Гравіметричні методи і пристрої

План

1. Гравіметричні методи і пристрої
2. Хімічні методи і пристрої
3. Кондуктометричні методи і прилади
4. Діелькометричні (надвисокочастотні) вологоміри
5. Оптичні прилади
6. Нейтронні вологоміри
7. Метод ядерного магнітного резонансу (ЯМР)
8. Аерокосмічні методи і засоби вимірювання вологості та температури ґрунту

 

 

Аналіз патентної, науково-технічної літератури та інформації, представленої у мережі Інтернет, надає підстави стверджувати, що за останнє десятиріччя створено велику кількість технічних засобів вимірювання вологості різних матеріалів і середовищ, які відрізняються

способом функціонування, ступенем експpесностi, впливом на вологоємкий матеріал, функціональною залежністю інформативного параметра від вологості, технічними рішеннями, способами відображення інформації та ін.

В останній час розробники вологомірів зробили вирішальний крок у напрямку мінітюаризації вимірювальних пристроїв і датчиків. У деревообробній промисловості та в галузі зберігання зерна навіть виникла серйозна конкуренція між виробниками вологомірів. Проте на фоні такого розмаїття технічних засобів вимірювання вологості деревини, кофе, зерна та інших матеріалів, прилади і методи вологометрії ґрунту практично слабо представлені на ринку вологомірів. Проблеми експрес вимірювання вологості ґрунту практично залишились невирішеними, як і 20-30 років тому.

Короткий огляд інформації, представленої патентною службою і мережею Інтернет, ще не дає повного уявлення про перспективність тієї

чи іншої розробки. Необхідні детальні дослідження залежності вологості матеріалів і середовищ від режимів і способів вимірювання, їх фiзико-хiмiчного складу, щільності, температури та інших параметрів. Однак на основі цього огляду уже зараз можна передбачити перспективи і шляхи розвитку вологометрії матеріалів і ґрунту, зокрема, на наступне десятиліття.

Методи і засоби вимірювання різноманітних матеріалів і середовищ за принципами дії умовно можна розділити на такі: гравіметричні, хімічні, кондуктометричні (омічні), діелькометричні (надвисокочастотні), оптичні, гамаскопічні, нейтронні, ядерного магнітного резонансу (ЯМР)

та інші.

 

Рис. 1. Зовнішній вигляд приладів вимірювання вологості матеріалів і

Середовищ

 

Тому не випадково, що для вимірювання вологості ґрунту, особливо деревини, зерна, інших продуктів і виробів, в останні роки почали широко застосовувати інші опосередковані експрес-методи і технічні засоби вимірювання (рис. 1).

 

Хімічні методи і пристрої

Типовим представником хімічних методів є вологомір ґрунтових зразків типу ЕВК, в якому для екстракції води застосовано карбід кальцію. Цей вологомір (рис. 1.2) є індикатором і призначений для визначення вмісту вологи в зразку ґрунту, вийнятому ґрунтовим буром із різної глибини до 1,5 м.

Вологомір складається з камери тиску; посудини з прокладкою, що закріплюються гвинтом, і манометра, змонтованого в корпусі вологоміра.

Шкала манометра є шкалою приладу.

Недоліки хімічних методів і засобів такі:

• низька точність вимірювання вологості ґрунту;

• необхідність застосування спеціальних бурів для відбору зразків ґрунту;

• неоперативність та непридатність для масового використання в агрометеорології.

 

Діелькометричні (надвисокочастотні) вологоміри

Методи вимірювання вологості матеріалів у потоці або на конвеєрі повинні характеризуватися швидкодією, безконтактнiстю та іншими властивостями, які не властиві одноразовим та вибірковим вимірюванням.

До таких перспективних, із цієї точки зору, підходять ємнісні, надвисокочастотні (НВЧ) та Iч-методи.

