Wilgotnościomierz / Miernik wilgotności materiałów

Wilgotność materiału ma istotny wpływ na użyteczność i trwałość wielu produktów. W przypadku żywności zawartość wody wpływa m.in. na czas zbioru i okres przechowywania, w przypadku paliw na wydajność energetyczną i emisję zanieczyszczeń, w przypadku materiałów budowlanych na pęcznienie i kurczenie się oraz wartość izolacji termicznej. Kolonizacja materiałów bakteriami lub grzybami jest możliwa tylko przy odpowiednio wysokiej wilgotności, więc można temu zapobiec, sprawdzając poniżej wartości granicznych. Jeżeli wilgotnościomierz / miernik wilgotności materiałów wskazuje wilgotność materiału w procentach, ilość wody można odnieść do suchej masy lub do mokrej masy. To rozróżnienie jest bardzo ważne przy porównywaniu wyników pomiarów.

Można rozróżnić bezpośrednie i pośrednie pomiary wilgotności materiału. Metody bezpośrednie wskazują ilościowo wilgotność materiału poprzez ilość wody bez dalszych porównań. Metoda Darra i metoda węglika wapnia są wystandaryzowanymi, bezpośrednimi metodami pomiaru. Metody pośrednie określają najpierw właściwości fizyczne materiału, które są związane z wilgotnością. Aby uzyskać stosunkowo dokładne wartości wilgotności materiału, należy przeprowadzić kalibrację lub konwersję specyficzną dla danego materiału. Tam, gdzie nie jest to możliwe lub zbyt kosztowne, można przeprowadzić porównania przestrzennego lub czasowego przebiegu wilgoci w materiale.

W przypadku urządzenia jakim jest miernik wilgotności materiałów można również rozróżnić metody pomiaru, w których:

W przypadku metody suszenia badany materiał suszy się do momentu, gdy jego waga przestanie się zmniejszać. Ubytek masy odpowiada odparowanej wodzie.

Wilgotność materiału w % suchej masy = Masa mokra – Masa sucha / Masa sucha x 100

Metoda z węglikiem wapnia jest niszczącą metodą badawczą, która wykorzystuje reakcję chemiczną węglika wapnia z wodą do pomiaru zawartości wody. W tym celu należy pobrać próbkę materiału i połączyć z węglikiem wapnia. Węglik wapnia reaguje w kontakcie z wodą, tworząc wodorotlenek wapnia i acetylen. Jeśli dostępna jest wystarczająca ilość węglika wapnia, cała dostępna woda zostanie przekształcona.

Jeśli reakcja zachodzi w zamkniętym naczyniu, którego ciśnienie wewnętrzne można zmierzyć, ilość acetylenu można określić na podstawie wzrostu ciśnienia. Zawartość wody w próbce materiału wynika wtedy z ilości acetylenu.
Ze względu na standardowe specyfikacje, wykonalność na miejscu i stosunkowo szybkie wyniki, miernik wilgotności materiałów wykonujących pomiar metodą z węglikiem wapnia jest znany i szeroko rozpowszechniony, zwłaszcza w przypadku jastrychów. W odniesieniu do metody, wyniki są często podawane jako CM%. Wiarygodność wyników wykonanych urządzeniem typu miernik wilgotności materiałów jest bardzo wysoka dla jastrychów anhydrytowych, jeśli są one wykonane prawidłowo. W przypadku jastrychów cementowych występują odchylenia od wartości określonych metodą suszenia ze względu na stosowane obecnie rodzaje cementu i zmienione wartości woda/cement.

Zachowanie materiałów w polu elektrycznym zmienia się wraz z zawartością wilgoci. Pomiary wykonywane urządzeniem typu miernik wilgotności
 
materiałów metodą pojemnościową są nieniszczące i można je powtarzać dowolnie często.
Głębokość pomiaru i mierzone wartości są silnie uzależnione od rodzaju i struktury mierzonego materiału i mogą być zafałszowane przez sole, a także metalowe ciała obce w obszarze pomiarowym. Wiarygodne wartości pomiaru wykonane miernikiem typu wilgotnościomierz można wyznaczyć dla znanych materiałów, dla których wykluczone są zmienne zakłócające i określone warunki środowiskowe. W przypadku innych materiałów metoda jest odpowiednia do szybkiego identyfikowania i izolowania obszarów o podwyższonej wilgotności.

