Влагомеры сыпучих материалов – особенности применения

Для повседневного измерения влажности экспресс методом в строительстве, агрономии, химической отрасли, сельском хозяйстве и прежде всего при производстве зерновых культур, а также обработке древесины, одним из самых удобных приборов является влагомер сыпучих материалов: песка, почвы, крупы, муки, стружки, сена, пеллет, зерна, опилок, цемента и множества других продуктов.

Эта разновидность переносного оборудования имеет серьезные достоинства, что обеспечивает их широкое распространение:

• хорошая альтернатива длительному, энергоемкому и дорогостоящему лабораторному анализу, а значит эксплуатировать можно прямо как говорится, в полевых условиях;
• не нужно транспортировать пробы материала в специализированную лабораторию. Сокращаются логистические расходы и снижается риск потери влажности образцами во время доставки;
• высокая скорость измерения – несколько секунд не соизмерима во временем исследования в стационарных условиях;
• можно обойстись без пробоотборников;
• не требуется высокая квалификация персонала.

Эти измерители задействуются как например при приемке или закупке (если необходимо проверить содержание влаги в мешке с пшеницей или кукурузой при закупке для питания для домашних животных или птицы), так и на этапе приготовления раствора, чтобы проконтролировать не слишком ли влажный песок, не завышен ли его вес, а значит заплачена необоснованная высокая цена.

Особенности влагомеров сыпучих материалов

Начнем с определения.

Сыпучие продукты – совокупность частиц одного размера, формы, характеризующаяся весом материала в единице объема.

Эта так называемая насыпная плотность, которая определяется в первую очередь расстоянием между отдельными частицами. Или можно сказать воздушными промежутками между ними.

Это показатель традиционно измеряется в г/л или кг/м³.

Справочно. Одним из механических лабораторных приборов для оценки натуры зерна являются пурки объемом 1 литр.

Также эту величину определяют портативно-лабораторные влагомеры зерна, снабженные встроенными весами. Формально зерно это тоже сыпучий продукт.

Мы будем рассматривать особую группу измерителей – так называемые щуповые, с удлиненными электродами. По классификации они относятся к резистивным (в отличие от диэлектрических).
В отличие от приборов для определения влажности твердых материалов – дерева, бетонной стяжки, гранита, камня и др., измерители для сыпучих материалов, чтобы обеспечить паспортную точность, должны “учитывать” ряд специфических факторов.

Соответственно нужно уделить особое внимание датчикам.

1. Глубина проникновения

   Какой бы материал мы не выбрали – сено в скирдах, песок в мешках или грунт на огороде или в саду, можно отметить один общий фактор. Верхний слой материала всегда подсушен из-за движения воздуха и не отражает среднее значение влажности по всей массе.
   И сразу наблюдаем первый и важный плюс - влагомеры сыпучих продуктов избавляют от этой необходимости, погружаясь на несколько десятков сантиметров вглубь, что позволяет точно оценить пригодность рассыпчатых материалов для последующих операций.
   
   Приведем примеры.
   
   Песок
   Если просто зачерпнуть горсть песка с поверхности, значение влажности может быть меньше на несколько процентов.

   

   Что в свою очередь приведет к целой цепочке негативных последствий:

   • вес будет занижен, причем значительно, а значит покупатель фактически приобретет не песок, а его смесь с водой. Вряд кто-то захочет платить за такую субстанцию. Влажность песка – это манипулятор в руках недобросовестных продавцов. Чем она больше, тем выше их заработок и потери покупателей;
   • при приготовлении строительных растворов в зависимости от первоначальной влажности сухих смесей, песка, пропорционально изменяют количество добавляемой воды;
   • повышенная влажность цемента приводит к его безвозвратной порче, а сена – к сокращенному сроку хранению и снижению питательніх свойствв как кормового продукта.

   Опилки
   При производстве плит ДСП методом связывания стружки и смолы при повышенной температуре и давлении, влажность древесных опилок также имеет ключевое значение и содержание влаги наряду с формой и размером частиц имеет первостепенное значение при производстве древесно-стружечных изделий.
   Кроме того, опилки и стружка могут служит как в качестве топлива, так и подстилки для домашних животных, чтобы впитывать влагу от испражнений.Разумеется, что в первом случае древесные отходы не воспламенятся, а во втором, не впитывают влагу.