Від кількості води у зразку залежить або згасання пpихідної хвилі, або фаза НВЧ. Від кількості зв’язаної води залежить час дипольної релаксації. Тому апаратура НВЧ повинна мати можливість вимірювати величину діелектричної проникності в такому діапазоні частот, де ці величини мають великі значення. Методи НВЧ діляться на такі, що засновані на відбиванні радіохвиль (pезонатоpнi) i на пропусканні їх. Максимум діелектричних утрат для вільної води буває на частоті 20 Ггц. Однак, якщо треба проводити вимірювання в зразках великої товщини з необхідністю глибокого проникнення радіохвиль у речовину, то використовують більш низькі частоти, аж до 1 Ггц. Pезонатоpнi методи більш ефективні для зразків, які мають форму плівки. Діелектричні втрати легше визначити методом, заснованим на відбитті радіохвиль. Але ці методи взагалі важче застосовувати для об'ємно протяжних матеріалів.

Швидкість розповсюдження хвилі НВЧ краще всього визначати шляхом вимірювання фазових зсувів. Метод вимірювання фази НВЧ має ряд переваг перед методом вимірювання згасання, оскільки він менше піддається збурюючим факторам. Існує думка, що на нього менше впливає вміст додаткових хімічних речовин, що містяться в матеріалі, і, зокрема, солей.

Ринок вологомірів, заснованих на застосуванні НВЧ, найкраще репрезентує фірма WAGNER (рис. 1.8), яка випускає цілий ряд приладів, здебільшого для вимірювання вологості деревини в меблевій промисловості. Це і малогабаритний сканер L609, кишеньковий вологомір L606 (так званий “Інспектор” L610), штабельний вимірювач вологості L712, вологоміри для виробників та монтажників меблів: ММС 210 і 220.

Серед інших приладів можна назвати вимірювач вологості деревини S200, універсальний вимірювач вологості будматеріалів МГ4 (МГ-4Б), вимірювачі вологості нафтопродуктів ИВН-93 і ИВН-95, вимірювач вологості деревини МГ4Д, вимірювач відносної вологості в газоподібних і сипучих середовищах ИВЦ-01, вимірювач вологості пиломатеріалів ИВПМ-02. В більшості цих приладів використано мікропроцесор для оперативного одержання даних про вологість речовин. Фірма “Мікрорадар”, яка ввібрала розробки Білоруського державного аграрного технічного університету, зараз пропонує цілий комплекс приладів від портативних переносних приладів для вимірювання вологості деревини в лісопильній і меблевій промисловості та стаціонарних пристроїв для визначення вологості різних матеріалів у потоковому виробництві. Фірма пропонує переносні мікрохвильові вологоміри деревини СОМРАСТ, LG6NG, ИВПМ-02, SН-0453, ИВД-1, потоковий вологомір МІКРОРАДАР-113, призначений для вимірювання вологості зерна безпосередньо в самотіках.

У мережі Інтернеті з’явилась інформація про макет, що має назву “Радіолокатор для визначення вологості ґрунту” (рис. 1.9). Він суміщує в спільному корпусі вимірювач і датчик. Передавач вологоміра працює на частотах: 200, 400, 600, 800 і 1000 Мгц. Вимірювання виконуються з поверхні ґрунту за допомогою двох невеликих (7,5 см) торчаків-антен.

Недоліком такого типу приладів є те, що ними можна визначити вологість лише у верхньому шарі ґрунту на глибину до 10 см. Такий же недолік мають і аерокосмічні прилади.

Оптичні прилади

В оптичних приладах може використовуватися видимий спектр випромінювання, якщо речовина змінює своє забарвлення i коефіцієнт відбиття, функціонально залежний від вологості.

Інфрачервоний (IЧ) спектральний метод вологометрії засновано на тому, що в спектрі з довжиною хвилі 0,8-6,1 мкМ вода має ряд досить сильних смуг поглинання різної інтенсивності (λ = 1,94 мкМ i λ = 2,48 мкМ). У порівнянні із надвисокочастотним в IЧ-методі сильніше проявляється вплив розмірів частинок. IЧ – цілком поверхневий метод.

