Guia detalhado dos analisadores de umidade

Em todos os setores, uma nova tecnologia passa por várias etapas, desde o surgimento até o produto e a adoção em massa. Quer saber em que etapa a tecnologia de detecção de umidade chegou? Vamos dar uma olhada.

Teste destrutivo

refere-se à medição em que a amostra é triturada ou alterada quimicamente, de modo que não mantém mais sua forma, estrutura ou composição originais. Das duas categorias, o teste não destrutivo é mais econômico e rápido, e é o que se desenvolve mais rapidamente — é o mainstream atual na detecção de umidade.

Método de secagem direta

Na secagem direta em estufa, a amostra é colocada em uma estufa e, de acordo com aASAEpadrão, mantido a130°C por um tempo especificado19h. A diferença de massa antes e depois da medição é o teor de umidade.

Método de capacitância

O método capacitivo baseia-se no fato de que a constante dielétrica da água é muito superior à dos demais componentes dos grãos, de modo que qualquer variação no teor de umidade provoca uma variação correspondente na capacitância. Medir a variação de capacitância correspondente à variação de umidade fornece o teor de umidade do grão. O instrumento representativo é o medidor de umidade capacitivo, com exatidão de medição de≤0.3%, um tempo de medição de5s, uma faixa de umidade de10%~20%, e principais fatores de influência de temperatura, variedade e compacidade，Este método permite medição online. Ambos os métodos acima têm princípios muito simples e tecnologia relativamente madura, mas cada um apresenta limitações:。A secagem direta em estufa leva muito tempo, envolve muitos fatores humanos e não permite medição em linha; o método capacitivo é afetado por muitos fatores e tem dificuldade em atender às normas nacionais em exatidão e repetibilidade. O desenvolvimento da inteligência artificial e da tecnologia de fusão de dados abriu novos caminhos para o processamento abrangente de dados, e resultados encorajadores já foram alcançados.

Método de aquecimento e secagem por infravermelho

No aquecimento e secagem por infravermelho, a radiação infravermelha aquece a amostra para remover a água, medindo assim o teor de umidade。O instrumento representativo é o analisador de umidade por infravermelho, com exatidão de±0.1%, um tempo de medição de1200s, uma faixa de umidade de0~100%; os principais fatores de influência são a temperatura e o tempo de aquecimento. Este método não permite medição em linha.

Método de aquecimento por micro-ondas

O aquecimento por micro-ondas utiliza micro-ondas de altíssima frequência de2450MHzor915MHzproduzida por um magnetron de forno de micro-ondas para fazer oscilar rapidamente as moléculas de água nos grãos; a colisão e o atrito entre as moléculas removem a umidade dos grãos. O instrumento representativo é o analisador de umidade de micro-ondas de laboratório, com exatidão de ≤0.01%, um tempo de medição de100s, uma faixa de umidade de12%~100%; os principais fatores de influência são potência de micro-ondas, massa de grãos, densidade e propriedades dielétricas. Este método não consegue medir online. Em comparação com a secagem convencional, ambos os métodos encurtam o tempo de medição e reduzem o consumo de energia: o aquecimento infravermelho não necessita de meio de aquecimento e melhora a eficiência térmica, enquanto o aquecimento por micro-ondas é fácil de operar e pode medir várias amostras ao mesmo tempo; no entanto, sofre de efeitos de estratificação e de canto que causam distribuição irregular das micro-ondas e afetam a exatidão.

Método do ângulo de perdas dielétricas

Estudos mostram que o ângulo de perda dielétrica dos grãos varia com o teor de umidade em uma relação unívoca e linear por partes. O método é econômico, prático e altamente preciso, sendo especialmente adequado para grãos com alta umidade. O instrumento representativo é o medidor de umidade de grãos, com tempo de medição de0.1s, uma faixa de umidade de1%~30%; os principais fatores de influência são a temperatura e a variedade. Este método permite medição em linha.

Método de capacitância separada por impedância complexa

Ao projetar um circuito de separação de impedância complexa, esse método elimina efetivamente a influência do componente resistivo e retém apenas a variação de capacitância. É de grande importância para melhorar a exatidão dos medidores de umidade capacitivos.

Método de impedância de alta frequência

O método de impedância de alta frequência mede a umidade com base na teoria de que, dentro da faixa de frequência sensível(100k~250kHz)e, sob um campo elétrico aplicado, a umidade dos grãos tem uma relação logarítmica com a impedância CA. A exatidão é ≤0.5%, um tempo de medição de1.2s; os principais fatores de influência são temperatura, variedade, compacidade e espaçamento entre eletrodos. Este método não permite medição online.

Método da resistência friccional

A resistência por atrito dinâmico dos grãos está linearmente relacionada ao teor de umidade: quanto maior a umidade, maior a resistência. Este método tem poucos e fracos fatores de interferência, sensoriamento estável e confiável, calibração fácil, ajuste flexível, longa vida útil, baixo custo e é fácil de automatizar.

