c = 2 12GHz mikrovlnná technologie je v této oblasti nejvíce f

Transkript

1 MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE - od kapacitních metod e liší především aplikovanou frekvencí elektrického zdroje - mikrovlny zahrnují ve pektru elektromagnetických vln oblat o frekvenci 1GHz 100GHz (vlnová délka v rozahu dm a mm) - pro měření vlhkoti e používají mikrovlny v rozahu λ GHz mikrovlnná technologie je v této oblati nejvíce vyvinutá, přičemž většina mikrovlnných zařízení (antény, vyílače, generátory, radary apod.) pracuje právě v této frekvenční oblati - princip měření vlhkoti je opět založen na tanovení změny relativní permitivity, neboť mikrovlnné metody patří také mezi dielektrické - měření je prováděno nejčatěji pomocí vlnovodů, vlnovodových rezonátorů případně jou měření realizována přímo ve volném protoru c = 2 12GHz mikrovlnná technologie je v této oblati nejvíce f

2 MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI II KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE -měření pomocí vlnovodů čát vlnovodu je zaplněna dielektrikem (měřený materiál), které způobí změnu rychloti šíření elektromagnetického vlnění vlna je odraženo rozhraním vzduch X dielektrikum a rozhraním dielektrikum X kov (vlnovodič) -díkyzměně rychloti je možné identifikovat fázový poun vlny, ze kterého je možné tanovit relativní permitivitu materiálu -rozměr vzorku muí odpovídat rozměrům vlny - mezi mikrovlnné metody patří také metoda TDR Time Domain Reflectometry Method - zařízení pracující na principu TDR vyílá elektromagnetické puly a náledně měří amplitudu odražených vln v čaovém intervalu mezi vyláním pulu adetekcíjeho odrazu - TDR zařízení e kládá ze čtyř hlavních komponent: pulní TDR zařízení e kládá ze čtyř hlavních komponent: pulní generátor, koaxiální kabel, vzorkovač, ocikokop

3

4

5 MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI V - ča a tedy i rychlot šíření pulu závií na relativní permitivitě porézního materiálu, která může být popána vztahem ct p = 2L 2 je relativní permitivita porézního materiálu, c rychlot větla ve vakuu (3e 08 m/), t p ča průchodu pulu čidly ond měřený TDR zařízením a L je délka čidla ondy vložené do měřeného porézního materiálu Materiál Relativní permitivita Vd Vzduch 1 Voda 80 při 20ºC Led 3 při -5ºC Čedič 12 Žula 7-9 Píkovec 9-11

6 uchý porézní materiál vodou čátečně naycený porézní materiál TDR topa pro vodu TDR reflektogramy závilé na obahu vody.

7 MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI VII - měření pomocí TDR tři základní kroky: kalibrace ond, úprava vzorku a oazení enzorů, vyhodnocení dat a výpočet vlhkoti - pro kalibraci e nejčatěji používá znaloti permitivity vody a další látek, např. benzenu - ze změřeného čaového intervalu t a známé relativní permitivity vody w a benzenu b lze délky l p jednotlivých enzorů určeny dle náledujících vztahů w b = = c 2l 2 c l p p ( t ( t b w t t ref ref ) ) l t p ref = c = 2 w t b t t w w t b w b - na základě teorie elektromagnetimu a zanedbáním imaginární čáti komplexní relativní permitivity zíkáme z měření TDR hodnotu tzv. zjevné relativní permitivity a vyjádřené vztahem a c = 2 l p ( t t ) probe ref b b w

8 MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI VIII Stanovení obahu vlhkoti z naměřených hodnot permitivity: 1. Empirická kalibrace pro jednotlivé měřené materiály 2. Aplikace empirických vztahů pro jednotlivé tetované materiály 3. Aplikace homogenizačních či měšovacích modelů odvozených na základě teorie efektivního media Empirická kalibrace: - měření kalibračních křivek (závilot permitivity na obahu vlhkoti) pro měřený materiál Praktický příklad: Materiál na bázi kalcium ilikátu: objemová hmotnot 230 kg/m 3, celková otevřená pórovitot 87%, tepelná vodivot W/mK, faktor difúzního odporu 2.6 (-) z chemického hledika e jedná o Ca 2 SiO 4

