Подробное руководство по анализаторам влажности

В любой отрасли новая технология проходит несколько этапов от появления до продукта и массового применения. Хотите узнать, на каком этапе находится технология определения влажности? Давайте разберёмся.

Разрушающий контроль

означает измерение, при котором образец измельчается или химически изменяется так, что больше не сохраняет свою первоначальную форму, структуру или состав. Из двух категорий неразрушающий контроль более экономичен и быстр и развивается наиболее интенсивно — это сегодняшнее основное направление в определении влажности.

Метод прямой сушки

При прямом высушивании в сушильном шкафу образец помещают в шкаф и в соответствии сASAEстандартом выдерживают при130°C в течение заданного времени19h. Разность масс до и после измерения представляет собой содержание влаги.

Ёмкостный метод

Ёмкостный метод основан на том, что диэлектрическая проницаемость воды значительно выше, чем у других компонентов зерна, поэтому любое изменение содержания влаги вызывает соответствующее изменение ёмкости. Измерение изменения ёмкости, соответствующего изменению влажности, даёт содержание влаги в зерне. Типичный прибор — ёмкостный влагомер, точность измерений≤0.3%, время измерения5s, диапазон влажности10%~20%, а основные влияющие факторы — температура, сорт и плотность укладки，Этот метод допускает измерения в потоке. Оба указанных метода имеют очень простые принципы и относительно зрелую технологию, но у каждого есть недостатки:。Прямое высушивание в шкафу занимает много времени, связано с множеством субъективных факторов и не позволяет проводить измерения в потоке; ёмкостный метод подвержен влиянию многих факторов и с трудом соответствует национальным стандартам по точности и повторяемости. Развитие технологий искусственного интеллекта и объединения данных открыло новые пути для комплексной обработки данных, и уже получены обнадёживающие результаты.

Метод инфракрасного нагрева и высушивания

При инфракрасном нагреве и высушивании инфракрасное излучение нагревает образец для удаления воды, тем самым измеряя содержание влаги。Типичный прибор — инфракрасный анализатор влажности, точность±0.1%, время измерения1200s, диапазон влажности0~100%; основные влияющие факторы — температура и время нагрева. Этот метод не позволяет проводить измерения в потоке.

Метод микроволнового нагрева

Микроволновый нагрев использует микроволны сверхвысокой частоты2450 МГцor915 МГц, создаваемые магнетроном микроволновой печи, для быстрых колебаний молекул воды в зерне; столкновения и трение между молекулами удаляют влагу из зерна. Типичный прибор — лабораторный микроволновый анализатор влажности, точность ≤0.01%, время измерения100s, диапазон влажности12%~100%; основные влияющие факторы — мощность микроволн, масса зерна, плотность и диэлектрические свойства. Этот метод не позволяет проводить измерения в потоке. По сравнению с традиционным высушиванием оба метода сокращают время измерений и снижают энергопотребление: инфракрасный нагрев не требует нагревательной среды и повышает тепловой КПД, а микроволновый нагрев прост в эксплуатации и позволяет измерять несколько образцов одновременно; однако ему присущи эффекты расслоения и краевые эффекты, вызывающие неравномерное распределение микроволн и влияющие на точность.

Метод угла диэлектрических потерь

Исследования показывают, что угол диэлектрических потерь зерна изменяется в зависимости от содержания влаги по однозначной кусочно-линейной зависимости. Метод экономичен, практичен и высокоточен, особенно подходит для зерна с высокой влажностью. Типичный прибор — влагомер зерна, время измерения0.1s, диапазон влажности1%~30%; основные влияющие факторы — температура и сорт. Этот метод допускает измерения в потоке.

Ёмкостный метод с разделением комплексного сопротивления

За счёт схемы разделения комплексного сопротивления этот метод эффективно устраняет влияние резистивной составляющей и сохраняет только изменение ёмкости. Это имеет большое значение для повышения точности ёмкостных влагомеров.

Высокочастотный импедансный метод

Высокочастотный импедансный метод измеряет влажность исходя из теории, что в чувствительной полосе частот(100k~250 кГц)и при приложенном электрическом поле влажность зерна имеет логарифмическую зависимость от сопротивления переменному току. Точность ≤0.5%, время измерения1.2s; основные влияющие факторы — температура, сорт, плотность укладки и расстояние между электродами. Этот метод не позволяет проводить измерения в потоке.

Метод сопротивления трению

Динамическое сопротивление трению зерна линейно связано с содержанием влаги: чем выше влажность, тем больше сопротивление. Этот метод имеет немногочисленные и слабые мешающие факторы, стабильное и надёжное чувствительное восприятие, простую калибровку, гибкую настройку, длительный срок службы, низкую стоимость и легко поддаётся автоматизации.