Método acústico

1986InHarrensteineBrusewitzestudaram métodos para medir o ruído de colisão de grãos em escoamento. Pesquisas mostram que as características de elasticidade e vibração dos grãos dependem de sua umidade, e grãos com diferentes níveis de umidade produzem diferentes pressões sonoras ao colidir com superfícies durante o escoamento. O método acústico tem boa repetibilidade, mas a blindagem do sinal de ruído é um desafio. O instrumento representativo é o medidor de umidade acústico, com exatidão de ≤0.25%, um tempo de medição de0.007s; os principais fatores de influência são ruído, tamanho do grão e forma. Este método permite medição online. Os métodos acima3métodos são muito promissores e aguardam desenvolvimento adicional. Em teoria, tanto o método de resistência por atrito quanto o método acústico poderiam permitir a medição em linha, mas muitos fatores de interferência permanecem e algumas questões exigem estudos mais aprofundados. O método de impedância de alta frequência já gerou um analisador de umidade rápido inteligente do tipo sonda, que foi aprovado em testes na indústria de grãos e óleos, foi promovido em todo esse sistema e recebeu o título de produto-chave nacional.

Ressonância magnética nuclear (RMN)

In nuclear magnetic resonance (NMR), atomic nuclear spins reorient under certain conditions so that the grain absorbs energy from an electromagnetic field at a definite frequency; the amount of energy absorbed is proportional to the number of nuclei in the sample. The method is fast, accurate, and wide-ranging, and can distinguish free water from bound water; its drawbacks are expensive instruments, high maintenance costs, and the need for precise calibration. The representative instrument is the NMR moisture tester, with an accuracy of≤0.5%, uma faixa de umidade de0.05%~100%; os principais fatores de influência são fluxo de material, densidade aparente e temperatura. Este método permite medição online.

Método de raios

Near-infrared reflectance spectroscopy (NIRS) was applied to grain moisture measurement in1964. Different molecules characteristically absorb near-infrared light of different wavelengths. When near-infrared light (of wavelength1940nm) illuminates the sample, the intensity of the diffusely reflected light relates to the sample's composition according to the Lambert–Beer law. The method is fast and simple and requires no drying—grain only needs to flow past the instrument—but it is a surface measurement technique that can hardly reflect the bulk (internal) moisture of the material, and its accuracy is affected by kernel size, shape, and density. Representative instrument, accuracy ≤0.2%, um tempo de medição de0.04s, uma faixa de umidade de0~45%; os principais fatores de influência são o tamanho do grão, a forma e a densidade. Este método permite medição em linha.

A absorção de micro-ondas começou na19século40s. Ele mede a umidade indiretamente pela absorção de energia de micro-ondas pela água nos grãos, ou por mudanças em parâmetros como a frequência de ressonância e a fase de uma cavidade de micro-ondas conforme a umidade varia. Suas vantagens são alta sensibilidade, rapidez, segurança, não destrutividade, medição contínua em linha e sinais fáceis de digitalizar e visualizar online; suas desvantagens são um limite de detecção não suficientemente baixo, suscetibilidade à interferência de ondas estacionárias, leituras que dependem da composição do material e a necessidade de calibração separada para cada variedade. O instrumento representativo é o analisador de umidade de micro-ondas online, com exatidão de ±0.1%, um tempo de medição de0.5s, uma faixa de umidade de0~40%; os principais fatores de influência são variedade, material, forma e densidade, e a medição online é possível.

Medidor de umidade de nêutrons

Desde o20século40s, desde que os Estados Unidos desenvolveram o primeiro medidor de umidade de nêutrons, os países ao redor do mundo desenvolveram e comercializaram sucessivamente medidores de umidade de nêutrons para diversas aplicações. Ele mede a umidade dos grãos contando os pulsos de tensão gerados em um detector de nêutrons lentos. As vantagens incluem alta linearidade, alta sensibilidade em níveis elevados de umidade, a capacidade de medir grãos congelados, sem danificar a estrutura dos grãos e sem interromper o fluxo normal dos grãos; as desvantagens incluem características instáveis de espalhamento de hidrogênio, uma teoria incompleta, a necessidade de calibração manual e a influência significativa da densidade dos grãos e do volume de medição sobre a exatidão. Instrumento representativo, exatidão ±0.5%, faixa de umidade0～20%, com principais fatores de influência de densidade e volume. Este método permite medição em linha.

105°C, método de peso constante

Using a temperature slightly above the boiling point of water (105°±2°C), all moisture in a weighed, ground sample is vaporized, and the moisture content is calculated from the mass of water lost. This is one of the most commonly used standard methods in moisture testing.

Método de secagem a temperatura e tempo fixos

Este método também é conhecido como o130°±2°C no método da estufa elétrica. Uma amostra moída é pesada em um prato de secagem de tamanho especificado e secada em estufa a uma temperatura prescrita por um tempo fixo; a diferença de massa antes e depois da secagem é o teor de umidade.

