5.1.2. Определение влажности на электровлагомерах

Цель работы. Ознакомление с косвенными методами измерения влажно­сти текстильных материалов.

Задание. 1. Изучить принцип действия, устройство электровлагомеров и методику испытания па них.

2. Выполнить измерение влажности проб волокна.

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

Электрические методы относятся к косвенным, потому что прин­цип действия применяемых приборов основан не па непосред­ственном определении содержания воды в материале, а на из­мерении характеристик свойств материала, зависящих от его влажности: диэлектрической проницаемости и электрического сопротивления. Если характер такой зависимости известен, то удобнее шкалу прибора проградуировать не в электрических единицах, а в процентах влажности материала. Преимущество электрических методов измерения влажности заключается в том, что они являются экспрессными.

Полимерные материалы относятся к диэлектрикам. В отли­чие от металлов — проводников электричества диэлектрики не имеют свободных электронов, их электрическая проводимостьносит ионный характер и практически полностью зависит от со­держания в материале воды и электролитов — низкомолекуляр-пых примесей, способных диссоциировать на ионы в присутствии сорбированной материалом воды. Сама полимерная цепь в пе­реносе электрических зарядов не участвует, однако ее химиче­ское строение, а также надмолекулярная структура полимер­ного материала косвенно влияют на подвижность ионов.

Омический метод определения влажности основан на изме­рении проводимости образца материала или обратной величи­ны— его электрического сопротивления. Однако, как сказано выше, на величину электрической проводимости материала, кро­ме влажности, существенно влияют состав и содержание элек­тролитов. Многофакторная зависимость осложняет омический метод и делает его недостаточно надежным, особенно в тех случаях, когда содержание и состав электролитов в партиях материала не стабильны и неизвестны. Кроме того, омический метод очень чувствителен к изменению количества влаги, сор­бированной внешней поверхностью волокнистого материала. Эти и некоторые другие причины ограничивают применение метода, снижают точность и достоверность измерений, чем и объясняется сравнительно малое распространение приборов такого типа.

Электроемкостный метод измерения влажности основан на зависимости диэлектрической проницаемости материала от со­держания в нем воды. Если между обкладками электрического конденсатора, обладающего емкостью Со, поместить вместо воз­духа образец диэлектрика, емкость конденсатора возрастет и станет равной С:

C = εС₀,

где ε — диэлектрическая проницаемость или диэлектрическая постоянная ди­электрика.

ε= С/С₀>1. (5.5)

Эта величина всегда положительна и больше единицы. Только для вакуума она равна единице, а для воздуха может быть практически приравнена к еди­нице, т. е. ε = 1,0006.

Увеличение емкости конденсатора при внесении в него ди­электрика объясняется тем, что под действием внешнего элек­трического поля происходит поляризация диэлектрика, смеще­ние электронного облака атомов и молекул в направлении элек­трического поля, т. е. в сторону положительно заряженной обкладки конденсатора. При этом центры распределения положи­тельных и отрицательных зарядов каждого атома и молекулы смещаются и таким образом в них индуцируется дипольныи мо­мент Р, равный произведению величины смещенного заряда е на величину смещения S: Р = еS.

Дипольный момент пропорционален напряженности электри­ческого поля Е:

P=αE

где α — поляризуемость атомов или молекул, выражающая способность элек­тронного облака смещаться под действием электрического поля.

Способность электронного облака смещаться под действием электрического поля зависит от строения атомов и молекул ди­электрика. Поляризуемость а является молекулярной постоян­ной вещества, его микроскопической характеристикой, а ди­электрическая проницаемость е выражает свойства макроскопи­ческого количества вещества, т. е. свойства образца материала в целом. Связь между этими характеристиками устанавливается формулой Клаузиуса — Мосотти

где N₁ — число молекул в единице объема вещества.

Это уравнение справедливо лишь для веществ, состоящих из неполярных молекул. В диэлектриках, состоящих из полярных молекул, т. е. молекул, имеющих постоянный дипольный мо­мент, возникают не только индуцированный дипольный момент, но и ориентация постоянного диполя в электрическом поле кон­денсатора. В этом случае связь диэлектрической проницаемо­сти е и поляризуемости а полнее описывается формулой

где М — молекулярная масса диэлектрика; γ— плотность диэлектрика; N — число Авогадро; Рo — постоянный дипольный момент; К — постоянная Больц-мана; Т—абсолютная температура.

При поляризации в электрическом поле конденсатора на поверхности диэлектрика, обращенной к положительно заря­женной пластине (обкладке) конденсатора, возникают неком­пенсированные отрицательные заряды, а на поверхности, обра­щенной к отрицательно заряженной пластине конденсатора,— некомпенсированные положительные заряды. Таким образом, в диэлектрике создается дополнительное электрическое поле, на­правленное в сторону, противоположную направлению поля, об­разованного зарядами обкладок конденсатора.

