Учебно-методический материал - Средства и методы измерения

Министерство образования, науки и молодежной политики Краснодарского края

государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение

Краснодарского края

«КРАСНОДАРСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ»

Составила Аванесова Л.В.

Учебно-методический материал по дисциплина ОП.07 Метрология и стандартизация

Для специальности 19.02.04 Технология сахаристых продуктов

Тема: «Средства и методы измерения»

Краснодар

2021

Приборы для определения влажности продукта (влагоанализаторы). Приборы для определения количества СВ в соке (рефрактометр).

Что такое анализатор влажности

Лабораторный влагомер

         Анализатор влажности (влагоанализатор, влагомер) - это оборудование для определения абсолютного содержания влаги в процентном отношении ко всей массе образца.    

        Существует большое разнообразие влагоанализаторов, которые используются в самых разнообразных отраслях человеческой деятельности. Они используются в столярном и плотницком деле для определения готовности древесины к обработке, измерения влажности почвы, в строительстве, земледелии, лабораториях, пищевых производствах, при изготовлении полимеров, резины, пластика.

       В зависимости от того, в какой области применяется анализатор влажности, он использует разные методы измерения, имеет разные размеры и форму, а также испытывает совершенно разные материалы с определенной погрешностью измерения.

       Если рассмотреть все виды анализаторов влажности, то можно выделить следующие основные направления классификации:

По способу исследования

По исследуемому объекту

По сфере применения

По методу исследования

По техническим характеристикам

По метрологическим характеристикам

Виды анализаторов влажности по способу исследования

        В зависимости от того влажность какого объекта измеряет влагомер, выделяются следующие типы оборудования: Внутреннее измерение. При этом влагоанализатор имеет специальную емкость или чашу, куда кладется исследуемый образец. К этой группе относятся все лабораторные влагомеры. Внешнее измерение. В данном случае не представляется возможным или целесообразным взять образец, поэтому влагомер имеет чувствительный элемент, который контактирует с внешней средой, влажность которой он измеряет. Здесь находятся влагомеры для древесины, почвы, гигрометры, некоторые модели используемые в промышленности.

Влагоанализаторы для разных материалов

          Если рассматривать анализаторы влажности с позиции того, влажность каких материалов он может измерять, то деление происходит обычно по 2 направлениям - физическое агрегатное состояние образца или конкретный материал.

1. Физическое состояние образца

          В данном случае все просто. Образец может быть иметь твердое агрегатное состояние, жидкое или газообразное. При этом применяются принципиально разные модели влагомеров с необходимыми техническими характеристиками. При этом вполне возможна ситуация, когда для твердых или жидких материалов может использоваться одна и та же модель влагоанализатора. В то время, как для газов используются отдельные типы влагомеров, неприменимые при исследовании твердых или жидких объектов. Ниже на рисунках можно увидеть три представителя разных типов оборудования.

Влагоанализатор для материала	Влагоанализатор для жидкости	Влагоанализатор для газа

Справочная информация

          В словосочетании "влагоанализатор для жидкости" нет взаимоисключаемых понятий. Под понятием "влага" или "жидкость" понимается не только вода, а любое вещество, которое находится в жидком состоянии, либо способно испариться при нагревании. Поэтому их широко используют для определения состава и качества нефти, нефтепродуктов, как самый распространенный пример. Кстати, из вышесказанного можно сделать любопытный вывод - анализаторы влажности для твердых продуктов, которые используют метод нагревания измеряют не содержание воды в продукте, а содержание всех летучих веществ. В случае с пищевыми продуктами это могут быть жиры, масла, спирты.

2. Типы материалов

Есть нюанс, что существуют некоторые типы материалов или продуктов, к анализу которых влагомеры привлекаются повсеместно. Для таких случаев обычно используются влагоанализаторы, которые максимально учитывают свойства измеряемого объекта. Это позволяет упростить работу по замерам и увеличить точность показаний прибора.

