхности твердого вещества образуется мономолекулярный слой воды, который находится под большим давлением. Вода в этом слое обладает рядом свойств:
- Неспособность к растворению электролитов, что приводит к резкому увеличению удельного сопротивления,
- Повышенная плотность – 1,5 г/см2,
- Пониженная температура замерзания – минус 70 ºС.
Последующие слои связаны менее прочно и их свойства приближаются по мере удаления к свойствам свободной воды.
Осмотическая связь имеет место у растительных клеток.
Физико-механическая – наиболее слабая. Вода удерживается под действием капиллярных сил.
Прямые методы основаны на непосредственном измерении количества влаги, содержащейся в материале. Они характеризуются высокой точностью, но из-за продолжительности используются в основном при лабораторном анализе. К ним относятся:
- Метод высушивания при повышенной температуре или в вакууме. Недостатки – невозможность удаления связанной воды, возможность испарения части воды при подготовке образца, окисление материала.
- Экстракционный. Основан на извлечении влаги из материала водопоглощающей жидкостью (спирт, диоксан) и определении количества воды в экстракте по изменению его физических свойств (плотности, коэффициента преломления, температуры кипения и др.). Преимущество – малое время анализа. Недостаток – зависимость результата от чистоты и количества экстрагента.
- Химический. Основан на применении веществ, вступающих в химическую реакцию с водой, содержащейся в пробе. Количество образовавшихся продуктов реакции зависит от влажности. Например, в герметичную емкость с влажным песком добавляют карбид кальция, который при взаимодействии с водой выделяет ацетилен. Вследствие этого давление в системе повышается пропорционально влажности. Недостаток – аналогичен экстракционному методу.
Косвенные методы основаны на измерении параметров, зависящих от влажности. Они характеризуются высокой скоростью анализа, но их точность ниже, чем прямых методов, поэтому используются в технологических измерениях.
Кондуктометрические гигрометры. Принцип действия основан на зависимости электропроводности материала от влажности. Большинство неметаллических материалов в сухом виде являются хорошими диэлектриками с удельным сопротивлением более 1010 Ом·см. При увлажнении их сопротивление уменьшается на много (10-15) порядков, что объясняется не только проводимостью воды, но и диссоциирующим воздействием на содержащиеся в материале электролиты.
При малой влажности сопротивление резко возрастает и становится сравнимым с сопротивлением изоляции проводов, а при большой – чувствительность метода резко падает. При измерении влажности сыпучих материалов необходимо учитывать, что сопротивление сильно зависит от степени уплотнения.
Диэлькометрические гигрометры. Принцип действия основан на зависимости от влажности диэлектрической проницаемости ε вещества или тангенса угла диэлектрических потерь. ЧЭ представляет собой плоский или цилиндрический конденсатор, между обкладками которого помещают исследуемый материал. На результат измерений существенное влияние оказывает температура. При измерении влажности сыпучих необходимо также учитывать соотношение объемов твердого и влажного вещества, а также воздуха (гранулометрический состав), т.к. их ε могут значительно различаться. Диапазон измерений от 0 до 40% при погрешности от 1% до 5%.
Сверхвысокочастотные (СВЧ) гигрометры. Принцип действия основан на зависимости степени затухания и сдвига фазы волны, проходящей через материал (или отраженной от материала), от влажности. Для большинства материалов степень затухания связана с влажностью соотношением:
где k – константа, l – толщина слоя, α – коэффициент затухания, ρ – плотность материала, W – влажность.
График зависимости сдвига фазы от влажности имеет характерный излом, что объясняется изменением формы связи воды с материалом.
Недостатком является зависимость показаний от плотности материала и толщины слоя. Уменьшить эту зависимость можно измеряя одновременно затухание и сдвиг фазы. Существенное влияние на результат оказывает и температура, поэтому в схему прибора вводится канал температурной коррекции. Диапазон измерений 0 – 100% с погрешностью от 0,5% до 5%.
Инфракрасные гигрометры. Принцип действия основан на интенсивном поглощении водой ИК излучения с длиной волны 1,95 мкм. Т.к. ИК излучение сильно поглощается даже тонкими слоями материала, то в основном используется отражение ИК волны. Гигрометр состоит из двух источников ИК излучения с λ1 = 1,95 и λ2 = 1,75. ИК лучи с λ2 слабо поглощаются, поэтому соотношение амплитуд отраженных волн пропорционально влажности. Диапазон измерений – от 0,3 до 7%. Погрешность до 10%. Преимущество – отсутствие контакта с измеряемым материалом, возможность контроля влажности непосредственно в потоке.