Результативная напряженность поля равна геометрической сумме напряженностей. Следовательно, поляризация диэлектри­ка в поле будет уменьшать напряженность поля конденсатора и увеличивать его емкость. Между напряженностью поля кон­денсатора без прокладки Е₀ и с прокладкой из диэлектрика Е существует простая связь

ε = Ео/Е. (5.6)

Сопоставляя уравнение (5.6) с уравнением (5.5), полу­чаем

C/C_o=E_o/E

Различные вещества в за­висимости от строения их мо­лекул имеют различную ди­электрическую проницаемость. Полимерные материалы в аб­солютно сухом состоянии

имеют диэлектрическую проницаемость ε = 2 ... 5. Максималь­ную диэлектрическую проницаемость имеет вода (ε = 81).

Поглощение воды полимерными материалами увеличивает их поляризуемость в электрическом поле вследствие высокой по­ляризуемости воды, масса которой в материале растет с увели­чением влажности. Таким образом, измерение влажности мате­риала может быть сведено к измерению диэлектрической по­стоянной материала.

Рис. 5.2. Внешний вид электровла­гомера ТЭВ-1

Электроемкостный влагомер ТЭВ-1 (рис. 5.2) имеет датчик-конденсатор, состоящий из двух коаксиальных цилиндрических обкладок 2 и 3, между которыми закладывают испытуемую про­бу волокна. На передней панели прибора установлены шкалы влажности материала 8, миллиамперметр 6 для настройки и контроля прибора, кнопки и рукоятки управления.

Зависимость диэлектрической проницаемости волокна, а сле­довательно, и емкости датчика от влажности волокна имеет не­линейный характер и различна для хлопка и вискозного шта­пельного волокна. Поэтому шкалы влажности волокна имеют нелинейный характер и проградуированы раздельно для каждо­го вида материала.

Подготовка прибора к проведению испытаний производится следующим образом. Присоединив к клемме 1 (см. рис. 5.2) провод заземления, включают вилку шнура прибора в розетку электрической сети с напряжением 220 В. При включении тумб­лера 9 питания прибора загорается сигнальная лампа 12. После прогрева прибора в течение 5—10 мин ручкой 10 измеритель­ного конденсатора устанавливают стрелку 11 на нулевое деле­ние измерительной шкалы. Установив переключатель шкал 4 с указателем 5 вида материала в положение «хлопок», ручкой регулятора сопротивления К следует привести стрелку микроам­перметра 6 в нулевое положение. После этого нажимают кноп­ку К. Если при этом стрелка микроамперметра отклонится от нуля, не отпуская кнопку, поворотом ручки 7 подстроечного кон­денсатора устанавливают стрелку микроамперметра на нуль. Зятем, освободив кнопку /С, следует поставить переключатель 4 в положение «эталон» и вновь нажать кнопку К — при этом стрелка микроамперметра отклонится влево. Вращая ручку 10 измерительного конденсатора, приводят стрелку микроампер­метра в нулевое положение. При этом указатель 11 ручки кон­денсатора должен встать против эталонной метки, обозначен­ной черным кружком на шкале 8, что подтверждает исправность прибора.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИИ РАБОТЫ

На прогретом и проверенном по эталону приборе ручкой 10 (см. рис. 5.2) измерительного конденсатора установить стрелку // па нулевое деление шка­лы влажности. Переключатель 4 поставить в положение «хлопок» или «шта­пель» в зависимости от вида испытуемого материала. Вращая ручку К под-строечного сопротивления, установить стрелку микроамперметра 6 в нулевое положение и нажать кнопку К. Если при этом стрелка микроамперметра 6 отклонится от нуля, то, не опуская кнопки, вращением ручки 7 подстроеч-пого конденсатора вернуть стрелку микроамперметра в нулевое положение, после чего освободить кнопку /С

Проба волокна, отобранная для определения влажности (объединенная проба второго вида), должна .храниться в герметически закрытой таре. Не­посредственно перед испытанием от пробы отделяют три навески по 50 ± ± 0,5 г каждая. Навеску волокна следует равномерно уложить в датчик-кон­денсатор прибора, заполнив его доверху. После этого надо нажать кнопку К •— стрелка микроамперметра при этом отклонится от нуля. Не отпуская кнопку, поворотом ручки 10 измерительного конденсатора следует привести стрелку микроамперметра в нулевое положение, после чего отпустить кнопку К.. Стрелка // покажет влажность навески материала на соответствующей шкале 8. Закончив измерение, необходимо вернуть стрелку // измерительного конденсатора в пулевое положение. Затем, вынув первую и заложив вторую навеску материала, произвести следующий замер.

По результатам замеров влажности трех навесок подсчитывают сред­нюю влажность пробы. Для вискозного штапельного волокна эту среднюю влажность принимают за фактическую влажность материала. Если измере­ние влажности хлопка проводилось при температуре помещения, отличаю­щейся от +17°С, то вносят температурную поправку и фактическую влаж­ность рассчитывают по формуле

Wф = W_п - 0,1 (t - 17).

При многократных измерениях следует периодически после двух-трех за­меров производить проверку нуля прибора (как это было изложено выше) с помощью ручки подстроечпого сопротивления и ручки 7 подстроечного кон­денсатора.

После определения фактической влажности проб Wф рассчитывают кон­диционную массу партии материала т_к по формуле (5.3).

УКАЗАНИЯ ПО ОТЧЕТУ

Отчет должен содержать: схемы и описания приборов; краткое изложение методик измерения; результаты измерения и расчетов.