	Влагоанализаторы бетона. Также он называется строительным влагомером. Используются для получения информации о состоянии бетона, цемента, кирпича. Может использоваться не только для строительных материалов, но и для широкого круга сыпучих и твердых материалов.
	Влагомер древесины. Используется для проверки качества просушки древесины, ее готовности для деревообработки. По большому счету является аналогом влагоанализатора для бетона и очень часто эти две модели объединяются в один универсальный анализатор влажности.
	Почвенные влагоанализаторы. Влагомеры для почвы используются для проверки состояния почвы и результатов мелиоративных работ в агропромышленном комплексе.
	Анализаторы влажности нефтепродуктов. Это основное направление влагомеров для измерения влажности жидких субстанций, поэтому чаще всего, когда говорят "влагоанализатор для жидкости", подразумевают именно этот тип оборудования.
	Влагоанализаторы зерна измеряют уровень влажности бобовых, зерновых культур. Он необходим для обеспечения правильных условий хранения запасов зерна на мельницах и элеваторах, а также при транспортировке урожая.
	Влагоанализаторы воздуха, газов. Как уже было отмечено выше, это отдельных класс приборов, к которым также относятся психрометры и гигрометры. Они используются метеорологами, при проектировании систем кондиционирования, на складах. Это, пожалуй, единственный представитель данного класса оборудования, который используется в бытовых целях и присутствует во многих домах.

Сферы применения анализаторов влажности

           Классификация влагомеров по сфере применения довольно условна, так как, во-первых, одну и ту же модель можно использовать в разных отраслях. А во-вторых, видов деятельности, где так или иначе применяются влагоанализаторы, огромное множество. Поэтому ниже просто перечислены наиболее типичны сферы их использования:

• Лаборатории, медицинские учреждения
• Пищевая промышленность, сельскохозяйственный комплекс
• Нефтедобывающая, нефтеперерабатывающая отрасль
• Химическое производство , строительство

Принципы и методы работы влагоанализаторов

            Как и в предыдущих пунктах, методов и принципов работы влагомеров существует огромное множество. Среди них просто можно выделить получившие наибольшую популярность.

Фото	Принцип работы	Где используется
	Термогравиметрический анализ. Данный принцип называют еще методом нагревания и сушки. Анализаторы влажности, использующие данный метод нагревают образец и влага, содержащаяся в нем, начинает испаряться. Фиксируя изменение веса, прибор вычисляет содержание влаги. При более технологичном случае, влагомер способен проводить измерения на протяжении всего процесса, выдавая итогом график изменения состояния массы материала во времени. Плюсы. Высокая точность измерения. Широкий спектр изучаемых материалов. Возможность исследования как твердых веществ, так и жидкостей Минусы. Подходит не для всех типов материалов, так как, помимо воды, испаряет другие примеси - жиры, летучие соединения. Неприменим для исследования взрывоопасных и легковоспламеняющихся веществ.	Термогравиметрические влагоанализаторы являются наиболее распространенным оборудованием для лабораторий, проверяющих качество пищевой продукции, а также для технологических подразделений промышленных предприятий, контролирующих процесс производства продукции. Из-за специфики использования их даже называют лабораторными влагомерами.
	Титриметрический анализ. Влагомеры, использующие данный метод называются титраторами. В их основе лежат химические реакции, открытые Карлом Фишером, поэтому данный метод также носит его имя. Смысл данного способа заключается в том, что к образцу добавляется специальный реагент - титрант, который вступает в реакцию с водой. Содержание влаги рассчитывается по количеству реагента, необходимого для того, чтобы вся вода вступила прореагировала. Плюсы. Точное измерение количества воды (или иной жидкости), игнорируя другие жидкие примеси. Возможность исследования взрывоопасных веществ. Минусы. Сложность проведения испытаний, высокая стоимость оборудования	Влагомеры-титраторы широко используются для взятия проб веществ в области органической химии, фармацевтике, медицине, при работе с легковоспламеняющимися веществами.
	Кондуктометрический и диэлькометрический методы. Данные методы объединены в один пункт, так как на их основе делается большинство анализаторов влажности для жидкостей. При кондуктометрическом анализе измеряется электрическое сопротивление жидкости, а при диэлькометрическом - диэлектрическая проницаемость измеряется электроволновым способом. Плюсы. Возможность использования для сплошного контроля качества жидкости Минусы. Высокая стоимость. Узкая специализация оборудования	Влагоанализаторы для жидкости используются в нефтеперерабатывающей и нефтедобывающей отраслях, теплоэнергетике, химической промышленности.
	Волосной метод. Используется в влагомерах для определения влажности воздуха или газа. Основан на свойстве волоса изменять свою длину в зависимости от содержания влаги. Плюсы. Невысокая стоимость Минусы. Относительно невысокая точность измерения	Данные влагомеры называются гигрометрами. Они повсеместно используются в промышленности, бытовых целях при определении влажности воздуха.
	Психрометрический метод. При использовании данного метода измеряется разница температур двух термометров - сухого и смоченного водой. Скорость испарения влаги и, соответственно, теплоотдача будут зависеть от влажности помещения, где влагоанализатор находится. Благодаря этому возможно вычислить содержание воды в воздухе. Плюсы. Невысокая стоимость. Более точные показания, чем при использовании волосного метода. Минусы. Снижение точности при движении воздушного потока, возникновении сквозняков. Неудобство использования. Зависим от температуры окружающей среды.	Анализатор влажности, использующий психрометрический метод называется психрометром. Он используется в метеорологических наблюдениях и тех случаях, когда к микроклимату помещения предъявляются повышенные требования.