9 MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI IX Praktický příklad empirické kalibrace: proměření použity vzorky o rozměru 40/40/100 mm -vzorky navlhčeny a ponechány v uzavřené parotěné nádobě pro utálení vlhkoti - kontinuální měření permitivity materiálu až do utálení její hodnoty gravimetrické tanovení obahu vlhkoti Relativ ve permittivit ty [-] y = x x R 2 = ditilled water 0.1 M NaCl 0,01 M NaCl Moiture content [kg/kg]

10 MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI X 2. Aplikace empirických vztahů Toppův vztah θ = θ je objemový podíl vody ve zkoumaném porézním materiálu [m 3 /m 3 ]a je relativní permitivita, počítaná na základě měření TDR Malického vztah θ = 0,5 2 ( ρ 0.159ρ ) ρ - platnot výše uvedených vztahů je limitována pouze pro pecifické kupiny materiálů původně odvozeny pro aplikaci v půdních vědách

11 MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI XI 2. Aplikace empirických vztahů praktický příklad í permitivita є [-] relativní 18,00 16,00 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 - pórobeton polké firmy PPH FAELBED a.. - experimentální upořádání jak v předchozím experimentu - oazení enzorů do vyvrtaných paralelních otvorů pro hroty ond horní čát enzorů utěněna ilikonovým tmelem y = x x x x ,8x 2-55,393x + 1,1732 R 2 = 0,9975 Celková otevřená pórovitot [m 3 /m 3 ] 0.77 Objemová hmotnot [kg/m 3 ] 480 Hutota matrice [kg/m 3 ] 2060 Naycený obah vlhkoti [kg/m 3 ] 768 2,00 0,00 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 objemový obah vlhkoti w [m 3 /m 3 ]

12 MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI XII 30,0000 mitivita є [-] relativní per 25,00 20,00 15,00 10,00 Wiener - ériový model Wiener - paralelní model model Toppa model Malického Naměřená data 5, ,00 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 objemový obah vlhkoti w [m 3 /m 3 ] Závilot relativní permitivity na vlhkoti tanovená empirickými konverzními funkcemi Toppa a Malického.

13 MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI XIII 3. Aplikace dielektrických měšovacích modelů teorie homogenizace, praktický příklad při analýze vlhkoti pórobetonu - ve mylu homogenizační teorie můžeme porézní materiál obecně považovat za mě tří fází- pevné, kapalné a plynné (čtvrtá fáze vázaná voda) -vpřípadě pórobetonu je pevná fáze tvořena jemně mletým křemenným píkem, páleným vápnem, cementem a hliníkovým práškem - kapalná fáze je reprezentována vodou a plynná fáze vzduchem -vpřípadě, že materiál je uchý, uvažujeme jeho trukturu pouze jako mě pevné a plynné fáze - objemová frakce vzduchu, který vyplňuje póry uchého materiálu, je definována jeho celkovou otevřenou pórovitotí -při pronikání vody do materiálu dojde poté k čátečnému vytlačení vzduchu zpórů ů a k jeho nahrazení vodou - chceme-li tedy počítat relativní permitivitu materiálu, muíme nejprve znát permitivity jednotlivých ložek, které materiál tvoří

14 MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI XIV 3. Aplikace dielektrických měšovacích modelů teorie homogenizace, praktický příklad při analýze vlhkoti pórobetonu - výpočet permitivity matrice pórobetonu na základě naměřené permitivity uchého vzorku materiálu d - hodnota určena pomocí Rayleighova vztahu d d 1 1 = + 1 f a f a a f a f a jou objemové podíly pevné a plynné fáze v materiálu a a relativní permitivita vzduchu (1.0)

15 MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI XV Dielektrické měšovací modely: 4-fázový α model navržený Dobonem uvažování vlivu vázané vody θ = α θ bw ( α bw α fw α fw ) (1 ψ ) α a α ψ - je hodnota relativní permitivity materiálu naměřená metodou TDR - θ objemový obah vlhkoti [m 3 /m 3 ] - θ bw množtví vázané vody na těny porézního protoru - bw relativní permitivita vázané vody (3.1) - fw relativní permitivita volné vody (79 při 20 C) - a relativní permitivita vzduchu - ψ celková otevřená pórovitot (0.77 m 3 /m 3 ) tanovená pomocí vakuové naákavoti - α je empirický i parametr α a