Metodę tą można wykorzystać w przypadku materiałów, które mogą wchłaniać wilgoć. Wilgoć zwiększa również przewodność elektryczną lub zmniejsza opór elektryczny. Jednak te właściwości elektryczne zależą również od temperatury, składu materiału i obecności rozpuszczonych soli. Zależność od temperatury można skompensować w przypadku niektórych urządzeń typu wilgotnościomierz za pomocą czujników lub ręcznej regulacji. Ze względu na zależność materiałową dla większości urządzeń przechowywane są różne materiały lub grupy materiałów. Jednak często brakuje precyzyjnych informacji, np. o gęstości i składzie materiału dla zapisanej krzywej konwersji. Niektóre urządzenia typu miernik wilgotności materiałów mają możliwość zapisywania własnych krzywych materiałowych.

Miernik wilgotności materiałów wykonujący pomiar metodą oporową dostarcza wyniki szybko i bez uszkodzeń materiału. Częściowo izolowane igły czujnika mogą być używane do pomiarów na różnych głębokościach i określania, czy na przykład wilgotność wewnątrz jest wyższa niż na zewnątrz. Oprócz określenia możliwego ryzyka nadmiernej wilgoci, pozwala to również wyciągnąć wnioski na temat zachowania podczas suszenia i przyczyn wilgoci.

Wilgotność materiału nie jest stałą wartością dla większości materiałów, ale zależy od klimatu otoczenia. Jeśli temperatura pozostaje taka sama, ustala się równowaga między wilgotnością materiału, a wilgotnością względną otoczenia. Oznacza to, że materiał będzie wchłaniał lub uwalniał wilgoć, dopóki nie znajdzie się w równowadze z wilgocią w otaczającym powietrzu. Właściwość ta może być wykorzystana do określenia zawartości wilgoci w materiale.

Aby zmierzyć odpowiednią wilgotność, można zamknąć próbkę materiału i czujnik w hermetycznym pojemniku lub torebce foliowej, umieścić czujnik w uszczelnionych otworach, rurach lub pojemnikach lub przykryć obszar powierzchni materiału i czujnika hermetyczną folią . Jeśli wilgotność materiału jest wyższa niż charakterystyczna równowagowa zawartość wilgoci, wilgotność względna zamkniętego powietrza będzie rosła, aż materiał nie będzie w stanie uwolnić do niego więcej wilgoci. Jeśli materiał jest bardziej suchy niż normalne warunki otoczenia, będzie wchłaniał wilgoć z uwięzionego powietrza, obniżając jego wilgotność.

Miernik wilgotności materiałów, który działa metodą mikrofalową, może wykorzystywać różne właściwości mikrofal, na które wpływają cząsteczki wody, do określania zawartości wilgoci. Nawet przy słabym polu mikrofalowym zawartość wody w materiałach nieprzewodzących prądu elektrycznego można określić bardzo szybko, dokładnie i nieniszcząco. Mikrofale generowane przez wilgotnościomierz są spowalniane, tłumione i częściowo odbijane przez cząsteczki wody w naświetlanym materiale. Można zmierzyć zarówno odbicie, jak i zmianę częstotliwości oraz tłumienie mikrofal. Istnieją już wypróbowane i przetestowane systemy do pomiaru wilgotności materiału za pomocą technologii mikrofalowej do wielu obszarów zastosowań.

W zależności od ilości cząsteczek wody w wilgotnym materiale częstotliwość rezonansowa, przepuszczalność i zachowanie odbicia promieniowania mikrofalowego zmieniają się mniej więcej. Ponieważ jednak na poziom tych zmian ma wpływ nie tylko zawartość wody, nie można jej określić bezpośrednio metodą mikrofalową. Mikrofalowy miernik wilgotności materiałów jest zatem zawsze dopasowywany do konkretnych zastosowań i materiałów za pomocą pomiarów referencyjnych. Metody mikrofalowe nie mają zastosowania do substancji przewodzących prąd elektryczny.