2. Плотность материалов

   С сыпучими материалами может быть проблема с повторяемостью результатов. В идеале если продукт хранится в таре заданного объема и в определенном количестве, то можно рассчитывать на определенное значение плотности, а значит влагомер для сыпучих материалов будет обладать высокой повторяемостью результата (минимальной разницей влажности между двумя последовательными измерениями).

   На практике же получается совсем по-другому.

   Привезли мешки с песком или насыпана гора опилок в человеческий рост - вот и все исходные данные.
   
   А если гора опилок наоборот высотой не 2 метра, а 1 метр ? Или полметра.
   
   Соответственно изменяется давление на нижележащие слои. Как при нырянии в море. Чем глубже, тем сильнее давление на уши.
   Более того, наблюдается и обратная зависимость. Не только содержание влаги зависит от насыпной плотности, но в свою очередь насыпная плотность также зависит от влажности:

   Опилки	Влажность	Насыпная плотность, кг/м3
   Сухие	<15 %	220-420
   Влажные	>15 %	320-580

   Такая же ситуация и с сеном.
   Травы разные, с индивидуальной структурой волокон, да и в зависимости от физических усилий и усердия в мешок можно поместить количество сена, различающееся в разы.

Плотность и фракционный состав частиц играют первостепенное значение для снижения погрешности определения влажности.

Как повысить точность влагомера для сыпучих продуктов

Размер и форма частиц рассыпчатых материалов, определяют в свою очередь площадь соприкосновения отдельных элементов между собой, а также с измерительными иглами.

В идеале, чтобы обеспечить высокую повторяемость, при каждом измерении образца – например в одной партии привезенных опилок или песка, в разных точках результат должен быть одинаков.

Если расстояние между щупами составляет допустим 70 мм, а средний размер частички песка: 0,5 мм, то между двумя щупами уложится 70/0,5=140 песчинок.

Но это в идеале.

Песок может быть мелкозернистый, крупнозернистый, среднезернистый. И для каждого сорта количество песчинок между электродами будет различаться.
Это в лучшем случае. А то может быть и смесь песков разных сортов и тогда мы можем столкнуться с низкой повторяемостью, поскольку при каждом замере, может образовываться свое, уникальное сочетание песчинок по размеру, форме и естественно по количеству.
Даже если взять мешок – казалось бы небольшая тара, то 2-3 измерения щупами в разных местах, может дать разный результат.
Нужно отметить, что в большинстве случаев результаты не различаются на проценты, а отклонение может быть в десятых.
С ватой, травой, гранулами ситуация может быть более непредсказуемой, но подчиняющаяся теории вероятностей. С ростом количества измерений, за счет усреднения показателей, влагомер сена будет выдавать все более точное значение влажности сыпучих материалов.

Учитывайте насыпную плотность и нижнюю границу диапазона

На что смотрят в первую очередь при выборе цифрового щупового изменителя ? В подавляющем большинстве на верхнюю границу, например 40 % или 80 %.
Логика в этом есть, чем шире диапазон, тем больше возможности по практическим измерениям. Обидно если купленный прибор рассчитан до 40 %, а придется столкнуться с показателем 50 %.

Но не менее важна нижняя граница, которая составляет менее 10 %, а чаще 4-5-7%. Фактически это предел чувствительности.

Поэтому много вопросов поступает по влагомерам, предназначенным для сыпучих материалов с “нулевой” нижней границей.
Действительно так в паспорте на прибор для измерения влажности указывают производители.
Но это фантастика. Это все равно, что достичь абсолютного нуля по температуре. Как к ней не приближайся, а полностью добиться желаемого показателя не получится.

Нулевая влажность соответствует бесконечному сопротивлению. Ток фактически не протекает через выбранный участок.
Поэтому нулевого значения влажности не существует. Содержание водяных паров в воздухе всегда отлично от нуля и чем суше гигроскопичный материал, тем быстрее он поглощает влагу.
Получается влажность не нулевая, пусть и низкая, а дисплей показывает ноль. Почему ?