Акустический метод

1986InХарренштейниБрузевицизучали методы измерения шума соударения сыпучего зерна. Исследования показывают, что упругие и вибрационные характеристики зёрен зависят от их влажности, и зерно с разной влажностью создаёт различное звуковое давление при соударении с поверхностями в процессе течения. Акустический метод обладает хорошей повторяемостью, но экранирование шумового сигнала представляет собой проблему. Типичный прибор — акустический влагомер, точность ≤0.25%, время измерения0.007s; основные влияющие факторы — шум, размер и форма зерна. Этот метод допускает измерения в потоке. Указанные3методы весьма перспективны и ждут дальнейшего развития. Теоретически и метод сопротивления трению, и акустический метод могут обеспечить измерения в потоке, но остаётся множество мешающих факторов, и некоторые вопросы требуют дальнейшего изучения. Высокочастотный импедансный метод уже позволил создать интеллектуальный зондовый быстродействующий анализатор влажности, который прошёл испытания в зерновой и масложировой отрасли, был внедрён по всей этой системе и признан национальным ключевым новым продуктом.

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР)

В ядерном магнитном резонансе (ЯМР) спины атомных ядер переориентируются при определённых условиях так, что зерно поглощает энергию электромагнитного поля на определённой частоте; количество поглощённой энергии пропорционально числу ядер в образце. Метод быстрый, точный и широкодиапазонный, позволяет различать свободную и связанную воду; его недостатки — дорогие приборы, высокие затраты на обслуживание и необходимость точной калибровки. Типичный прибор — ЯМР-влагомер, точность≤0.5%, диапазон влажности0.05%~100%; основные влияющие факторы — поток материала, насыпная плотность и температура. Этот метод допускает измерения в потоке.

Радиационный метод

Спектроскопия отражения в ближней инфракрасной области (NIRS) была применена для измерения влажности зерна в1964. Разные молекулы характерно поглощают ближний инфракрасный свет разных длин волн. Когда ближний инфракрасный свет (с длиной волны1940nm) освещает образец, интенсивность диффузно отражённого света связана с составом образца согласно закону Ламберта — Бера. Метод быстрый и простой и не требует высушивания — зерно должно лишь пройти мимо прибора — но это метод поверхностного измерения, который практически не может отразить общую (внутреннюю) влажность материала, а его точность зависит от размера, формы и плотности зерна. Типичный прибор, точность ≤0.2%, время измерения0.04s, диапазон влажности0~45%; основные влияющие факторы — размер, форма и плотность зерна. Этот метод допускает измерения в потоке.

Микроволновое поглощение начало применяться в19й век40-х годах. Оно измеряет влажность косвенно через поглощение энергии микроволн водой в зерне или через изменения таких параметров, как резонансная частота и фаза микроволнового резонатора при изменении влажности. Его преимущества — высокая чувствительность, быстрота, безопасность, неразрушающий характер, непрерывные измерения в потоке и сигналы, легко поддающиеся оцифровке и визуализации в реальном времени; недостатки — недостаточно низкий предел обнаружения, подверженность интерференции стоячих волн, зависимость показаний от состава материала и необходимость отдельной калибровки для каждого сорта. Типичный прибор — поточный микроволновый анализатор влажности, точность ±0.1%, время измерения0.5s, диапазон влажности0~40%; основные влияющие факторы — сорт, материал, форма и плотность, измерения в потоке возможны.

Нейтронный влагомер

С20й век40-х годов, когда в США был впервые разработан нейтронный влагомер, страны мира последовательно разработали и освоили серийное производство нейтронных влагомеров для различных применений. Он измеряет влажность зерна путём подсчёта импульсов напряжения, генерируемых в детекторе медленных нейтронов. Преимущества — высокая линейность, высокая чувствительность при высокой влажности, возможность измерения мёрзлого зерна, отсутствие повреждений структуры зерна и нарушений нормального потока зерна; недостатки — нестабильные характеристики рассеяния водорода, неполнота теории, необходимость ручной калибровки и значительное влияние плотности зерна и объёма измерения на точность. Типичный прибор, точность ±0.5%, диапазон влажности0～20%, основные влияющие факторы — плотность и объём. Этот метод допускает измерения в потоке.

105°C — метод доведения до постоянной массы

При использовании температуры немного выше точки кипения воды (105°±2°C) вся влага во взвешенном измельчённом образце испаряется, а содержание влаги рассчитывают по массе потерянной воды. Это один из наиболее часто применяемых стандартных методов определения влажности.

Метод высушивания при фиксированной температуре в течение фиксированного времени

Этот метод также известен как130°±2°C — метод электрического сушильного шкафа. Измельчённый образец взвешивают в бюксе заданного размера и высушивают в шкафу при предписанной температуре в течение фиксированного времени; разность масс до и после высушивания представляет собой содержание влаги.

