Реферат: Датчик влажности

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.

5.2 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.

5.2.1 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.

5.2.2 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.

5.2.3 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.

5.2.4 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.

5.2.5 Метод СВЧ-влагометрии