Властивості поверхні матеріалу при висиханні значно змінюються. Тому результати вимірювань на поверхні відрізняються від глибинних. Окрім того, вони можуть залежати від відстані між вимірювачем i поверхнею.

Смуги поглинання, характерні для молекул води, не завжди легко використати, оскільки вони можуть співпадати зі смугами поглинання інших хімічних матеріалів і середовищ. Найбільш часто у ІЧ-вологомірах використовуються смуги поглинання, розташовані поблизу 1,4; 1,9; 2,7 мкМ.

Відомі IЧ-вологоміри найчастіше створюються за двохвильовою схемою, тобто сигнал, що вимірюється, фіксує різницю інтенсивності випромінювання двох хвиль: еталонної i аналітичної. Виділення їх зі спектру джерела випромінювання може здійснюватися як до його попадання на об'єкт, що контролюється, так i після. Як приклади, можна назвати портативний фотоелектричний вологомір ґрунтових зразків (рис.1.10), вологомір ВИЛ-1, автоматичнi вологомipи Anacon - 106 (Англія), Quadra Beat Model 475 (США) та інфрачервоний вологомір IRMM-106 (рис. 1.11). Висока чутливість та можливість разом з вологою визначати i інші компоненти речовини висувають IЧ метод у число найбільш перспективних для аналізу якості сільськогосподарських продуктів, оскільки, незважаючи на дорожнечу, складність i окремі недоліки, вологоміри такого типу дозволяють вести безперервний контроль вологості в умовах потоку i можуть успішно застосовуватись в системах автоматичного контролю i регулювання технологічними процесами.

Основний недолік Iч-методу в тому, що вологість вимірюється в поверхневому шарі, коли неоднорідність розподілу вологи по поверхні та в глибині контрольованого матеріалу може бути причиною значних помилок.

Нейтронні вологоміри

Принцип дії цих вологомірів заснований на здатності атомів водню уповільнювати рух швидких нейтронів, переводячи їх у ранг повільних. Типовим представником цих вологомірів є ВНП-1 (рис. 1.12). У склад приладу входить електронний цифровий вимірювальний блок з індикатором на рідинних кристалах і датчик, суміщений в одному корпусі з джерелом швидких нейтронів.

Для проведення вимірювань в заданій точці поля необхідно пробурити свердловину на глибину 1,5 м і вставити в неї стаціонарну обсадну металеву або пластмасову трубу, щоб закріпити стінки свердловини і попередити їх осипання. Внутрішній діаметр труби повинен бути таким, щоб дозволяв легко рухатись в трубі датчику ВНП-1.

Технічні дані ВНП-1 такі: діапазон вимірювання вологості становить 0,05-0,5 г/см3 (або 5-50 %), похибка вимірювання – 0,025 г см³ (або 2,5 %). Загальна маса комплекту без обсадних труб 5 кг.

Задум засновників цього методу був такий: вода складається з двох атомів водню і одного атому кисню; якщо занурити датчик приладу в ґрунт і потім поміряти енергію нейтронів, уповільнених атомами водню, то на базі цих даних можна дуже точно визначити вміст води в ґрунті. Спочатку при впровадженні цього методу вважалось, що це ідеальний метод, розрахований якраз на такі об’єкти, як ґрунт. Однак, як пізніше з’ясувалось, не було враховано багато супутніх факторів, які вносять суттєві помилки при визначенні вологості ґрунту цим методом.

По-перше, атоми водню входять не тільки до складу води, але й до

складу хімічних сполук та органічної частини ґрунту (гумусу, перегнилих і не перегнилих решток рослин, органічних добрив і мікрофлори). Органічна фракція ґрунту може досягати до 20 відсотків від усієї маси ґрунту, що збільшує відносну помилку вимірювання до 100 %.