16 MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI XVI 30,00 relativní perm mitivita є [-] 25,00 20,00 15,00 10,00 Naměřená data Wiener - ériový model Wiener - paralelní model Dobonův model w=0,01 β=0,6 Dobonův model w=0,039 β=0,65 Dobonův model w=0,068 β=0,75 5,00 0,00 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 objemový obah vlhkoti w [m 3 /m 3 ] Závilot relativní permitivity na vlhkoti tanovená Dobonovým 4-fázovým Závilot relativní permitivity na vlhkoti tanovená Dobonovým 4-fázovým α modelem

17 MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI XVII Dielektrické měšovací modely: -měšovací model Mawella-de Loora -měšovací model Mawella-de Loora = ) ( 2 ) ( 2 ) ( 3 a fw bw bw ψ θ θ 1) ( ) ( a bw fw bw ψ θ + ) 2( ) ( fw a a fw ) 2( ) ( fw a a fw + -Směšovací model Boettchera = + w w w a a a f f f

18 MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI XVIII 30,00 relativní pe rmitivita є [-] 25,00 20,00 15,00 10,00 Naměřená data Wiener - ériový model Wiener - paralelní model Maxwell w=0,0468 Maxwell w=0,0511 Maxwell w=0, ,00 0,00 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 objemový obah vlhkoti w [m 3 /m 3 ] 3 / 3 ] Závilot relativní permitivity na vlhkoti vypočtená modelem Maxwella-de Loora

19 MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI XIX 30,00 relativní pe ermitivita є [-] 25,00 20,00 15,00 10,00 Naměřená data Boettcherův model Rayleighův model Wiener - ériový model Wiener - paralelní model 500 5,00 0,00 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 objemový obah vlhkoti w [m 3 /m 3 ] Závilot relativní permitivity na vlhkoti vypočtená měšovacími vztahy Boettchera a Rayleigha

20 MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI XX Dielektrické měšovací modely: - měšovací modely Brugemannova typu navržené Polderem a van Santenem = + f j ( j ) j férické upořádání ložek materiálu = + f j ( j 5 + j ) j jehlicovité upořádání = + f ( λ λ ) j j M 2 + j 3 j plošné (dekovité) upořádání ložek

21 MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI XXI 30,00 relativní pe ermitivita є [-] 25,00 20,00 15,00 10,00 Naměřená data Wiener - ériový model Wiener - paralelní model Polder - koule model Polder - deky model Polder - jehly model 500 5,00 0,00 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 objemový obah vlhkoti w [m 3 /m 3 ] 3 / 3 ] Závilot relativní permitivity na vlhkoti vypočtená měšovacími vztahy Poldera a van Santena.

22 MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI XXII Dielektrické měšovací modely: - Lichteneckerův model k k k k f 1 + f2 2 + f3 3 = 1 - parametr k nabývá hodnot v intervalu [-1,1] - extrémní hodnoty parametru k tedy reprezentují Wienerovy meze - parametr k tedy popiuje přechod od anizotropie při k = -1.0 k anizotropii při k = výše uvedená rovnice je konzitentní celou řadou dalších aproximací, například Looyenga zavádí ve vých výpočtech funkce efektivní permitivity k = 1/3

23 MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI XXIII 30,00 relativní per mitivita є [-] 25,00 20,00 15,00 10,00 Wiener - ériový model Wiener - paralelní model Loyenga model Naměřená data Lichteneckerova rovnice k=0,6 5,00 0, , , , , , , , , ,40 objemový obah vlhkoti w [m 3 /m 3 ] Závilot relativní permitivity na vlhkoti vypočtená měšovacími vztahy Poldera a van Santena.

24 MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI XXIV Využití metody TDR pro měření obahu olí - kombinované enzory TDR umožňují nejen měření relativní permitivity materiálu, ale zároveň umožňují i měření jeho elektrické vodivoti - elektrická vodivot udává velikot elektrického proudu procházejícího vodičem při jednotkovém napětí na koncích vodiče - jednotkou je iemen S = m -2 kg -1 3 A 2 - σ konduktivita látky S/m - S obah průřezu vodiče, l délka vodiče Meaured quantity Meauring range Accuracy Abolute error: Relative permittivity 2 90 ± 1 for 2 6 ± 2 for 6 Electrical conductivity σ 0 1 S/m Relative error: ± 5% Temperature T C Abolute error: max. ± 2 G = I U S = σ l