Método de secagem dupla

O método de secagem dupla é usado principalmente para grãos com alta umidade. Primeiro, uma amostra de grãos inteiros é pesada20～30ge colocado em105°C em estufa para secar30minem seguida removida, resfriada e pesada, após o que é moída e seca novamente pelo105°C, método de peso constante.

Método da estufa de túnel

O método da estufa túnel é outro método de temperatura fixa e tempo fixo. Combina uma balança de quadrante com uma estufa: após a secagem, a amostra pode ser pesada diretamente na balança de quadrante sem resfriamento, e o teor de umidade pode ser lido diretamente na balança.

Método rápido de perda por secagem

Este método seca o material na sua temperatura limite de perda de peso; a principal diferença em relação ao método clássico da estufa é a temperatura de secagem. Pode medir qualquer material em pó e atualmente é usado principalmente para a umidade do milho.

Método gravimétrico de secagem a vácuo

Este método determina a umidade usando processamento a vácuo, medição microquantitativa e tecnologias de processamento de dados. Não é afetado pela forma da amostra, não requer pré-tratamento especial, é simples de operar e altamente confiável, e pode detectar umidade vestigial. O instrumento representativo é oVMEmodelo, com exatidão de ≤0.01%, uma faixa de umidade de0.01%~10%. Este método não permite medição em linha.

Método de resistência CC

O grão seco tem resistência CC muito alta, enquanto a água tem resistência muito baixa, de modo que qualquer mudança no teor de umidade da amostra altera sua condutividade: quanto maior a umidade, menor a resistência. A umidade pode, portanto, ser determinada indiretamente medindo a resistência da amostra. Como a alta resistência da amostra enfraquece o sinal de medição, a resistência deve ser reduzida para se obter um sinal mais forte; a amostra geralmente precisa, portanto, ser moída antes da medição. Instrumento representativo, exatidão±0.5%, uma faixa de umidade de10%~20%; os principais fatores de influência são temperatura, variedade, compacidade e espaçamento entre eletrodos. Este método permite medição online.

Método de destilação com tolueno

Este é um método químico de umidade bastante comum que utiliza solventes imiscíveis em água(tolueno e xileno)para formar um azeótropo binário de baixo ponto de ebulição que destila a água da amostra. Sua exatidão é ligeiramente superior à dos métodos de secagem comuns, e é usado principalmente para umidade em óleos e gorduras. Como a água destilada tende a aderir às paredes do recipiente, introduz algum erro.

Karl Método Fischer

Karl Fischer (Karl Fischer) method is a classic moisture determination technique in wide use. Based on the quantitative chemical reaction of water with iodine and sulfur dioxide in the presence of methanol and pyridine, it determines moisture content from the amount of iodine consumed. Karl Fischer moisture meters fall into two major categories—volumetric and coulometric—both of which require calibration with water reference materials. The method is used mainly for trace moisture measurement: its accuracy is very high, but reagents are expensive, installation is complicated, and the circuitry is complex. Representative instrument, accuracy ±0.015%, uma faixa de umidade de10%~100%; o principal fator de influência é o erro de medição do reagente. Este método não permite medição em linha.

Método de pressão

A água reage com o carbeto de cálcio para formar acetileno; em determinadas condições, a pressão do gás acetileno tem uma relação linear com o teor de água. O acima3métodos determinam a umidade dos grãos por reação química. O método de pressão ainda está em fase de pesquisa; o método Karl Fischer foi adotado como método padrão em alguns países; o método de destilação com tolueno, com seus erros relativamente grandes, não é amplamente utilizado hoje.

Tendências de desenvolvimento da tecnologia de detecção de umidade

Embora existam muitos tipos de medidores de umidade, seu potencial de mercado difere. O rápido desenvolvimento das tecnologias de computação, atômica e de semicondutores abriu um amplo espaço para a detecção de umidade. O teste rápido e não destrutivo é essencial para a medição totalmente digital e em tempo real online. Com a crescente demanda por testes não destrutivos, os instrumentos tornar-se-ão progressivamente padronizados, generalizados e serializados; a difusão de dispositivos lógicos programáveis de grande escala e de processadores digitais de sinais, juntamente com a queda de custos, acelerará sua aplicação — agilizando a aquisição e o processamento de sinais para atender à demanda de mercado em tempo real, ao mesmo tempo que encurta o tempo de desenvolvimento e amplia a funcionalidade e a extensibilidade do hardware. A aplicação de software e hardware de computador trará compensação automática de temperatura e de outros fatores-chave, evoluindo os instrumentos de dispositivos de uso único para ferramentas multiuso adequadas a testes não destrutivos em ambientes diversos. O rápido crescimento da Internet trará um salto qualitativo aos testes não destrutivos — compartilhamento multiusuário e controle remoto, evitando desperdício de mão de obra, materiais e dinheiro.