Guía detallada de los analizadores de humedad

En todas las industrias, una nueva tecnología atraviesa varias etapas desde su aparición hasta convertirse en producto y alcanzar su adopción masiva. ¿Desea saber en qué etapa se encuentra la tecnología de detección de humedad? Veamos.

Ensayo destructivo

se refiere a la medición en la que la muestra se tritura o se altera químicamente de modo que ya no conserva su forma, estructura o composición originales. De las dos categorías, el ensayo no destructivo es más económico y rápido, y es el que se desarrolla con mayor rapidez: es hoy la corriente principal en la detección de humedad.

Método de secado directo

En el secado directo en estufa, la muestra se coloca en una estufa y, conforme a laASAEnorma, se mantiene a130°C durante un tiempo especificado19h. La diferencia de masa antes y después de la medición es el contenido de humedad.

Método de capacitancia

El método de capacitancia se basa en que la constante dieléctrica del agua es mucho mayor que la de los demás componentes del grano, por lo que cualquier variación del contenido de humedad provoca un cambio correspondiente de la capacitancia. Midiendo la variación de capacitancia correspondiente al cambio de humedad se obtiene el contenido de humedad del grano. El instrumento representativo es el medidor de humedad capacitivo, con una exactitud de medición de≤0.3%, un tiempo de medición de5s, un rango de humedad de10%~20%, y sus principales factores de influencia son la temperatura, la variedad y la compacidad，Este método permite la medición en línea. Ambos métodos anteriores tienen principios muy sencillos y una tecnología relativamente madura, pero cada uno presenta carencias:。El secado directo en estufa requiere mucho tiempo, implica muchos factores humanos y no permite la medición en línea; el método de capacitancia se ve afectado por numerosos factores y difícilmente cumple las normas nacionales en exactitud y repetibilidad. El desarrollo de la inteligencia artificial y de la tecnología de fusión de datos ha abierto nuevas vías para el procesamiento integral de datos, y ya se han logrado resultados alentadores.

Método de calentamiento y secado por infrarrojos

En el secado por calentamiento infrarrojo, la radiación infrarroja calienta la muestra para eliminar el agua y así medir el contenido de humedad。El instrumento representativo es el analizador de humedad por infrarrojos, con una exactitud de±0.1%, un tiempo de medición de1200s, un rango de humedad de0~100%; los principales factores de influencia son la temperatura y el tiempo de calentamiento. Este método no permite la medición en línea.

Método de calentamiento por microondas

El calentamiento por microondas utiliza microondas de frecuencia ultraalta de2450MHzor915MHzgeneradas por el magnetrón de un horno de microondas para hacer oscilar rápidamente las moléculas de agua del grano; la colisión y la fricción entre las moléculas eliminan la humedad del grano. El instrumento representativo es el analizador de humedad por microondas de laboratorio, con una exactitud de ≤0.01%, un tiempo de medición de100s, un rango de humedad de12%~100%; los principales factores de influencia son la potencia de microondas, la masa del grano, la densidad y las propiedades dieléctricas. Este método no permite la medición en línea. En comparación con el secado convencional, ambos métodos acortan el tiempo de medición y reducen el consumo energético: el calentamiento por infrarrojos no necesita medio calefactor y mejora el rendimiento térmico, mientras que el calentamiento por microondas es fácil de operar y permite medir varias muestras a la vez; sin embargo, presenta efectos de estratificación y de esquina que provocan una distribución desigual de las microondas y afectan la exactitud.

Método del ángulo de pérdida dieléctrica

Los estudios muestran que el ángulo de pérdida dieléctrica del grano varía con el contenido de humedad según una relación unívoca y lineal por tramos. El método es económico, práctico y muy exacto, y resulta especialmente adecuado para granos de alta humedad. El instrumento representativo es el analizador de humedad de granos, con un tiempo de medición de0.1s, un rango de humedad de1%~30%; los principales factores de influencia son la temperatura y la variedad. Este método permite la medición en línea.

