Загальні теоретичні відомості

3.1. Вологість та методи її вимірювання.

Вологість повітря, газів, твердих та сипких матеріалів необхідно контролювати в ході різних технологічних процесів, а також під час зберігання продуктів в складських приміщеннях та холодильних камерах.

Вміст вологи в газовому середовищі характеризується абсолютною або відносною вологістю.

Абсолютна вологість газового середовища - це масова кількість (концентрація) водяної пари, що міститься в 1 м³ газового середовища. Одиниці вимірювання абсолютної вологості: кг/м або г/м³.

Відносна вологість газового середовищау (,%) або степінь його насичення - це відно­шення абсолютної вологості газового середовища М певного об’єму до масової концентрації (кількості) водяної пари М , яка насичує це середовище за даної температури.

= 100%. (1)

Вимірювання вологості повітря та газів проводиться, в основному, психрометричними, сорбційними методами та за точкою роси.

Вміствологи в твердих та сипких матеріалах характеризується вологовмістом U та вологістю W.

Вологовміст U - відношення маси вологи М в матеріалі до маси абсолютно сухого матеріалу М_о: U = М / M .

Вологість W - відношення маси вологи М в матеріалі до маси вологого матеріалу М_в: W = М / М_в = М / (М_о + М).

Для вимірювання вологості твердих та сипких матеріалів в лабораторії застосовують ваговий метод, заснований на зважуванні проби до (М_в) та після (М_о) її висушування в спеціальних шафах до настання зрівноваженого стану з навколишнім середовищем, тобто, коли подальше висушування не приводить до зменшення маси проби. Метод дуже простий і точний але потребує багато часу.

В системах автоматичного контролю та управління технологічними процесами, де необхідно постійно контролювати вологість сипких та твердих матеріалів, найбільш поширені кондуктометричні та ємнісні вологоміри.

Первинним вимірювальним перетворювачем (ПВП) таких вологомірів є

два електроди. Вони конструктивно виконуються у вигляді або двох пластин, або циліндричної трубки, що є зовнішнім електродом, з загостреним у вигляді голки внутрішнім електродом та ін.. Простір між електродами, які ізольовані один від одного, утворює вимірювальну комірку, де знаходиться контрольований за вологістю матеріал, який подається у комірку або порціями (дискретно), або безперервно.

У основу принципу дії кондуктометричних вологомірів покладена залежність електричного опору між двома електродами (опору вимірювальної комірки) від вмісту вологи. Ця залежність в загальному вигляді має вигляд:

= , (2)

де – опір матеріалу, Ом;

«А» та «к» - додатні постійні величини, що залежать від природи матеріалу та умов вимірювання.

Характеристика перетворення ПВП нелінійна і використовується її відносно лінійний відрізок з низькою та середньою вологістю від 15 до 30%. В якості вторинних приладів таких ПВП використовуються електронні та магнітоелектричні oмметри та автоматичні мости постійного струму.

На відміну від кондуктометричних ПВП, ємнісні ПВП використовують залежність ємності між електродами, які можна розглядати як дві обкладки конденсатора, від діелектричної проникності матеріалу, що в сою чергу залежить від його вологості.

Ємність С плоского конденсатора дорівнює:

С = , (3)

де абсолютна діелектрична проникність між електродного простору. Ф/м;

S – площина електродів, м ; d – відстань між електродами, м.

Із формули видно, що при постійних розмірах конденсатора (вимірювальної комірки), отримуємо функціональну залежність: С = f().

У ємнісних ПВП для визначення вологості сипких матеріалів, наприклад, зерна, використовується зміна діелектричної проникності продукту в залежності від його властивостей(вологості), складу та наявності домішок. Відомо, що діелектрична проникність багатьох речовин суттєво різна. Наприклад, для води = 81, для клейковини зерна -2,6, а для більшості сухих речовин вона знаходиться в межах від 2 до 10. Таким чином, незначна зміна вологості речовини визиває зміну її діелектричної проникності.

ПВП таких видів виготовляється у вигляді двох однакових пластин, які жорстко закріплені у корпусі із високоякісного ізоляційного матеріалу і які вводяться у вимірюване середовище. Так як відстань та площина пластин незмінні, то ємність між ними є лінійною функцією від діелектричної провідності середовища , яке знаходиться між пластинами.

Наприклад, у портативного ПВП для визначення вологості сипких матеріалів, корпус виготовлено у вигляді ручки, а пластини – у вигляді леза ножа, що полегшує їхнє введення у сипке середовище, діелектрична проникність якого в свою чергу залежить від вологості. Вимірювання проводять на частотах в межах десятків кГц.

В цих ПВП електроди ізолюють від контрольованої за вологістю речовини за допомогою матеріалів з високими ізоляційними властивостями.

В якості вимірювальних приладів в комплекті із ємнісними ПВП використовують автоматичні мости змінного струму, або прилади, що побудовані на спеціальних резонансних схемах.

Для вимірювання вологості газових середовищ найбільше використовуються методи: сорбційний, точки роси та психрометричний.

Суть сорбційного методу полягає у використовування властивості деяких речовин, із пористою структурою, поглинати вологу на поверхню цих пор із навколишнього газового середовища. І ця поглинута волога знаходиться у стані рівноваги з вологістю контрольованого за вологістю середовища. Кількість води, що адсорбується на поверхні такого ПВП, збільшується із збільшенням вологості газового середовища. Одночасно з цим, змінюються механічні (довжина ПВП, що виготовлений, наприклад, із капронової нитки чи целофану), електричні (електричний опір чи ємність ПВП, який виготовлений, наприклад, із мікропористого ебоніту), масові, кольорові та інші властивості матеріалу (сорбенту), з якого виготовлений ПВП вологості.

В якості сорбентів використовують також пористе скло, кварц, оксидні алюмінієві плівки, плівки із йодистого срібла, кадмію чи свинцю, або спеціальні ПВП, що заповнені насиченим розчином хлористого літію.

Суть методу точки роси полягає у визначенні температури, за якої водяна пара, що є в контрольованому газі, за її охолодження досягає стану насичення, тобто починає конденсуватися. Початок конденсації фіксується візуально (в лабора­торних приладах) або за допомогою фотоелементів (в автоматичних вологомірах). Такі прилади ще називаються гігрометрами.

Особливістю автоматичних гігрометрів є наявність нагрівально-охолоджувального пристрою та фотооптичної системи для стеження за зміною точки роси.