По-друге, радіус дії нейтронного методу 30 см, тобто ним можна поміряти концентрацію повільних нейтронів у сфері діаметром 60 см. Це означає, що у верхніх шарах ґрунту 0-10 і 0-20 см нейтронним методом визначати вологість ґрунту не можливо. При зануренні датчика на глибину 10 см прилад ВНП-1 завжди показує нуль, навіть при повному насиченні ґрунту водою, а на глибині 20 см дані вологості ґрунту мають в 1,5-2 рази менші значення в порівнянні з глибиною 30 см. Це явище пов`язане з тим, що на глибинах до 20 см сфера дії нейтронного методу діаметром 60 см уміщує не тільки ґрунт, але й повітря, де концентрація атомів водню в одиниці об’єму значно нижча, ніж у ґрунті. Тому ВНП-1 рекомендують застосовувати, починаючи з глибини 30 см. Це суттєвий недолік даного методу, бо вологість орного шару ґрунту найбільш мінлива, а інформація про неї найбільш необхідна.

По-третє, потреба закладення на полях обсадних труб створює певні незручності для господарників. Такі труби могли б стояти на полях із колосовими культурами і травами в період між останнім обробітком (боронування посівів, підкормкою тощо) і збиранням. Щодо просапних культур, то тут період, коли обсадні труби можуть знаходитись на полі, ще коротший. У той же час термостатно-ваговий метод гідрометеостанції використовують весь вегетаційний період і навіть, частково, зимою.

Ми розглянули тільки три недоліки, характерні для нейтронного методу визначення вологості ґрунту. Окрім того, похибки цього методу, як і будь-якого іншого, пов`язані також із неврахуванням щільності, температури, хіміко-механічного складу ґрунту та інших факторів.

Температури ґрунту

Аналіз патентної, науково-технічної лiтеpатуpи та інформації, представленої в мережі Інтернет, присвяченої аерокосмічним методам контролю стану поверхні землі, зокрема, рослинності і ґрунтів дає підстави стверджувати, що при розробці методів такого контролю, наземним методам і засобам контролю приділяється мало уваги. Розроблювані моделі оцінки стану рослин і ґрунту за супутниковими даними, що базуються, переважно, на законах оптики, термодинаміки та інших фізичних засадах, завжди потребуватимуть експериментальної перевірки в наземних умовах. А для цього необхідна надійна наземна мережа контролю стану рослин і ґрунту.

Однак при цьому виникають дуже складні і, тим не менше, важливі проблеми, пов'язані з особливостями аерокосмічних і наземних методів.

Перша особливість. Дуже відрізняються роздільна здатність поверхні ґрунту, коли його сканувати аерокосмічними датчиками і вимірювати наземними засобами. Так, якщо датчики супутників Землі охоплюють площу земної поверхні, що має форму кола діаметром від десятків метрів до кількох кілометрів, то термостатно-ваговий метод може характеризувати грудочку землі діаметром до 3-4 см. У той же час датчики ВПҐ-4ц (стаціонарний і переносний) діють у полі, що має форму кола діаметром 60 см і більше. Якщо для космічних датчиків за роздільну здатність прийняти коло діаметром 10 м, то обсяги вибірки щодо вологості поверхні ґрунту для датчиків супутників становитимуть 7,85·10⁷ см², для ВПҐ-4ц – 2,826·103 см2, а для ТВ-методу – лише 7,1 см². Тобто вони співвідноситимуться як 1,1·107: 4,0·102: 1.

Поки що єдиним ефективним способом врахувати цю особливість залишається збільшення числа повторень на площі вимірювання за допомогою приладу ВПҐ-4ц і, особливо, визначень вологості ґрунту ТВ- методом.

З іншого боку, за допомогою аерокосмічних методів не можна одержати розподіл температури і вологості ґрунту на різних глибинах. В цьому випадку вони поки що не можуть замінити наземні засоби одержання інформації про агрометеорологічні параметри.

Друга особливість. Аерокосмічні дані, зазвичай, не співпадають із наземними в часі і просторі. Траєкторія супутників рідко співпадає з місцем розташування існуючих гідрометеорологічних станцій і постів, які ведуть наземні спостереження за станом атмосфери, рослин і ґрунту.

