Akademia automatyki
27 Marzec 2015
Wilgotność materiałów sypkich – czym mierzyć?
Wilgotność materiałów sypkich odgrywa często niebagatelną rolę dla całego procesu. Wszędzie gdzie zmiana wilgotności materiału podnosi koszty produkcji poprzez wydłużenie procesu suszenia czy dodawanie wody; powoduje dodatkowe zużycie energii; zwiększa masę produktu czy też negatywnie wpływa na jakość produktu końcowego, konieczna jest jej kontrola. Znane nam są 4 metody pomiaru wilgotności materiałów sypkich, wykorzystujące różne zjawiska fizyczne, różniące się stopniem złożoności układu pomiarowego czy możliwościami montażu, dobierane zawsze do konkretnego rodzaju materiału, do konkretnej aplikacji.
Pomiar mikrofalowy
Mikrofalowy pomiar wilgotności jest metodą bezkontaktową, stosowaną w przypadku pomiaru wilgotności materiałów sypkich nieprzewodzących (czyli mierzalnymi są: węgiel, wapno, zrębki drewna, itp., a niemierzalnymi są na przykład koks i grafit). Układ pomiarowy składa się z z jednostki sterującej, anteny nadawczej i odbiorczej oraz przewodów łączących anteny z jednostką sterującą. Mikrofale sprawdzają sie tylko w przypadku materiału homogenicznego o stałej granulacji. Jest to niezwykle trudne do osiągnięcia w warunkach przemysłu, dlatego często do układu dołącza się pojemnik ze źródłem izotopowym Cs-137 oraz detektor promieniowania gamma. Jest to tak zwana izotopowa kompensacja grubości warstwy nasypowej na taśmociągu.
Typowym miejscem aplikacji systemu pomiarowego jest taśmociąg z pasem transmisyjnym wykonanym z materiału nieprzewodzącego, najczęściej z gumy. Kolejnym rozwiązaniem jest zsyp grawitacyjny lub lej zbiornika z odpowiednimi wziernikami wykonanymi ze wspomnianego już materiału nieprzewodzącego, np. teflonu lub ceramiki.
Pomiar neutronowy
Neutronowa metoda pomiaru wilgotności polega na pomiarze szybkich neutronów spowalnianych przez atomy wodoru. Najprościej ujmując – neutrony szybkie przechodząc przez materiał zawierający w sobie cząstki wody (H2O) zderzają się z jądrem wodoru i tracą ok. 50% swojej energii kinetycznej, stając się neutronami spowolnionymi, tzw. termicznymi. Im większa jest zawartość wodoru (wody) w materiale mierzonym, tym większa jest gęstość neutronów wolnych (termicznych) wokół sondy pomiarowej. Układ pomiarowy składa się z nadajnika neutronów szybkich i odbiornika mierzącego gęstość neuronów termicznych (wolnych), co następnie przeliczane jest na wilgotność materiału mierzonego.
W metodzie neutronowej na wyniki pomiarów nie mają wpływu temperatura, ciśnienie, wartość pH, granulacja materiału. Metoda ma jednak jedno główne ograniczenie – może być stosowana do pomiaru wilgotności materiałów nie zawierających atomów wodoru (atomy wodoru powinny być tylko związane z występowaniem H2O w wodzie). Najczęściej neutronową metodę pomiaru wilgotności stosuje się w pomiarze wilgotności koksu, piasku i rudy żelaza.
Pomiar w oparciu o podczerwień
Metoda bazująca na zjawisku pochłaniania przez mierzone materiały fal podczerwieni. Metoda ta jest również bezkontaktowa i sprawdza się miedzy innymi w przypadku pomiaru wilgotności biomasy, tytoniu, węgla, rudy cynku, żelaza, miedzi, papieru, tektury, kartonu, produktów spożywczych. Mierniki podczerwone wilgotności wykorzystywane są przede wszystkim do pomiaru składników podawanych do procesu produkcji, do kontroli jakości gotowego produktu oraz do sterowania procesami suszenia.
Technologia NIR zapewnia wysoką dokładność, powtarzalność i stabilność pomiarów. W typowych aplikacjach uzyskuje się dokładność +/-0,1%.
Przykładem urządzenia wykorzystującego tę metodę jest miernik wilgotności materiałów sypkich i masowych NIR-6000
Miernik wilgotności materiałów sypkich i masowych NIR-6000
Pomiar pojemnościowy wilgotności
Jedyna w naszym zestawieniu metoda kontaktowa (wymagająca kontaktu mierzonego medium z sensorem). Mierniki pojemnościowe bazują na pomiarze stałej dielektrycznej materiałów sypkich, która określa wilgotność materiału. Jest to najprostsza, ekonomiczna metody stosowana przy pomiarach w czasie rzeczywistym wilgotności piasku, piasku kwarcowego, wapna, żwiru, rud, osadu ściekowego, zbóż, kruszywa do betonu, biomasa (trociny, słoma, zrębki), ryżu, gipsu, gliny itp. Metoda szczególnie często stosowana na taśmociągach, podajnikach ślimakowych, aczkolwiek istnieją także aplikacje w zsypach grawitacyjnych.
Podstawowe ograniczenia metody:
- zakres temperatury 4-100oC (brak pomiaru gdy w mierzonym materiale znajdują się kryształki lodu),
- maksymalna granulacja materiału do 10 mm (możliwy pomiar większych „kawałków” w przypadku gdy towarzyszą im mniejsze – jako wypełnienie),
- materiał nie może wykazywać tendencji do oklejania czujnika,
- warstwa nasypowa materiału na taśmociągu to minimum 5 cm (lub możliwość zastosowania kryzy spiętrzającej).
Przykładem urządzenia wykorzystującego tę metodę jest mierniki wilgotności serii DMMS