Метод двойного высушивания

Метод двойного высушивания применяется главным образом для зерна с высокой влажностью. Сначала взвешивают образец целого зерна20～30gи помещают в сушильный шкаф с температурой105°C для высушивания30 минзатем извлекают, охлаждают и взвешивают, после чего измельчают и снова высушивают по105°C — методом доведения до постоянной массы.

Метод туннельной сушилки

Метод туннельной сушилки — ещё один метод с фиксированной температурой и фиксированным временем. Он объединяет квадрантные весы с сушильным шкафом: после высушивания образец можно взвешивать непосредственно на квадрантных весах без охлаждения, а содержание влаги считывается прямо на весах.

Ускоренный метод высушивания (loss-on-drying)

Этот метод высушивает материал при его предельной температуре потери массы; главное отличие от классического метода сушильного шкафа — температура высушивания. Он позволяет измерять любой порошкообразный материал и в настоящее время применяется главным образом для влажности кукурузы.

Вакуумно-гравиметрический метод высушивания

Этот метод определяет влажность с использованием технологий вакуумной обработки, микроколичественного измерения и обработки данных. Он не зависит от формы образца, не требует специальной подготовки, прост в работе и высоконадёжен, позволяет обнаруживать следовую влагу. Типичный прибор —VMEмодель, точность ≤0.01%, диапазон влажности0.01%~10%. Этот метод не позволяет проводить измерения в потоке.

Метод сопротивления постоянному току

Сухое зерно имеет очень высокое сопротивление постоянному току, а вода — очень низкое, поэтому любое изменение содержания влаги в образце изменяет его электропроводность: чем выше влажность, тем ниже сопротивление. Таким образом, влажность можно определить косвенно, измеряя сопротивление образца. Поскольку высокое сопротивление образца ослабляет измерительный сигнал, сопротивление необходимо снизить для получения более сильного сигнала; поэтому образец обычно приходится измельчать перед измерением. Типичный прибор, точность±0.5%, диапазон влажности10%~20%; основные влияющие факторы — температура, сорт, плотность укладки и расстояние между электродами. Этот метод допускает измерения в потоке.

Метод дистилляции с толуолом

Это довольно распространённый химический метод определения влаги с использованием несмешивающихся с водой растворителей(толуола и ксилола)для образования низкокипящей бинарной азеотропной смеси, которая отгоняет воду из образца. Его точность несколько выше, чем у обычных методов высушивания, и применяется он главным образом для влаги в маслах и жирах. Поскольку отогнанная вода склонна прилипать к стенкам сосуда, это вносит некоторую погрешность.

Карл Метод Фишера

Карл Метод Фишера (Карл Фишер) — классический метод определения влажности, широко применяемый на практике. Он основан на количественной химической реакции воды с йодом и диоксидом серы в присутствии метанола и пиридина и определяет содержание влаги по количеству израсходованного йода. Влагомеры Карла Фишера делятся на две основные категории — объёмные и кулонометрические, — и оба требуют калибровки по стандартным образцам воды. Метод применяется главным образом для измерения следовой влаги: его точность очень высока, но реагенты дороги, монтаж сложен, а схемотехника непроста. Типичный прибор, точность ±0.015%, диапазон влажности10%~100%; основной влияющий фактор — погрешность дозирования реагента. Этот метод не позволяет проводить измерения в потоке.

Манометрический метод

Вода реагирует с карбидом кальция с образованием ацетилена; при определённых условиях давление ацетиленового газа имеет линейную зависимость от содержания воды. Указанные3методы определяют влажность зерна путём химической реакции. Манометрический метод всё ещё находится на стадии исследований; метод Карла Фишера принят в качестве стандартного в некоторых странах; метод дистилляции с толуолом, отличающийся сравнительно большими погрешностями, сегодня широко не применяется.

Тенденции развития технологий определения влажности

Хотя существует множество типов влагомеров, их рыночный потенциал различается. Быстрое развитие компьютерных, атомных и полупроводниковых технологий открыло широкие возможности для определения влажности. Быстрый неразрушающий контроль необходим для полностью цифровых измерений в реальном времени в потоке. По мере роста спроса на неразрушающий контроль приборы будут постепенно становиться стандартизированными, унифицированными и серийными; распространение крупномасштабных программируемых логических устройств и цифровых сигнальных процессоров вместе со снижением затрат ускорит их применение — ускоряя сбор и обработку сигналов для удовлетворения потребностей рынка в реальном времени при одновременном сокращении сроков разработки и повышении функциональности и расширяемости аппаратной части. Применение компьютерного программного обеспечения и аппаратных средств обеспечит автоматическую компенсацию температуры и других ключевых факторов, превращая приборы из устройств узкого назначения в многофункциональные инструменты, пригодные для неразрушающего контроля в различных условиях. Быстрый рост Интернета обеспечит качественный скачок в неразрушающем контроле — многоабонентский доступ и дистанционное управление, избегая напрасных затрат труда, материалов и средств.