Строки агрометеорологічних спостережень також часто не співпадають із часом проходження штучних супутників над місцем розташування станцій і постів.

Рис. 2. Загальний вигляд дистанційного агрометеорологічного поста ДАП-1 супутників, але для спеціальних мікрокліматичних досліджень території.

 

ДАП-1 і операторів-спостерігачів можна транспортувати в одному мікроавтобусі. Можливий варіант об`єднання ДАП-1 і ВПҐ-4 ц в одному універсальному пристрої.

План

1. Гравіметричні методи і пристрої
2. Хімічні методи і пристрої
3. Кондуктометричні методи і прилади
4. Діелькометричні (надвисокочастотні) вологоміри
5. Оптичні прилади
6. Нейтронні вологоміри
7. Метод ядерного магнітного резонансу (ЯМР)
8. Аерокосмічні методи і засоби вимірювання вологості та температури ґрунту

 

 

Аналіз патентної, науково-технічної літератури та інформації, представленої у мережі Інтернет, надає підстави стверджувати, що за останнє десятиріччя створено велику кількість технічних засобів вимірювання вологості різних матеріалів і середовищ, які відрізняються

способом функціонування, ступенем експpесностi, впливом на вологоємкий матеріал, функціональною залежністю інформативного параметра від вологості, технічними рішеннями, способами відображення інформації та ін.

В останній час розробники вологомірів зробили вирішальний крок у напрямку мінітюаризації вимірювальних пристроїв і датчиків. У деревообробній промисловості та в галузі зберігання зерна навіть виникла серйозна конкуренція між виробниками вологомірів. Проте на фоні такого розмаїття технічних засобів вимірювання вологості деревини, кофе, зерна та інших матеріалів, прилади і методи вологометрії ґрунту практично слабо представлені на ринку вологомірів. Проблеми експрес вимірювання вологості ґрунту практично залишились невирішеними, як і 20-30 років тому.

Короткий огляд інформації, представленої патентною службою і мережею Інтернет, ще не дає повного уявлення про перспективність тієї

чи іншої розробки. Необхідні детальні дослідження залежності вологості матеріалів і середовищ від режимів і способів вимірювання, їх фiзико-хiмiчного складу, щільності, температури та інших параметрів. Однак на основі цього огляду уже зараз можна передбачити перспективи і шляхи розвитку вологометрії матеріалів і ґрунту, зокрема, на наступне десятиліття.

Методи і засоби вимірювання різноманітних матеріалів і середовищ за принципами дії умовно можна розділити на такі: гравіметричні, хімічні, кондуктометричні (омічні), діелькометричні (надвисокочастотні), оптичні, гамаскопічні, нейтронні, ядерного магнітного резонансу (ЯМР)

та інші.

 

Гравіметричні методи і пристрої

Для визначення вологості різних матеріалів досить давно і широко застосовують так званий термогравіметричний метод. Він відноситься до прямих методів і має поширену в агрометеорології назву термостатновагового (ТВ) методу. Цей метод полягає в тому, що для визначення вологості ґрунту або іншого матеріалу попередньо відбирають невеликий зразок і зважують його. Потім за допомогою повітряного чи теплового сушіння видаляють вологу, знову зважують зразок після сушіння і за різницею маси вологого і сухого зразка визначають вологість матеріалу.

На мережі агро- і гідрометеорологічних станцій цей метод і досі залишається основним.

Для відбору проб матеріалу в різних галузях матеріального виробництва використовують різноманітні пробовідбірники. На гідрометеорологічній мережі для відбору ґрунтових проб використовують ручний бур АМ-26, рідше бур АМ-16, інколи – бур Скіпського. Бури АМ-26 і АМ-16 різняться тільки тим, що АМ-26 має трохи зменшений діаметр бурового циліндра-пробовідбірника, що полегшує ручне буріння ґрунту.