Справочная информация

           Методов анализа существует великое множество, поэтому перечислены основные. В перечень не вошли, в частности, кристаллическая осцилляция, метод инфракрасной адсорбции, метод нейтронного анализа и другие узкоспециализированные способы.

Технические и метрологические характеристики анализаторов влажности

          При рассмотрении технических характеристик влагоанализаторов можно выделить классификацию оборудования

          по типу чувствительного элемента

         Это крайне широкий список. К примеру, только у гигрометров можно выделить модели:

• весовой
• волосной
• пленочный
• электролитический
• керамический
• конденсационный
• электронный
• психрометрический

         Поэтому будет неуместно перечислять все существующие типы анализаторов влажности в рамках данной статьи. Она получится слишком большая.

         по сопутствующим технологиям

          В качестве самого распространенного примера можно привести влагомеры нагревания-сушки, которые могут использовать для нагрева галогеновую лампу или электрический нагревательный элемент. В данном аспекте идет дифференциация однотипного оборудования, которая указывает на качество и функциональность модели анализатора влажности, а не на принципиальные отличия.

         по дополнительному функционалу

         Сюда можно отнести все программное обеспечение, футляр для переноски, комплекты чашек, мерные емкости, фильтры, кабеля. Дополнительный функционал анализатора влажности - это опции, которые позволяют максимально эффективно использовать влагомер, подстроить его под свои нужды.

         метрологические характеристики

         В первую очередь, это точность измерения, а также повторяемость. Специфика использования анализаторов влажности сильно отличается от использования другого метрологического оборудования, например весового. Для каждого материала на каждом отдельно взятом влагомере необходимо разработать метод испытаний, инструкцию по подготовке образца и протестировать результаты измерения, сверив их сэталонными или найдя условия, при которых результаты будут воспроизводимы. Только в этом случае оборудование будет работать исправно и делать минимальную погрешность.

          Рефрактометры – это приборы, позволяющие контролировать параметры различных веществ с помощью измерения величины преломления света. С точки зрения точности измерений, простоты и удобства эксплуатации оптимальными вариантами являются портативные ручные рефрактометры. В различных отраслях промышленности при проведении каких-либо исследований, определении физико-химических параметров веществ или контроле качества готовой продукции необходимо знание показателя преломления света. Для этих целей существует специальный оптический прибор – рефрактометр. Название этого прибора произошло от термина «рефракция» (лат. «refractus» – преломленный), веденного в научную сферу Ньютоном в начале 18 века.

           Рефрактометр анализирует степень отклонения луча света от прямолинейного направления при переходе из одного вещества в другое. Соотношение угла вхождения луча и угла его преломления на границе раздела двух сред называется коэффициентом преломления. Этот показатель возрастает пропорционально увеличению плотности субстанции. Относительный «вес» образца рефрактометр определяет в сравнении с дистиллированной водой (с ее помощью прибор предварительно откалибровывают).

Конструкция ручного рефрактометра

          Основным оптическим компонентом рефрактометра, на который наносится исследуемое вещество, является главная призма. Она изготавливается из материала с высоким показателем преломления, поэтому луч света, проходящий через нее, отклоняется под большим углом. Через систему линз он проникает на шкалу, которая представляет собой градуированную окружность. При разных углах преломления луч оказывается на шкале выше или ниже, оставляя одну из ее частей светлой, а другую темной. Коэффициент преломления определяется по положению границы раздела. Этот показатель напрямую зависит от состава анализируемого раствора и его плотности.Некоторые модели рефрактометров учитывают также влияние температуры: внутри их корпуса расположена биметаллическая пластина, соединенная с другими компонентами. В разных термических условиях она сжимается или растягивается, плавно передвигая оптическую систему. Таким образом влияние температуры на коэффициент преломления компенсируется.

