Wilgotność materiałów stałych, sypkich i gleby

Pomiar wilgotności gleby, materiałów stałych i sypkich

Andrzej Łobzowski, Andrzej Opęchowski, Wojciech SzkolnikowskiLAB-EL Elektronika Laboratoryjna S.J.
artykuł publikowany w piśmie POMIAR nr 4/2008

W poprzednim numerze magazynu Pomiar przedstawiliśmy problem sterowania i regulacji mikroklimatu w suszarniach drewna, przy wykorzystaniu regulatora LB-474 produkcji firmy LAB-EL. Drewno jest jednym z wielu materiałów stałych, których wilgotność ma istotne znaczenie techniczno-ekonomiczne. O ile pomiar wilgotności powietrza nie przysparza specjalnych kłopotów, o tyle realizacja pomiarów wilgotności materiałów stałych ze względu na ich niejednorodność jest zagadnieniem dość trudnym. Znajomość wilgotności materiału jest ważnym kryterium jakościowym w wielu procesach naturalnych i przemysłowych. Mimo trudności rozwijane są różne techniki pomiarowe, mające na celu dokładne określenie wilgotności, czyli ilości wody w materiałach. Wilgotności materiałów stanowi ważny element również o charakterze ekonomicznym (koszty transportu materiałów suchych, czyli lżejszych, suszenie surowców przed składowaniem, aby zapobiec ich zniszczeniu, kontrola wilgotności detalicznych produktów spożywczych nadmiernie zwiększającej ich masę i cenę oraz zapobiegania negatywnym skutkom nadmiernego ich uwilgotnienia lub wysuszenia). W przypadku budownictwa kontrola wilgotności np. ścian, stropów konstrukcji nośnych, itp. jest jednym z podstawowych elementów procesu, a sam proces osuszania powinien być kontrolowany, aby za szybkie osuszanie nie było przyczyną „kruchości konstrukcji”, a zbyt wolne może oprócz aspektów ekonomicznych sprzyjać powstawaniu pleśni, grzybów, itp. Jak we wszystkich innych dziedzinach metrologii, tak również w przypadku pomiaru wilgotności materiałów stałych istnieje tendencja do automatyzacji pomiarów, konstruowania czujników wieloparametrowych, które oprócz wilgotności materiału mierzą temperaturę, zasolenie i inne parametry w zależności od potrzeb. Wilgotność materiału jest różnie definiowana. Najczęściej zwłaszcza w budownictwie stosowana jest wilgotność masowa (bezwzględna) u, zdefiniowana jako stosunek masy wody zawartej w materiale do masy materiału absolutnie suchego oraz czasami stosowane jest pojęcie wilgotności względnej materiału U, zdefiniowanej jako stosunek masy wody zawartej w materiale do całkowitej masy materiału wilgotnego.

u – wilgotność masowa(bezwzględna),
U – wilgotność względna,
mw – masa wody zawartej w materiale,
m – masa materiału wilgotnego przed wysuszeniem,
m0 – masa materiału po wysuszeniu.

W pomiarach wilgotności gleby najczęściej stosowana jest wilgotność objętościowa. Jest to stosunek objętości wody zawartej w glebie do całkowitej objętości gleby przed wysuszeniem.

θ – wilgotność objętościowa,
Vw – objętość wody zawartej w materiale,
V – całkowita objętość materiału przed wysuszeniem

Znając gęstość wody i gęstość materiału można dokonywać odpowiednich przeliczeń między wilgotnością masową i objętościową.

ρw – gęstość wody,
ρ0 – gęstość materiału po wysuszeniu.

Masa(objętość) wody w wyżej wymienionych definicjach wilgotności oznacza jedynie tę ilość wody zawartej w materiale, która jest związana z nim fizykochemicznie np. siłami adhezji, nie oznacza natomiast wody związanej chemicznie. Podczas pomiarów wilgotności istnieje niebezpieczeństwo zaliczania wody krystalizacyjnej jako wilgotności, ponieważ nawet czysto fizyczne metody, np. metoda grawimetryczna, mogą spowodować częściowy rozkład materiału z wydzieleniem wody krystalizacyjnej(np. przez hydrolizę). Dlatego podczas suszenia materiałów należy dobierać odpowiednią temperaturę suszenia, aby nie wydzieliła się woda krystalizacyjna. Istnieje wiele różnych metod oznaczania wilgotności:

metoda grawimetryczna nazywana też szuszarkową,
metody chemiczne:

miareczkowanie metodą K. Fischera,
metoda karbidowa,
chromatografia gazowa

metody elektryczne i magnetyczne:

pomiar wilgotności materiałów w oparciu o ich własności rezystancyjne,
pomiar wilgotności materiałów w oparciu i ich własności dielektryczne,
spektrometria mikrofalowa – pomiar absorpcji lub odbicia promieniowania z zakresu mikrofal,
spektrometria masowa,

spektroskopia podczerwieni – pomiar absorpcji lub odbicia promieniowania z zakresu podczerwieni,
metody jądrowe:

spektroskopia MRJ – pomiar magnetycznego rezonansu jądrowego,
metoda spowalniania neutronów ciężkich,
metoda osłabiania promieniowania beta lub gamma.