За своєю конструкцією бур Скіпського принципово відрізняється від обох попередніх тим, що він дозволяє відбирати проби ґрунту сталого об`єму з непорушеною структурою. Тому при застосуванні бура Скіпського, крім вологості, можна додатково визначати об`ємну масу ґрунту.

Абсолютну вологість у відношенні до маси сухого матеріалу визначають за формулою:

(1)

у відношенні до загальної маси зразка за формулою:

(2)

де W – вологість у %; Мв – маса вологого зразка разом із тарою, в яку його помістили; Мс – маса сухого зразка разом із тарою; Мt – маса тари. Об`ємну масу при використанні бура Скіпського обчислюють за формулою:

(3)

де Vm – об`ємна маса ґрунту, г/см3; V – об`єм пробовідбірного циліндра

бура Скіпського.

При коректному виконанні операцій відбору, зважування і висушування ТВ-метод дозволяє з досить високою точністю визначати вологість зразка. Тому термогравіметричний метод найчастіше використовують для градуювання вологомірів. Однак, коли вологоміром вимірюють вологість у більшому об’ємі матеріалу, ніж узятий зразок для визначення вологості ТВ-методом, то можуть виникнути суттєві розбіжності за різницею обсягів. Цього можна уникнути тільки за рахунок збільшення числа проб матеріалу при використанні ТВ-методу.

Поряд із цим ТВ-метод має також інші недоліки. До них належать:

• Значна тривалість процесів відбору ґрунтових проб, зважування їх, сушіння в термостатах і т.д., спричиняють запізнювання інформації про вологість ґрунту на 1-2 доби. Це для прийняття оперативних господарських рішень украй небажано, бо при рясних опадах чи суховіях вологість ґрунту за цей час може кардинально змінитися.

• Велика трудоємність методу (відбір проб, транспортування їх у лабораторію, зважування і громіздкі обчислення).

• Істотна вартість обладнання обумовлює високу собівартість одержання необхідної інформації про вологість матеріалів.

• Мала інформативність проби (менш 0,01% від маси зерна і ґрунту). Щоправда, тривалість сушіння зараз удається скоротити майже в 100 разів із застосуванням вологоміру МТ-250 або аналізатора вологості ЕЛВИЗ-2 (рис. 1.1). Перший застосовують до текстильних матеріалів у лабораторних і цехових умовах, другий – для експрес-вимірювання вологості твердих монолітних, сипучих, волокнистих, пастоподібних, водяних суспензій і рідин у лабораторних умовах. Однак і в цих умовах придатність їх для визначення вологості ґрунту треба поставити під сумнів. За допомогою цих приладів можливе визначення вологості тільки в одній пробі, у той час, коли тільки на одному окремо взятому полі під час гідрометеорологічних спостережень відбирають 44, інколи 64 проби.

 

 

 

Рис. 1. Зовнішній вигляд приладів вимірювання вологості матеріалів і

Середовищ

 

Тому не випадково, що для вимірювання вологості ґрунту, особливо деревини, зерна, інших продуктів і виробів, в останні роки почали широко застосовувати інші опосередковані експрес-методи і технічні засоби вимірювання (рис. 1).

 

Хімічні методи і пристрої

Типовим представником хімічних методів є вологомір ґрунтових зразків типу ЕВК, в якому для екстракції води застосовано карбід кальцію. Цей вологомір (рис. 1.2) є індикатором і призначений для визначення вмісту вологи в зразку ґрунту, вийнятому ґрунтовим буром із різної глибини до 1,5 м.

Вологомір складається з камери тиску; посудини з прокладкою, що закріплюються гвинтом, і манометра, змонтованого в корпусі вологоміра.

Шкала манометра є шкалою приладу.

Недоліки хімічних методів і засобів такі:

• низька точність вимірювання вологості ґрунту;

• необхідність застосування спеціальних бурів для відбору зразків ґрунту;

• неоперативність та непридатність для масового використання в агрометеорології.