Типы рефрактометров

Современные приборы для рефракции подразделяются на:

• Промышленные
• Лабораторные
• Портативные (ручные, цифровые)

          Промышленные и лабораторные рефрактометры имеют достаточно большие размеры, поэтому устанавливаются, как правило, стационарно. С их помощью проводят исследования различных веществ и контролируют технологические процессы на производствах. Такие приборы характеризуются высокой точностью и сложностью.

                  

           Портативные рефрактометры используются для оперативных измерений в лабораторных, производственных или полевых условиях. Цифровые приборы оснащены жидкокристаллическими экранами, на которые выводятся результаты измерений. Как правило, они обладаю множеством дополнительных функций, в числе которых возможность измерять коэффициент преломления вместе с плотностью вещества, применение различных единиц измерения, учит температуры и пр. Ручные рефрактометры – наиболее компактные и простые в эксплуатации устройства. Они не содержат электронных схем и элементов питания, могут использоваться как на производстве, так и в домашних условиях. Благодаря точности, удобству и приемлемой цене ручные приборы приобрели широкую популярность.

Калибровка и подготовка рефрактометра к использованию

           Перед использованием рефрактометра его необходимо откалибровать. Некоторые модели требуют для этого специальную жидкость, однако основная масса может быть откалибрована с помощью дистиллированной воды.

Сферы применения рефрактометра

Рефрактометры широко применяются в различных отраслях промышленности для определения концентрации веществ в каких-либо средах. Например, в химической сфере эти приборы используются для измерения содержания в растворах кислот, солей металлов, спиртов, гликолей, аминов, фунгицидов и пр. Ими же контролируют степень полимеризации синтетических смол и пластмасс. На предприятиях, производящих текстиль, рефрактометры применяются для определения концентрации прядильных растворов, растворов капролактама, поликарбонатов.В пищевой промышленности ими измеряют сахаристость и качество безалкогольных напитков, крепость и плотность алкогольной продукции, с их помощью анализируют состав соусов, сиропов, джемов, детского питания, молочных продуктов. В газовой и нефтяной промышленности рефрактометры используются для определения концентрации водной смеси моноэтиленгликоля в природном газе, анализа состав масел, смазок и охлаждающих жидкостей. На предприятиях, производящих канцелярские изделия, рефрактометрами измеряется концентрация крахмалов и других сухих веществ в клеящих составах.

           В фармацевтике эти приборы применяются при изготовлении витамина С – для определения концентрации аскорбиновой и цетогулоновой кислот. Им же контролируется чистота синтезированных веществ, а также качество лекарственных препаратов. Газовые интерференционные рефрактометры используются для анализа состава воздуха с целью обнаружения возможных утечек горючих газов. Для качественного анализа СОЖ этим прибором достаточно 2-3 капель эмульсии. Простая калибровка призмы и окуляра обеспечивают точность и воспроизводимость измерений. Благодаря автоматической компенсации температуры в диапазоне 10…30 °C корректировать полученные значения не потребуется. Скрытый калибровочный винт препятствует непреднамеренной регулировке рефрактометра во время его использования. Двойное соединение на пластине дневного света гарантирует точность ее установки.

Правила пользования рефрактометром

           Качество измерений зависит от правильной и аккуратной калибровки прибора. Разница температур окружающей среды и образца негативно влияют на точность показаний, поэтому перед их снятием необходимо подождать около 30 секунд, как это описано выше. Температура воздуха при калибровке в идеале должна составлять около +20° C. Однако, если устройство оснащено системой ATC, любая температура будет компенсирована. Рефрактометр нельзя опускать в воду, так как попадание большого количества жидкости внутрь прибора может привести к затуманиванию шкалы. Не следует измерять жесткие, абразивные и коррозионно-активные вещества (химикаты и т.п.), так как они могут повредить покрытие призмы. Очищать инструмент необходимо мягкой тканью после каждого использования. Загрязнения на призме могут привести к ошибкам при измерениях. Как и любой другой оптический прибор, рефрактометр требует осторожного обращения и хранения – только в таком случае он будет исправно работать много лет.

Используемая литература:

https://modul-ves.ru/stati/analizatory-vlazhnosti-i-vlagomery/

https://atf.ru/articles/obzory/refraktometr-ustroystvo-naznachenie-sfery-primeneniya/