Método de capacitancia separada de impedancia compleja

Mediante el diseño de un circuito de separación de impedancia compleja, este método elimina eficazmente la influencia de la componente resistiva y conserva únicamente la variación de capacitancia. Tiene gran importancia para mejorar la exactitud de los medidores de humedad capacitivos.

Método de impedancia de alta frecuencia

El método de impedancia de alta frecuencia mide la humedad basándose en la teoría de que, dentro de la banda de frecuencias sensible(100k~250kHz)y bajo un campo eléctrico aplicado, la humedad del grano guarda una relación logarítmica con la impedancia de corriente alterna. La exactitud es ≤0.5%, un tiempo de medición de1.2s; los principales factores de influencia son la temperatura, la variedad, la compacidad y la separación entre electrodos. Este método no permite la medición en línea.

Método de resistencia por fricción

La resistencia dinámica por fricción del grano está linealmente relacionada con el contenido de humedad: a mayor humedad, mayor resistencia. Este método tiene pocos factores de interferencia y de escasa intensidad, un sensado estable y fiable, calibración sencilla, ajuste flexible, larga vida útil y bajo costo, y es fácil de automatizar.

Método acústico

1986InHarrensteinyBrusewitzestudiaron métodos para medir el ruido de colisión del grano en flujo. Las investigaciones muestran que las características de elasticidad y vibración de los granos dependen de su humedad, y que los granos con distintos niveles de humedad producen presiones sonoras diferentes al chocar con superficies durante su flujo. El método acústico tiene buena repetibilidad, pero el apantallamiento de la señal de ruido supone un reto. El instrumento representativo es el medidor de humedad acústico, con una exactitud de ≤0.25%, un tiempo de medición de0.007s; los principales factores de influencia son el ruido, el tamaño y la forma del grano. Este método permite la medición en línea. Los3métodos anteriores son muy prometedores y están a la espera de un mayor desarrollo. En teoría, tanto el método de resistencia por fricción como el método acústico podrían lograr la medición en línea, pero subsisten muchos factores de interferencia y algunos aspectos requieren un estudio más profundo. El método de impedancia de alta frecuencia ya ha dado lugar a un analizador de humedad rápido inteligente de tipo sonda, que ha superado las pruebas en la industria de granos y aceites, se ha promovido en todo ese sistema y ha sido catalogado como producto nuevo clave nacional.

Resonancia magnética nuclear (RMN)

En la resonancia magnética nuclear (RMN), los espines de los núcleos atómicos se reorientan bajo ciertas condiciones, de modo que el grano absorbe energía de un campo electromagnético a una frecuencia definida; la cantidad de energía absorbida es proporcional al número de núcleos de la muestra. El método es rápido, exacto y de amplio alcance, y permite distinguir el agua libre del agua ligada; sus inconvenientes son el alto costo de los instrumentos, los elevados gastos de mantenimiento y la necesidad de una calibración precisa. El instrumento representativo es el medidor de humedad por RMN, con una exactitud de≤0.5%, un rango de humedad de0.05%~100%; los principales factores de influencia son el flujo de material, la densidad aparente y la temperatura. Este método permite la medición en línea.

Método de radiación

La espectroscopia de reflectancia en el infrarrojo cercano (NIRS) se aplicó a la medición de la humedad de granos en1964. Distintas moléculas absorben de forma característica la luz del infrarrojo cercano de diferentes longitudes de onda. Cuando la luz del infrarrojo cercano (de longitud de onda1940nm) ilumina la muestra, la intensidad de la luz reflejada de forma difusa se relaciona con la composición de la muestra según la ley de Lambert-Beer. El método es rápido y sencillo y no requiere secado: el grano solo necesita pasar por el instrumento; sin embargo, es una técnica de medición superficial que difícilmente refleja la humedad del seno (interior) del material, y su exactitud se ve afectada por el tamaño, la forma y la densidad del grano. Instrumento representativo, exactitud ≤0.2%, un tiempo de medición de0.04s, un rango de humedad de0~45%; los principales factores de influencia son el tamaño, la forma y la densidad del grano. Este método permite la medición en línea.

