Измерение влажности веществ и материалов. Реферат по метрологии, стандартизации и сертификации Измерение влажности веществ и материалов
 Скачать 0.58 Mb.
|
|
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Институт нефти и газа Кафедра технологических машин и оборудования нефтегазового комплекса РЕФЕРАТ по метрологии, стандартизации и сертификации Измерение влажности веществ и материалов Преподаватель: к.т.н., доцент ___________ В.О. Колмаков Студент НГ13-04 081310965 ___________ И.А. Светличный Красноярск 2016 СОДЕРЖАНИЕ Введение3 1 Основные понятия и определения4
1.2 Формы связи влаги с материалом6 2 Основные методы определения влаги в твёрдых материалах 7 2.1 Метод высушивания7 2.2 Метод прямого весового определения8 2.3 Метод прямого объёмного определения 9 2.4 Метод переноса влаги во вспомогательную среду10 2.5 Газовый метод определения10 2.6 Измерение влажности материалов электровлагомерами11 Заключение13 Список используемых источников14 Введение В состав большинства неметаллических промышленных изделий и сельскохозяйственных продуктов входит влага, определяющая их технологические и потребительские свойства. Полное отсутствие влаги и ее избыток ухудшают физико-химические и физико-механические свойства большинства материалов, в то время как оптимальное ее содержание обеспечивает их высокое качество. Поэтому влажность материалов является одним из важнейших качественных показателей продукции и строго регламентируется государственными стандартами. В связи с тем, что влажность материалов не только характеризует их чистый вес, но в ряде случаев влияет на их технологические свойства, в некоторых отраслях народного хозяйства помимо ограничений, предусматриваемых стандартам и, пользуются техническими нормами и условиями, лимитирующими влажность сырья, полуфабрикатов и промежуточных продуктов в процессе производства. Ограничивая допустимую влажность тех или иных материалов, в стандартах регламентируются также и различные методы определения содержания влаги, зависящие от физических, физико-механических и физико-химических свойств контролируемых материалов. В большинстве случаев это точные лабораторные методы, обеспечивающие определение количественного содержания влаги с необходимой точностью. Наряду с этими «стандартными» методами определения влажности в различных отраслях народного хозяйства стали широко распространяться методы, при которых применяют автоматические приборы — влагомеры для экспрессного определения влажности самых различных материалов.
Содержание влаги в материале характеризуется чаще всего или влагосодержанием, или влажностью. Влагосодержание — это отношение количества влаги в материале к количеству абсолютно сухого вещества. Влажность — это отношение количества влаги в материале ко всему количеству материала (сухому веществу вместе с влагой). Влагосодержание и влажность материалов могут быть выражены в виде отношения весовых или объемных величин. Поэтому приходится различать весовое или объемное влагосодержание, весовую или объемную влажность. Они выражаются следующим образом: Весовое влагосодержание материала:  (1)где qВ —-вес содержащейся в пробе воды; qc— вес абсолютно сухого вещества. Объемное влагосодержание материала:  (2)где VB— объем воды, содержащейся в пробе; VC— объем абсолютно сухого вещества. Весовая влажность материала:  (3)где q — полный вес пробы материала. Объемная влажность материала:  (4)где V — полный объем пробы материала. Применение тех или иных величин для характеристики содержания влаги в материале зависит только от удобства и в некоторой степени от установившейся практики. Для всей группы твердых материалов чаще всего пользуются весовой процентной влажностью, вычисленной по формуле (3). Это обусловлено наиболее распространенной методикой определения влажности твердых тел высушиванием и вычислением влажности по потере веса при высушивании, а также наибольшей наглядностью этой величины. Пользуясь формулами (1), (2) и выражая влагосодержание материала в процентах, можно получить численное значение влагосодержания, превышающее 100%. Связь между количеством влаги в материале и выражением этого количества в величинах влажности и влагосодержания в процентах и относительных величинах приведена на рисунке 1.  Рисунок 1 – Зависимость между количеством влаги в материале и числовыми значениями: 1 - W (%); 2 - U; 3 – U (%) 1.2 Формы связи влаги с материалом При определении и оценке содержания влаги в контролируемых материалах необходимо учитывать сложные и разнообразные формы связи влаги с материалом, а также способность материалов поглощать или отдавать влагу. Связи подразделяют на химические, физико-химические и физико-механические. К химическим связям относятся наиболее сильные связи — ионная и молекулярная, при которой молекулы воды не существуют самостоятельно, а входят в состав молекул самого вещества и химически с ними связаны. К физико-химическим связям относятся адсорбционная и осмотическая связи. Наиболее слабой связью влаги с материалом является физико-механическая связь. Она имеет место при непосредственном соприкосновении воды с материалом или при поглощении влаги материалом, когда влага заполняет поры и капилляры и механически удерживается в них. Такая свободная влага может перемещаться в материале в виде