25 MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI XXV Využití metody TDR pro měření obahu olí praktický příklad - měření vlhkotních profilů a profilů koncentrace olí v kalcium ilikátu při penetraci 1M vodného roztoku NaCl - kalibrace pomocí gravimetrické metody a iontově elektivních elektrod

26 MIKROVLNNÉ METODY MĚŘENÍ VLHKOSTI XXVI

27 RADIOMETRICKÉ METODY KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE - metody založené na aborpci radioaktivního záření v materiálu - nejčatěji e využívá aborpce rychlých neutronů či aborpce γ záření Neutronová metoda: - využívá zpomalení rychlých neutronů v důledku jejich interakce atomovými jádry malou atomovou hmotnotí -ztráta energie neutronů v důledku kolize atomovými jádry závií na hmotnoti atomového jádra k největší ztrátě energie dochází při kolize neutronů čáticemi o tejné hmotnoti -v případě kolize jádry o vyoké atomové hmotnoti ti dochází ke nížení í ztráty energie neutronů, neboť v podtatě dochází k odražení neutronů od těchto velkých jader -průměrný ů ě počet č kolizí nezbytných k pokleu energie rychlých h neutronů ů (typicky 9 MeV) na úroveň tepelné energie (cca ev) je pro vodík 18, 114 pro uhlík, 150 pro kylík apod. (pozn. 1eV = cca 1.602x10-9 J energie, kterou zíká el. proběhnutím el. pole potenciálem jednoho voltu)

28 RADIOMETRICKÉ METODY II Dělení neutronů dle energie: - chladné neutrony <0,002 ev - tepelné neutrony 0,002 0,5 ev - rezonanční neutrony 0, ev - neutrony tředních energií 1 kev 500 kev - rychlé neutrony 500 kev 10 MeV - neutrony vyokými energiemi 10 MeV 50 MeV -neutrony velmi vyokými energiemi >50 MeV KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE V běžných anorganických materiálech je hlavním komponentem obahujícím vodík voda z tohoto důvodu voda přítomná v materiálu významně ovlivňuje aborpci rychlých neutronů a proto na základě měření jejich zpomalení můžeme množtví vody tanovit.

29 RADIOMETRICKÉ METODY III KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE - klaické experimentální upořádání cylindricky ymetrické - do měřeného materiálu je vyvrtán kruhový otvor, do kterého je oazen zdroj rychlých neutronů - neutrony jou paprkovitě emitovány a v důledku rážek okolními jádry výrazně ztrácejí vou kinetickou energii - zpomalené neutrony vytvoří kolem zdroje záření kruhový mrak, přičemž poloměr tohoto mraku závií na obahu vlhkoti ve vzorku - vyoký obah vlhkoti vede k rychlejšímu zpomalení neutronů a poloměr je menší při vyšší hutotě tě neutronů ů -při nízkém obahu vlhkoti je poloměr mraku neutronů větší, ale koncentrace neutronů je v něm menší Pro vlhkot platí náledující vztah r a = w 1/3 kde w je obah vlhkoti, a empirická kontanta a r poloměr hluku zpomalených elektronů

30 RADIOMETRICKÉ METODY IV KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE - zdrojem neutronů je obvykle mě některých izotopů emitujících α čátice a berylium, přičemž neutrony jou uvolněny dle náledující rovnice α Be n+ C 5. 65MeV - jako zdroj α čátic může být využito například 226 Ra, 241 Am, 239 Pu, 210 Po Ra Rn+ 4 2 He + ΔE -nejvíce výhodnou je mě ě Am-Be, která pokytuje dotatečné t č množtví neutronů a zároveň druhotné γ záření je zanedbatelné ochrana zdraví při práci -pro detekci zpomalených neutronů ů e používají bórové počítače č jetliže zpomalený neutron přijde do kontaktu jádrem bóru 10 B je pohlcen a α čátice je vyzářena a detekována počítačem - nutné opět vytvořit kalibrační křivku například pomocí gravimetrické metody