La absorción de microondas comenzó en la década de19siglo40. Mide la humedad indirectamente a través de la absorción de energía de microondas por el agua del grano, o mediante cambios en parámetros como la frecuencia de resonancia y la fase de una cavidad de microondas al variar la humedad. Sus ventajas son la alta sensibilidad, la rapidez, la seguridad, la no destructividad, la medición continua en línea y señales fáciles de digitalizar y visualizar en línea; sus desventajas son un límite de detección no suficientemente bajo, la susceptibilidad a interferencias de ondas estacionarias, lecturas que dependen de la composición del material y la necesidad de una calibración independiente para cada variedad. El instrumento representativo es el analizador de humedad por microondas en línea, con una exactitud de ±0.1%, un tiempo de medición de0.5s, un rango de humedad de0~40%; los principales factores de influencia son la variedad, el material, la forma y la densidad, y es posible la medición en línea.

Medidor de humedad de neutrones

Desde la década de20siglo40, cuando los Estados Unidos desarrollaron por primera vez el medidor de humedad de neutrones, los países de todo el mundo han desarrollado y comercializado sucesivamente medidores de humedad de neutrones para diversas aplicaciones. Mide la humedad del grano contando los pulsos de tensión generados en un detector de neutrones lentos. Entre sus ventajas figuran la alta linealidad, la alta sensibilidad en niveles altos de humedad, la capacidad de medir grano congelado, la ausencia de daño a la estructura del grano y la no interrupción del flujo normal del grano; entre sus desventajas, las características inestables de dispersión del hidrógeno, una teoría incompleta, la necesidad de calibración manual y la influencia significativa de la densidad del grano y del volumen de medición en la exactitud. Instrumento representativo, exactitud ±0.5%, rango de humedad0～20%, con principales factores de influencia la densidad y el volumen. Este método permite la medición en línea.

105Método de peso constante a °C

Utilizando una temperatura ligeramente superior al punto de ebullición del agua (105°±2°C), se vaporiza toda la humedad de una muestra molida y pesada, y el contenido de humedad se calcula a partir de la masa de agua perdida. Es uno de los métodos estándar más utilizados en la medición de humedad.

Método de secado a temperatura fija y tiempo fijo

Este método también se conoce como método de130°±2°C en estufa eléctrica. Una muestra molida se pesa en una cápsula de secado de tamaño especificado y se seca en una estufa a la temperatura prescrita durante un tiempo fijo; la diferencia de masa antes y después del secado es el contenido de humedad.

Método de doble secado

El método de doble secado se emplea principalmente para granos de alta humedad. Primero se pesa una muestra de granos enteros20～30gy se coloca en una estufa a105°C para secar30 minluego se retira, se enfría y se pesa, tras lo cual se muele y se seca de nuevo mediante el105método de peso constante a °C.

Método de la estufa de túnel

El método de la estufa de túnel es otro método de temperatura fija y tiempo fijo. Combina una balanza de cuadrante con una estufa: tras el secado, la muestra puede pesarse directamente en la balanza de cuadrante sin enfriarse, y el contenido de humedad se lee directamente en la balanza.

Método rápido de pérdida por secado

Este método seca el material a su temperatura límite de pérdida de peso; la principal diferencia con el método clásico de estufa es la temperatura de secado. Puede medir cualquier material en polvo y actualmente se emplea sobre todo para la humedad del maíz.

Método gravimétrico de secado al vacío

Este método determina la humedad mediante procesamiento al vacío, medición microcuantitativa y tecnologías de procesamiento de datos. No se ve afectado por la forma de la muestra, no requiere pretratamiento especial, es sencillo de operar y muy fiable, y puede detectar humedad traza. El instrumento representativo es el modeloVME, con una exactitud de ≤0.01%, un rango de humedad de0.01%~10%. Este método no permite la medición en línea.

