CC BY
24
ОСОБЕННОСТИ ГРАДУИРОВАНИЯ ПОТОЧНЫХ ИК-ВЛАГОМЕРОВ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ВЛАЖНОСТИ ТВЕРДЫХ ВЕЩЕСТВ
С. В. Медведевских, М. Ю. Медведевских, Л. К. Неудачина, Е. П. Собина
В работе рассматривается современное состояние регулирования технологических процессов по показателю влажности. Проведены систематические исследования методом многофакторного дисперсионного анализа неинформативныгх факторов, влияющих на резулътатыг измерений влажности различныгх твердыгх веществ с помощъю поточныгх ИК-влагомеров.
Развитие современного производства различных твердых и сыпучих материалов во многом связано с автоматизацией соответствующих технологических процессов или их отдельных участков. Контроль влажности твердых веществ в технологическом потоке не является исключением. Для решения данной задачи все чаще применяется метод ИК-спектроскопии, который реализован в поточных ИК-влагомерах (ПИКВ). Однако на результаты измерений влажности с помощью ПИКВ могут влиять большое количество факторов [1—4].
В лабораторных условиях неинформативные факторы фиксируют, что позволяет проводить количественный химический анализ без их учета. Например, в аналитической практике анализ проводится на пробах, кондиционированных в лабораторных условиях, так что их температура меняется менее чем на ±5 °С. При этом в методиках [5] указывается, что колебания более чем на ±5 оС приводят к заметным отклонениям результатов измерений. При проведении пробоподготовки используется одинаковое измельчающее устройство,
с одинаковым временем размола, массой навески и т. д. В некоторых случаях для анализа выделяется выбранная фракция. Пробу в кювету для измерений насыпают всегда одинаково (свободная засыпка и удаление избытка пробы) для получения одинакового рельефа поверхности [5].
В технологическом потоке при измерениях влажности влияющие факторы меняются случайным образом, кроме того, часть из них не контролируется. Разработчики поточных ИК-влаго-меров используют двухволновой метод, считая, что можно устранить влияние различных неинформативных факторов. Однако в работе [6] нами показано, что даже в случае двухволново-го метода не удается полностью исключить влияние степени дисперсности материала.
В настоящей работе проведено исследование влияния различных факторов на результаты измерений влажности твердых веществ на основе многофакторного дисперсионного анализа.
Экспериментальные исследования выполняли на нескольких моделях ПИКВ, в том
числе на поточных ИК-влагомерах серии МСТ (МСТ 101, МСТ 300, МСТ 360) фирмы «Process Sensors» (США). Влажность подготовленных проб определяли стандартизованными методами воздушно-тепловой сушки.
Следует отметить, что традиционно для измерений влажности используют в качестве аналитической длину волны 1,94 мкм, а в качестве эталонной 1,80 мкм. Исследования по применению в качестве аналитических длин волн, полосы поглощения молекулами воды в области 1,94 и 1,42 мкм, а в качестве эталон-
ных длин волн 1,23, 1,60, 1,82, 2,10 и 2,20 мкм, показали, что в некоторых случаях выбор длин волн позволяет увеличить чувствительность влагомера более чем в 1,5 раза.
Оценивали влияние на результаты измерений влажности с помощью ПИКВ следующих факторов: гранулометрический состав пробы, плотность, температура, расстояние между оптическим блоком и анализируемым продуктом, рельефа поверхности, непостоянство химического состава и цвета вещества (табл.).