Metoda szuszarkowa - polega na suszeniu materiału i mierzeniu ubytku masy. Jest to najbardziej rozpowszechniona metoda często stosowana jako metoda odniesienia do kalibracji i sprawdzania innych metod pomiarowych. Jest to metoda laboratoryjna, wymaga stacjonarnego oprzyrządowania.
Metody elektryczne pomiaru wilgotności materiałów dają możliwość konstruowania tanich przyrządów przenośnych, dzięki, którym jest możliwy pomiar wilgotności materiałów w naturalnym, pierwotnym miejscu bez potrzeby pobierania próbek i transportu ich do laboratorium. Najbardziej rozpowszechniony jest pomiar wilgotności materiałów w oparciu o ich własności rezystancyjne (metoda rezystancyjna) lub własności dielektryczne (metoda dielektryczna, pojemnościowa).
Metoda rezystancyjna - opiera się na pomiarze rezystancji materiału, która uzależniona jest od zawartości wody w materiale. Woda zawarta w materiale w połączeniu z elektrolitami przewodzi prąd elektryczny. W zależności od ilości wody w materiale różna jest rezystancja i na tej podstawie można określać wilgotność materiału. Niestety rezystancja materiału zależy również od składu chemicznego wody jaka znajduje się w materiale, co zawęża zakres pomiarowy od góry oraz wpływa na błędy pomiaru np. w przypadku nadmiernego zasolenia materiału. Metoda rezystancyjna bardzo dobrze sprawdza się w pomiarze wilgotności drewna i materiałów drewnopochodnych. W dość szerokim zakresie pomiarowym wilgotność drewna zależy prawie liniowo od logarytmu z rezystancji. Trudnością elektroniczną jest w tym przypadku pomiar bardzo dużych rezystancji np. aby osiągnąć zakres 5% wilgotności potrzeba mierzenia rezystancji na poziomie 100GΩ. Dla innych materiałów metoda rezystancyjna dobrze nadaje się do stwierdzania stanu suchości – nawet materiał, który zawiera w sobie wodę silnie przewodzącą staje się izolatorem po wysuszeniu.
Metoda dielektryczna – polega na pomiarze przenikalności dielektrycznej materiału, która zależy od zawartości wody w materiale. Dipolowa budowa cząsteczek wody powoduje, że jej przenikalność dielektryczna ma znacznie większą wartość niż pozostałych składników materiału (w temperaturze pokojowej przenikalność dielektryczna wody wynosi około 81, a np. dla drewna 2...7). Mierząc przenikalność materiału w sposób pośredni możemy ocenić ilość wody w materiale. Są dwa zasadnicze sposoby pomiaru stałej dielektrycznej – w dziedzinie czasu – metoda TDR (ang: Time Domain Reflectometry) oraz w dziedzinie częstotliwości FD (ang: Frequency Domain). W metodzie TDR przenikalność dielektryczna gleby wyliczana jest na podstawie pomiaru prędkości propagacji impulsu elektromagnetycznego wzdłuż falowodu utworzonego z elektrod przewodzących prąd elektryczny, tworzących sondę pomiarową umieszczoną w badanym materiale. Przenikalność dielektryczna warunkuje prędkość propagacji w takim falowodzie. Na podstawie pomiaru prędkości propagacji impulsu elektromagnetycznego można ocenić wilgotność materiału.
W metodach FD przewodzące elektrody umieszczone w materiale traktuje się jako okładki kondensatora, którego dielektrykiem jest mierzony materiał. Wartość przenikalności dielektrycznej materiału wpływa na pojemność tak utworzonego kondensatora. Pomiar tej pojemności pozwala na ocenę wilgotności materiału.

Pomiar wilgotności gleby i materiałów: przyrządy

Przyrząd LB-796 do pomiaru wilgotności http://www.label.pl/po/rek796.html	Przystawka do pomiaru wilgotności materiałów sypkich LB-798, podłączana do LB-796 http://www.label.pl/po/rek798.html	Przystawki - pomiar wilgotności gleby LB-797 i LB-797R, podłączane do LB-796 http://www.label.pl/po/rek797.html