Ponieważ do pomiarów wymagany jest tylko niski poziom mocy mikrofal, nie ma zagrożenia dla ludzi, a promieniowanie nie zmienia materiału. Do pomiaru wilgotności materiału często wystarcza moc mikrofal wynosząca około 0,1 miliwata. Mierzony materiał prawie nie nagrzewa się przez to promieniowanie. Oznaczanie zawartości wilgoci w materiale za pomocą mikrofalowego urządzenia typu wilgotnościomierz umożliwia uzyskanie bardzo szybkich wyników i może być powtarzane w tym samym punkcie tak często, jak chcesz. Ponieważ mikrofalowe metody pomiaru sprawdzają się również w przypadku ruchomych materiałów, można je z powodzeniem stosować do pomiarów wilgotności online w procesach produkcji, suszenia i przechowywania. Czas poszczególnych pomiarów można dostosować do odpowiednich wymagań. Szybkość pomiaru w zakresie milisekund i dokładność pomiaru do 0,1 procenta wilgoci można osiągnąć w przypadku wrażliwych procesów. Oznacza to, że jeśli mierzony materiał odbiega od docelowych specyfikacji, można bardzo szybko zareagować odpowiednimi środkami.

Wilgotnościomierz materiałowy z technologią mikrofalową jest zwykle już wyposażony w wyjścia procesowe do zastosowań przemysłowych i przeznaczony do pracy ciągłej. Czujniki mają zwykle wysoki stopień ochrony IP, a typy czujników przeznaczone do montażu w rurociągach lub zbiornikach są dostarczane z odpowiednimi elementami przyłączeniowymi.

Wilgotnościomierz / Miernik wilgotności materiałów - metoda transmisji mikrofalowej
Podczas pomiaru wilgotności metodą transmisyjną można osiągnąć duże głębokości penetracji, ponieważ miernik wilgotności materiałów mierzy mikrofale, które przeniknęły przez materiał. Jednostki nadajnika i odbiornika są montowane w taki sposób, aby badana substancja znajdowała się między nimi. Metoda ta nie wymaga bezpośredniego kontaktu części urządzenia jakim jest wilgotnościomierz z badanym materiałem. Metoda przekładniowa jest często wykorzystywana do pomiaru materiałów sypkich na przenośnikach taśmowych, w bunkrach, silosach czy szybach. Odbiornik mikrofal rejestruje stłumione wartości mikrofal, które przeszły przez wilgotny materiał. Elektronika pomiarowa następnie porównuje te wartości z wartościami pomiarów referencyjnych zapisanych w urządzeniu i określa na ich podstawie zawartość wilgoci.

Wilgotnościomierz / miernik wilgotności materiałów - metoda odbiciowa mikrofalowego
Za pomocą metody odbicia określa się, w jakim stopniu wypromieniowane mikrofale są odbijane przez materiał. Nadajnik i odbiornik znajdują się zatem po tej samej stronie mierzonej substancji i zwykle stanowią jeden element. Mierzona jest zarówno fala odbita, jak i wypromieniowana w celu określenia współczynnika odbicia jako iloraz obu. Zakres głębokości, który można zarejestrować do pomiaru wilgotności, zależy od budowy czujnika.

Wilgotnościomierz / miernik wilgotności materiałów - metoda rezonansowa
W procesie rezonansu mikrofale są generowane w określonym zakresie częstotliwości w celu wzbudzenia materiału do rezonansu. Nadajnik i odbiornik mikrofal są umieszczone w czujniku zwanym rezonatorem. Rezonator może mieć różne konstrukcje. Powszechne są czujniki rurowe, w których badany materiał przepływa przez cylindryczną wnękę, czujniki szczelinowe, w których materiały przypominające płytki lub wstęgę są prowadzone przez szczelinę, oraz czujniki płaskie, na których powierzchni przypominającej dysk substancja jest napromieniowywana i mierzona . W zależności od zawartości wody w materiale amplituda maleje, a szerokość połówkowa częstotliwości rezonansowej rośnie mniej więcej w porównaniu z pomiarem bez materiału.