Таблица
Наименование исследуемого вещества Диапазон измеряемой влажности, % Оценки дополнительных погрешностей, обусловленных колебаниями влияющих факторов
Расстояние между оптическим блоком и исследуемым веществом Д„, % Гранулометрический состав Д„, % Температура исследуемого вещества Дт, % Насыпная плотность Д, %
КС1 и N80! 0-1 0,02 0,25 0,10 не оказывает
1-6 0,10 0,41 не оказывает значимого
значимого влияния
6-10 0,15 0,53 влияния
Синтетические 3-8 0,12 0,48 не иссле-
моющие средства довали
N^N03 0-1 0,05 0,13 не исследовали
Измельченный 15-30 0,15 0,50 не иссле- 0,40
кокс, называемый довали
в производстве
«коксик»
Агломерационная 3-10 не оказывает 0,60 не оказывает не иссле-
шихта значимого значимого довали
влияния влияния
Табачная жилка 8-16 0,20 0,30 не иссле- не оказывает
20-45 0,25 0,50 довали значимого
влияния
Пропанты 6-12 0,18 не оказывает не оказывает
значимого значимого
влияния влияния
Влияние цвета вещества обнаружено при определении влажности белого и розового хлорида калия, различных способов производства. Обнаружено, что при переходе от белого хлорида калия к розовому хлориду калия, необходимо использовать индивидуальные градуиро-вочные характеристики (ГХ) ПИКВ. Существенное влияние на результаты измерений влажности ПИКВ рельефа поверхности обнаружено лишь для хлоридов калия и натрия. Согласно технической документации на ПИКВ, расстояние между оптическим блоком и анализируемым продуктом может варьироваться в диапазоне 250 ±100 мм. Поэтому в проведенных исследованиях расстояние между оптичес-
ким блоком и анализируемым веществом варьировали в диапазоне от 150 до 350 мм. Температуру исследуемого вещества и гранулометрический состав исследуемых проб варьировали исходя из реально возможных колебаний в технологическом потоке. Поскольку в технологическом потоке возможно некоторое уплотнение материала в процессе транспортировки вещества по конвейеру, то проводили исследования незначительного уплотнения проб. Для этого в кювету свободно засыпали исследуемое вещество и проводили измерения влажности на ПИКВ, а затем добавляли еще примерно 10— 20 % вещества по массе от исходного количества, уплотняли и вновь проводили измерения.
Рис.1. Вид установки ПИКВ МСТ 300 фирмы «Process Sensors» (США) для контроля влажности хлорида калия в технологическом потоке
Анализ результатов (см. табл.) показывает, что часть влияющих факторов, которые согласно технической документации на ПИКВ не оказывают существенного влияния, на самом деле оказываются значимыми. В реальных условиях эксплуатации ПИКВ большинство влияющих факторов меняются случайным образом и не контролируются, что затрудняет использование при построении ГХ ПИКВ метода множественной регрессии. В этом случае ГХ ПИКВ, устойчивую к коле-
баниям влияющих факторов, можно получить в лабораторных условиях на основе статистической обработки результатов измерений влажности на ПИКВ, полученных по специально разработанному плану экспериментов для каждого вещества и технологического потока его производства. Экспериментальные данные, полученные на ПИКВ с применением данного подхода в технологическом потоке хлорида калия (рис. 1), представлены на (рис. 2).
10
4
J ш ш ш
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
■ ГОСТ 20851.4 8,28 7,58 8,08 8,29 7,20 6,60 6,81 6,79 6,59 6,70 6,44 6,55 6,40 7,25 6,65
■ МСТ300 8,01 7,86 7,66 8,32 7,20 6,50 6,46 6,62 6,51 6,47 6,45 6,52 6,40 7,35 6,70
Д, % -0,27 0,28 -0,42 0,03 0,00 -0,10 -0,35 -0,17 -0,08 -0,23 0,01 -0,03 0,00 0,10 0,05
Рис. 2. Диаграмма результатов измерений влажности хлорида калия на ПИКВ МСТ 300 и стандартным методом воздушно-тепловой сушки по ГОСТ 20851.4
Расхождения между результатами, полученными с использованием стандартного метода воздушно-тепловой сушки по ГОСТ 20851.4 [7] и ПИКВ МСТ 300, не превышали 0,42% (см. рис. 2). Проверка гипотезы по ¿-критерию показала, что расхождения результатов измерений, полученных на ПИКВ МСТ 300 и по ГОСТ 20851.4, незначимы. Предел допускаемой погрешности результатов измерений влажности с помощью ПИКВ составил 0,75 % в диапазоне 6—10 %, который оценивали согласно [8] с использованием методики сравнения. При этом
принималось во внимание, что погрешность результатов измерений влажности на ПИКВ МСТ 300, складывается из погрешности стандартизованного метода сушки ГОСТ 20851.4, дополнительной погрешности, обусловленной возможными колебаниями влияющих факторов, а также случайной составляющей погрешности результатов измерений.