жидкости или в виде паров, легко удаляется высушиванием и в определенной мере отжатием. Свободная влага, удерживаемая в материале физико-химическими или физико-механическими связями, в большинстве случаев рассматривается как «посторонняя», «вредная», подлежащая ограничению и удалению. Наибольшей сложностью отличаются формы связи влаги с твердыми материалами. У всех твердых материалов имеются поры и капилляры, удерживающие в себе влагу. Причем эта влага может состоять из твердых вкраплений, жидкой фазы и, частично, пара, заполняющего некоторый объем пор и капилляров. При нормальных условиях в твердых материалах влага находится только в жидкой и паровой фазах. Твердые влажные материалы (способные удерживать влагу) могут быть отнесены к коллоидным, капиллярно-пористым или капиллярно-пористым коллоидным телам. Способность материалов поглощать или отдавать влагу определяется, с одной стороны, формой связи влаги с материалом, и с другой — свойствами твердого «скелета» материала. При определении влажности материалов всегда учитывают гигроскопическую влагу, поглощенную и удерживаемую материалом, как влагу «постороннюю». Химически связанная или кристаллизационная влага не определяется. 2 Основные методы определения влаги в твёрдых материалах 2.1 Метод высушивания Сущность метода заключается в высушивании пробы, удалении из нее несвязанной влаги и вычислении процентной влажности по потере веса. Метод высушивания получил наибольшее распространение среди всех остальных методов определения влажности твердых сыпучих тел, дробленых, порошкообразных, листовых, пленочных материалов. Поскольку проба может быть взвешена до и после сушки с высокой точностью (некоторые стандарты предусматривают это взвешивание с точностью до 0,0001 г), метод сушки является одним из наиболее точных, и поэтому его широкое применение в стандартах не случайно. Однако, применяя метод высушивания пробы, следует иметь в виду, что многие твердые материалы могут содержать летучие вещества, потеря которых в процессе удаления влаги может исказить представление о действительной влажности материалов. Поэтому каждым стандартом на каждый конкретный материал регламентируется режим сушки, метод высушивания, применяемые сушильные устройства, продолжительность сушки и, температура, при которой должен высушиваться данный материал. Процентную влажность исследованного материала вычисляют по формуле:  (5)где (g1-g2) – вес, содержащейся в пробе влаги; (g1-g0) – чистый вес первоначально взятой навески. Если проба взвешивается и высушивается без тары, то в формуле (5) достаточно считать g0, равным нулю, тогда эта формула примет вид:  (6)где g1 – вес взятой для исследования пробы (навески); g2 – вес высушенной пробы. 2.2 Метод прямого весового определения Сущность метода заключается в нагревании навески (пробы) материала в атмосфере хорошо осушенного инертного газа, чаще всего азота, улавливании выделяющихся паров воды энергичными поглотителями и определении влажности материала по весу выделившейся и поглощенной влаги (увеличению веса поглотителей). Влажность материала методом прямого весового определения находят на установке, схема которой приведена на рисунке 2. Азот из баллона 1 через редукционный вентиль 2 и маностат 3 подается в осушительную (обезвоживающую) систему, состоящую из цилиндра-колонки 4, заполненной хлорнокислым магнием, и двух параллельных ветвей с включенными в них контрольными U-образными трубками 5, также заполненными хлорно-кислым магнием, по привесу которых можно судить о степени осушки газа. За каждой U-образной трубкой устанавливают по одному реометру 7 с краниками 6, контролирующему расход газа, поступающего в сушильный шкаф 12 с установленными в нем пробами исследуемого материала. Влага, выделяющаяся из пробы в сушильном шкафу, температура которого контролируется термометром 11, выносится газом и поступает в две параллельные поглотительные системы (параллельные ветви), состоящие из основных влагопоглощающих U-образных трубок 10 и контрольных трубок 9, заполненных для поглощения влаги хлорнокислым магнием. В конце каждой поглотительной ветви помещаются «гуськи» 8 с серной кислотой, препятствующие попаданию влаги из окружающего воздуха в поглотители. Содержание влаги в испытуемом материале вычисляется по формуле:  (7)где g1, — привес основных U-образных поглотительных трубок, г; g2 — привес контрольных U-образных поглотительных трубок, г; g — навеска материала, г. Очевидно, что сумма g1 + g2 представляет собой вес всей удаленной из материала влаги, который определился прямым ее взвешиванием. Это и обусловливает само наименование метода, как прямого весового метода определения влаги.  Рисунок 2 – Схема установки для прямого весового определения содержания влаги (ГОСТ 9516-60): 1 – баллон азота; 2 – редукционный вентиль; 3 – маностат; 4- цилиндр-колонки заполненная хлорнокислым магнием; 5 - две параллельные U-образные трубки; 6 – краники; 7 – реометры; 8 – «гуськи»; 9 – контрольные трубки; 10 – основные влагопоглощающие U-образные трубки; 11 – термометр; 12 – сушильный шкаф 2.3 Метод прямого объемного определения Сущность метода заключается в нагревании навески материала с жидкостью, не смешивающейся с водой, отгонке выделяющихся паров воды вместе с парами этой жидкости, конденсации паров и измерении объема сконденсировавшейся воды после их расслоения. Объемное определение влаги производится аппаратом для количественного определения содержания воды в нефтяных, пищевых и других продуктах (Рисунок 3).  