Проблема заключается в 3-х взаимосвязанных факторах.

1	Напряжение источника питания
2	Сила тока, проходящего между измерительными щупами
3	Расстояние между отдельными элементами массы сыпучих материалов – песчинок, зерновок, опилок, сухих травинок в сене и т.д.

 

Пример.

Пусть у нас имеется емкость размерами 2 на 2 см.
Поместим сначала 2 металлических шара диаметром по 1 см. Шары соприкасаются в одной точке. Значит есть контакт. Пропустим через них электрический ток и измерим его силу.
Потом поместим 4 шара такого же диаметра. Площадь соприкосновения увеличилась в 4 раза, и значение силы тока изменилось, а значит и содержание влаги.

Наш пример больше подходит для песка.
Хуже всего ситуация обстоит с совокупностью малой плотности – например минеральной ваты, опилок, хранящихся в насыпи, а не мешках. Фактически сухие сыпучие материалы низкой плотности являются диэлектриком.

Может увеличить напряжение источника питания ? Но тогда пропорцтонально уменьшатся габариты и размеры. А удобство пользования ухудшится. Проще говоря – будет быстро достигнута усталость. С прибором для измерения влажности сыпучих материалов весом в несколько килограммов так за день намахаться можно, что все его преимущества можно умножить на ноль.

Эти сыпучие компоненты характеризуются:

• во-первых, малой плотностью;
• во-вторых, что самое неприятное - переменной плотностью.

В одном месте может быть 10 %, а правее на полметра уже 15%. Влажность сена может быть различной даже в одном стоге, если в его формировании участвовали разные люди.
Измеритель влажности сена оснащен длинными измерительными электродами. И при проникновении на 10 см значение может быть одним, а на 30 см – совсем другим.

Как решается проблема ?

Поможет функцией HOLD/MAX и рекомендуется купить влагомер сыпучих материалов именно с такой опцией.

Вставляем полностью щупы - на всю длину при включенной функции HOLD/MAX и двигаем электроды взад – вперед.
Устройство запрограммировано так, что запоминает каждое последующее, увеличенное значение по простому алгоритму:

Влажность материала увеличилась	ДА	Увеличивается значение на дисплее
	НЕТ	Значение остается прежним

То есть фиксируется называемое пиковое значение соответствующей величины за период измерения. Тем самым если не устраняется полностью, то сводится к минимуму эффект разной плотности сыпучих продуктов.

Значение, наблюдаемое на дисплее, это абсолютная величина.
Часто, особенно при массовых последовательных измерениях, более важным является нахождение показателя влажности в заданных пределах.
Функция контроля диапазона минимизирует вероятность ошибок и уменьшает влияние человеческого фактора.

Как это работает ?

Задаем верхнюю границу 25%, а нижнюю 16%.
Если измеренный показатель выйдет вверх или вниз хотя бы на 0,1 %, загорается сигнальный светодиод. Или в других моделях, может звучать звуковой сигнал.

Смысл облегчения труда состоит в том, чтобы заменить сложный мыслительный процесс: ”наблюдение текущей влажности” – ”сравнение с заданной” – ”принятие решения” на более простой бинарный: “входит в диапазон” - ”не входит”.

Речь идет о ручной оперативной настройке на различные образцы многофункциональных измерительных приборов для контроля влажности, т.е. рассчитанных на песок, почву, опилки, древесные опилки и т.д.

Что это дает ?

Главное – это преимущество в цене.
Достигается за счет того, что не зависимо от тестируемого продукта, все конструктивные элементы влагомеров идентичны: электронные схемы, дисплей, датчик, управляющие кнопки.

А значит при переходе на новый материал достаточно нескольких нажатий на клавиши, настроив прибор на соответствующую таблицу калибровок, зашитую в память.

А что сделать, если не переключаться?
Дело в том, что даже сено может быть травой, соломой, силосом и т.д.  И бюез учета это фактора, определяемого разной электропроводностью, погрешность выйдет за рамки.