Достаточная общность предлагаемого подхода позволяет надеяться на его применимость для других веществ и материалов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Медведевских С. В., Неудачина Л. К., Собина Е. П. / Тезисы докладов III Российской научной конференции «Проблемы теоретической и экспериментальной аналитической химии». — Пермь: ПермГУ, 2004. С. 171.
2. Берлинер М. А. Измерения влажности. — М.: Энергия, 1973. — 400 с.
3. Авраменко В. Н., Есельсон М. П. Спектральный анализ. — М.: Пищевая промышленность, 1979. — 182 с.
4. Корсунский М. Д., Векслер А. К. Влагомеры для древесной стружки. —М.: Лесная промышленность, 1987. — 88 с.
5. Крищенко В. П. Ближняя инфракрасная спектроскопия / Научно-методический центр по инфракрасной спектроскопии. — М., 1997. — 638 с.
6. Медведевских С. В., Медведевских М. Ю., Неудачина Л. К., Собина Е. П. Влияние размера частиц полидисперсных веществ на определение влажности методом ИК-спектроскопии. // Заводская лаборатория. 2006. № 9. С. 20—24.
7. ГОСТ 20851.4—75. Удобрения минеральные. Методы определения воды.
8. РМГ 61—2003 ГСИ. Показатели точности, правильности, прецизионности методик количественного химического анализа. Методы оценки.
Авторы
МЕДВЕДЕВСКИХ Сергей Викторович
Заместитель директора по научной работе Уральского научно-исследовательского института метрологии, кандидат технических наук.
Направления деятельности: термогравиметрический анализ; метрологическое обеспечение влагометрии твердых веществ и материалов. Автор более 50 опубликованных работ.
Адрес:
620219, г. Екатеринбург, ул. Красноармейская, 4 Телефон: (343) 350-60-63
МЕДВЕДЕВСКИХ Мария Юрьевна
Заместитель заведующего лабораторией метрологического обеспечения сертификационных испытаний веществ и материалов Уральского научно-исследовательского института метрологии.
Направления деятельности: термогравиметрический анализ, метрологическое обеспечение влагометрии твердых веществ и материалов, вопросы измерений массы и объема. Автор 15 печатных работ, более 100 нормативных документов в системе обеспечения единства измерений.
Адрес:
620219, г. Екатеринбург, ул. Красноармейская, 4 Телефон: (343) 350-60-63
НЕУДАЧИНА Людмила Константиновна
Зав. кафедрой аналитической химии Уральского государственного университета, профессор, кандидат химических наук. Направления деятельности: комплексооб-разование ионов различных элементов с органическими и неорганическими лиганда-ми и применение его в аналитических целях. Автор 80 научных публикаций, в том числе 2 авторских свидетельств и 2 патентов РФ, и 6 методических указаний для студентов химического факультета УрГУ.
Адрес:
620142, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 48 Телефон: (343) 261-75-53 E-mail:
Ludmila.Neudachina@usu.ru
СОБИНА Егор Павлович
Аспирант химического факультета Уральского государственного университета. Направления деятельности: спектральные методы анализа; физико-химические методы определения влажности твердых веществ. Автор 12 научных публикаций.
Адрес:
620142, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 48 Телефон: (343) 350-60-63 E-mail:
metrology@somet.ru