Рисунок 3 – Аппарат для количественного определения воды: 1 - колба; 2 - приёмник-ловушка; 3 – холодильник В колбу 1 помещается подлежащая исследованию, предварительно взвешенная проба и добавляется необходимое количество толуола. При этом влага, содержащаяся в материале, смешивается с толуолом, при перегонке конденсируется в холодильнике 3 и собирается в приемнике-ловушке 2. После кратковременного отстоя вся отогнанная влага собирается в нижней, градуированной части приемника-ловушки. Процентное содержание влаги в исследуемом материале вычисляется по формуле:  (8)где V — объем выделившейся воды, мл; g — навеска материала, г. Поскольку при определении влажности измеряется объем содержащейся в пробе влаги, метод называется методом прямого объемного определения содержания влаги. 2.4 Метод переноса влаги во вспомогательную среду В ряде случаев удаление влаги из материала высушиванием недопустимо или нецелесообразно (если материал не допускает нагревания или если влага не может быть удалена нагреванием). Содержание влаги может определяться методом перегонки с какой-либо несмешивающейся с водой вспомогательной средой, имеющей низкою температуру кипения. При этом существует две разновидности метода. В первом случае контролируемый материал не растворяется в выбранной вспомогательной среде, и после перегонки вода отделяется в сборнике и отсчитывается ее объем. Во втором случае контролируемый материал полностью растворяется в выбранной вспомогательной среде — в данном случае хорошем растворителе, выделяя содержащуюся в нем влагу. После перегонки влага отделяется. Такой метод используется для материалов, содержащих влагу во внутренних, замкнутых порах и капиллярах, из которых вода не может быть удалена нагреванием, или материалов с высокой температурой кипения. 2.5 Газовый метод определения Метод прямого объемного определения воды перегонкой не отличается большой точностью, поэтому стандарты устанавливают количественный метод определения малого содержания воды. Он основан на взаимодействии гидрида кальция с водой, содержащейся в контролируемом нефтепродукте, и измерении объема выделившегося при этом водорода. Содержание воды вычисляется по объему выделившегося водорода. Гидрид кальция — СаН2, взаимодействуя с водой, образует гидрат окиси кальция с выделением свободного газообразного водорода. Реакция протекает по уравнению:  (8)Этот метод отличается большой чувствительностью, что можно подтвердить при расчете приведенной реакции по молекулярным весам участвующих в реакции веществ:  ; ; ; ,отсюда:  .Как видно по приведенному уравнению, 36 г воды, вступая во взаимодействие с гидридом кальция, выделяют 4 г водорода, или 1 г воды выделяет 0,11 г водорода. Но 1 г воды занимает объем 1 см3, а 0,11 г водорода — 1240 см3 (при нормальных условиях 1 л водорода весит 0,089 г). Таким образом, гидрид кальция как бы резко увеличивает (в 1240 раз) объем воды, содержащейся в контролируемом нефтепродукте. Если учесть, что цена деления газовой бюретки для улавливания водорода составляет 0,05 мл (см3), то можно установить, что этому объему соответствует 0,00004 г воды. Отнеся её к навеске пробы (100 г), устанавливаем, что этот метод позволяет обнаруживать воду в количестве 0,00004%. Практически достижимая точность определения воды, узаконенная стандартами — до 0,005 ±0,001 или до 0,005 ±0,0002%. 2.6 Измерение влажности материалов электровлагомерами Достижения современного приборостроения позволили разработать удобные приборы для автоматического определения влажности каменного угля от 5 до 18%. Такими являются приборы ЭВ-2К и ему подобные. Электронный влагомер типа ЭВ-2К (Рисунок 4) — используется для определения влажности древесины при температуре 20 Cº. Погрешность прибора составляет  (2…3)%.Датчик для измерения влажности стружки представляет собой разъёмный стакан, в котором между двумя дисковыми электродами с помощью пресса уплотняется навеска материала. С помощью этих электродов измеряется электрическое сопротивление уплотнённого материала – стружки.  Рисунок 4 – Электровлагомер ЭВ-2К: 1 – электронное измерительное устройство; 2 – датчик  Заключение Со временем многие методы лабораторного определения влажности, предусмотренные стандартами, будут заменены методами экспрессного определения влажности с помощью влагомеров. Повсеместное применение лабораторных и промышленных влагомеров ставит на повестку дня вопрос об их метрологическом обслуживании органами государственного надзора за состоянием измерительной техники. Это обслуживание с регулярной поверкой и аттестацией рабочих приборов будет осуществляться на основе специальных поверочных схем, разработанных в последнее время. Список использованных источников 1. Мелкумян В.Е. Измерение и контроль влажности материалов. – М.: Издательство комитета стандартов, мер и измерительных приборов при совете министров СССР, 1970. – 138 с. 2. СТО 4.2–07–2014 Система менеджмента качества. Общие требования к построению, изложению и оформлению документов учебной деятельности. – Введ. 09.01.2014. – Красноярск : ИПК СФУ, 2014. – 60 с. |