Método de resistencia de corriente continua

El grano seco tiene una resistencia de corriente continua muy alta, mientras que el agua la tiene muy baja, por lo que cualquier cambio en el contenido de humedad de la muestra altera su conductividad: a mayor humedad, menor resistencia. Así, la humedad puede determinarse indirectamente midiendo la resistencia de la muestra. Dado que la elevada resistencia de la muestra debilita la señal de medición, es preciso reducir la resistencia para obtener una señal más fuerte; por ello, la muestra generalmente debe molerse antes de la medición. Instrumento representativo, exactitud±0.5%, un rango de humedad de10%~20%; los principales factores de influencia son la temperatura, la variedad, la compacidad y la separación entre electrodos. Este método permite la medición en línea.

Método de destilación con tolueno

Es un método químico de determinación de humedad bastante común que utiliza disolventes inmiscibles con el agua(tolueno y xileno)para formar un azeótropo binario de bajo punto de ebullición que arrastra el agua de la muestra por destilación. Su exactitud es ligeramente superior a la de los métodos de secado ordinarios y se emplea principalmente para la humedad de aceites y grasas. Dado que el agua destilada tiende a adherirse a las paredes del recipiente, introduce cierto error.

Karl Método de Fischer

Karl El método de Fischer (Karl Fischer) es una técnica clásica de determinación de humedad de uso generalizado. Basado en la reacción química cuantitativa del agua con el yodo y el dióxido de azufre en presencia de metanol y piridina, determina el contenido de humedad a partir de la cantidad de yodo consumido. Los medidores de humedad Karl Fischer se dividen en dos grandes categorías —volumétrica y coulométrica—, y ambas requieren calibración con materiales de referencia de agua. El método se emplea principalmente para la medición de humedad traza: su exactitud es muy alta, pero los reactivos son costosos, la instalación es complicada y la circuitería es compleja. Instrumento representativo, exactitud ±0.015%, un rango de humedad de10%~100%; el principal factor de influencia es el error de medición del reactivo. Este método no permite la medición en línea.

Método de presión

El agua reacciona con el carburo de calcio para formar acetileno; en determinadas condiciones, la presión del gas acetileno guarda una relación lineal con el contenido de agua. Los3métodos anteriores determinan todos la humedad del grano mediante reacción química. El método de presión aún se encuentra en fase de investigación; el método Karl Fischer se ha adoptado como método estándar en algunos países; el método de destilación con tolueno, con errores relativamente grandes, no se utiliza ampliamente en la actualidad.

Tendencias de desarrollo de la tecnología de detección de humedad

Aunque existen muchos tipos de medidores de humedad, su potencial de mercado es distinto. El rápido desarrollo de las tecnologías informáticas, atómicas y de semiconductores ha abierto un amplio espacio a la detección de humedad. El ensayo rápido y no destructivo es esencial para lograr una medición totalmente digital y en línea en tiempo real. Con la creciente demanda de ensayos no destructivos, los instrumentos se volverán progresivamente estandarizados, generalizados y serializados; la difusión de los dispositivos lógicos programables a gran escala y de los procesadores digitales de señales, junto con la reducción de costos, acelerará su aplicación: agilizará la adquisición y el procesamiento de señales para satisfacer la demanda del mercado en tiempo real, a la vez que acorta los tiempos de desarrollo y mejora la funcionalidad y la extensibilidad del hardware. La aplicación del software y el hardware informáticos aportará la compensación automática de la temperatura y de otros factores clave, haciendo evolucionar los instrumentos de dispositivos de un solo uso hacia herramientas polivalentes aptas para el ensayo no destructivo en entornos diversos. El rápido crecimiento de Internet supondrá un salto cualitativo para el ensayo no destructivo: el uso compartido por múltiples usuarios y el control remoto, evitando el desperdicio de mano de obra, materiales y dinero.