31 INFRAČERVENÁ SPEKTROSKOPIE I KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE -pro měření je použito reflexe infračerveného záření od povrchu měřeného materiálu - amplituda odražené energie je závilá na obahu vlhkoti v materiálu, přičemž tato závilot je nejvíce patrná pro záření o vlnových délkách 1.4μm a 1.9μm - při tanovení obahu vlhkoti pomocí infračervené pektrokopie muí být vyloučeny všechny otatní vlivy, které ovlivňují reflexi infračerveného záření, jako například hrubot povrchu měřeného vzorku - hlavní uplatnění ě infračervené č pektrokopie k je v oblati vlhkotí do 10% - v této oblati jou chyby měření relativně malé - pro aplikaci je opět nutné vytvořit kalibrační křivku pro jednotlivé tetované t materiály - hlavní nevýhodou této metody je, že louží pouze pro tanovení povrchové vlhkoti a ne průměrné vlhkoti měřeného vzorku

32 CHEMICKÉ METODY - chemické metody měření vlhkoti jou založeny na chemické reakci vody obažené v porézním materiálu chemickým činidlem - chemické činidlo muí mít náledující vlatnoti: jeho reakce vodou muí být dotatečně rychlá z chemické reakčního produktu muí být možné kvantifikovat obah vlhkoti chemická reakce činidla a vody muí být charakteritická jenom pro vodu ukončení vyvolané chemické reakce muí být nadno detekovatelné Ficherova metoda -měření vzorek je nejprve rozemlet a poté míchán metanolem a titrován roztokem obahujícím í jód, oxid iřičitý, pyridin a metanol H 3 C H NHI + C H NSO 2O + I 2 + SO2 + C5H5N C 5H5NSO3 + CH 3OH C5H5NHSO4CH 3

33 CHEMICKÉ METODY II - z rovnic je patrné, že 1 mol jódu, 1 mol oxidu iřičitého a 3 moly metanolu jou potřebovány jedním molem vody - během měření je vzorek umítěn do titrační nádoby obahem metanolu cm 3 - potupně je přidáváno Ficherovo činidlo až do doažení bodu ekvivalence tzn. do doby, dokud nezreaguje veškerá voda ve vzorku - na základě objemu činidla, které je nezbytné ke zreagování obažené vody, je možné dle předchozích rovnic vypočítat její obah - doažení bodu ekvivalence je identifikováno vizuálně, ě na základě změny ě barvy titrovaného roztoku z původní žluté na hnědo-červenou Zd dalších chemických hmetod e používají nejčatěji metody založené na generování plynů v důledku reakce chemického činidla vodou. obah vlhkoti je pak tanoven na základě měření objemu generovaného plynu či jeho tlaku v uzavřené nádobě nutno etavit kalibrační křivku pro pecifické činidlo x tlak, rep. množtví plynu

34 CHEMICKÉ METODY III - nejčatěji e používá karbid vápníku CaC 2, hydrid vápenatý CaH 2 a LiAlH 4 - z pohledu bezpečnoti e jako nejvhodnější reakční činidlo jeví CaC 2 v důledku jeho reakce vodou vzniká ethyn (acetylen), který v uzavřené nádobě vyvozuje tlak, jehož velikot je závilá na obahu vody v materiálu CaC H 2 O Ca(OH) 2 + C 2 H 2 CaH H 2 O Ca(OH) H 2 LiAlH H 2 O LiOH + Al(OH) H 2 - zbývající dvě reakční činidla generují vodík, jehož reakce kylíkem za normálních atmoferických podmínek předtavuje ř dt závažný žýproblém měření muí být provedeno v atmoféře bez kylíku a generovaný vodík muí být bírán do byrety, kde je provedeno změření jeho objemu

35 ULTRAZVUKOVÉ METODY KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE - rychlot šíření ultrazvuku (mechanické vlnění o frekvenci vyšší než 20 khz) nebo jeho útlum v materiálu závií jednak na amotném měřeném materiálu a jednak na teplotě - závilot obahu vody na rychloti ultrazvuku je pro většinu materiálů nelineární (navíc je ilně ovlivněna teplotou) - měření muí být prováděna v klimatizační komoře, nebo je nutné zavét teplotní kompenzace z tohoto důvodu není tato metoda v praxi čato využívána (aplikace píše pro měření homogenity dekových materiálů) EXTRAKČNÍ METODY - voda je extrahována pomocí organického rozpouštědla -glycerol, l acetone, ethanol - množtví vody ve vzorku je určeno na základě změny hutoty rozpouštědla, jeho permitivity, index lomu, apod. - je nutné zdůraznit že touto metodou není možné tanovit obah celkové vody v materiálu, ale odtraní e pouze voda vázáná do určité hodnoty její vazebné energie (závilé také na použitém extrakčním činidle)