Rakeisten materiaalien optinen kosteuden mittaus
Pentti, Viljo (2025-04-14)
Rakeisten materiaalien optinen kosteuden mittaus
(14.04.2025)
Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
avoin
Julkaisun pysyvä osoite on:
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2025050839163
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2025050839163
Tiivistelmä
Kosteuden epätasainen jakautuminen rakeisissa materiaaleissa vaikuttaa kosteuden mittaamiseen. Optisten kosteusantureiden avulla materiaalien kosteutta on mahdollista mitata kosketuksettomasti eli ei-invasiivisesti. Optinen kosteuden mittaus perustuu materiaalin pinnassa tapahtuvien valon muutosten analysoimiseen. Valonlähteenä optisissa kosteusantureissa käytetään pääsääntöisesti lähi-infrapunavalon aallonpituuksia käyttäviä LED-valoja tai hehkulamppua, jonka valo suodatetaan halutulle aallonpituudelle. Käytetty valon aallonpituus on lähi-infrapunavalon aallonpituusalueella, koska tällä alueella vesi on hyvin herkkä absorboimaan valoa veden molekyylien värähtely- ja pyörimisliikkeiden resonanssin takia.
Tämän tutkielman teoreettisessa osassa käsitellään erilaisia optisia kosteusantureita, niiden toimintaperiaatteita, käyttökohteita sekä antureiden toimintaan vaikuttavia materiaalien ominaisuuksia. Empiirisessä osassa tutkitaan kiviaineksen partikkelikokoa, partikkelikokojakaumaa ja ominaispinta-alaa sekä pyritään selvittämään, miten nämä vaikuttavat optiseen kosteuden mittaamiseen. Kosteuden mittaamiseen käytettiin suomalaisen Teconer Oy:n optista kosteusanturia Water Content Monitor WCM411. Kokeellisessa tutkimuksessa mitattiin kuuden erikokoisen kiviainespartikkelin kosteuden absorptiokehitystä. Tämän jälkeen kiviainespartikkelit sekoitettiin yhdeksi seokseksi betonin valmistuksessa käytettävien standardien mukaisesti ja mitattiin seoksen kosteuden absorptiokehitys. Lisäksi tutkittiin, voidaanko optisen kosteusanturin mittaamaa absorptiokehityskäyrän kulmakerrointa laskea matemaattisesti, kun tiedetään yksittäisten partikkelikokojen absorptiokehityksen kulmakertoimet sekä niiden massaosuudet seoksessa. Viimeiseksi tutkittiin, esiintyykö suurien kiviainespartikkeleiden pinnalla hiekkapölyä ja miten kiviainespartikkeleiden sekä hiekkapölyn massat ja ominaispinta-alat eroavat suhteessa toisiinsa.
Tulosten perusteella voidaan todeta, että materiaalin partikkelikoko, partikkelikokojakauma ja partikkeleiden ominaispinta-ala vaikuttavat optiseen kosteuden mittaamiseen. Suurilla partikkeleilla anturin vaste reagoi kosteuden muutoksiin nopeammin kuin pienemmillä partikkeleilla, koska isoilla partikkeleilla ominaispinta-ala ja kosteuden absorptio on pienempi. Partikkelikokoja sekoitettaessa huomattiin, että absorboituneen kosteuden määrä riippui siitä, kuinka paljon seoksessa oli pinta-alaa, johon kosteuden oli mahdollista absorboitua. Lisäksi huomattiin, että anturin mittaaman absorptiokehityksen kulmakerroin on mahdollista laskea matemaattisesti, kunhan seoksen pinnan epätasaisuus säilytetään eikä seosta varta vasten tasoiteta. Suurissa partikkeleissa hiekkapölyä oli alle 1 % suhteessa niiden massaan, mutta hiekkapölylle laskettu ominaispinta-ala oli jopa 35,6 % suurien partikkeleiden ominaispinta-alasta. Hiekkapölyn ominaispinta-alan määrä voi vaikuttaa kosteuden absorptioon, jos hiekkapölyä esiintyy merkittävästi suurten partikkeleiden pinnassa. Tutkielman tulokset tarjoavat tietoa siitä, miten materiaalien partikkelikoko, partikkelikokojakauma ja partikkeleiden ominaispinta-ala vaikuttavat optisen kosteusanturin toimintaan. Havainnot ovat hyödyllisiä esimerkiksi betoniteollisuudessa, jossa tarkka kosteudenhallinta vaikuttaa valmistetun betonin laatuun. Lisäksi tuloksia voidaan hyödyntää optisten kosteusantureiden kalibroinnin kehittämisessä eri materiaaleille ja antureiden asennuksessa siten, että mittaustarkkuus saadaan optimoitua eri toimintaympäristöille sopivaksi.
Tämän tutkielman teoreettisessa osassa käsitellään erilaisia optisia kosteusantureita, niiden toimintaperiaatteita, käyttökohteita sekä antureiden toimintaan vaikuttavia materiaalien ominaisuuksia. Empiirisessä osassa tutkitaan kiviaineksen partikkelikokoa, partikkelikokojakaumaa ja ominaispinta-alaa sekä pyritään selvittämään, miten nämä vaikuttavat optiseen kosteuden mittaamiseen. Kosteuden mittaamiseen käytettiin suomalaisen Teconer Oy:n optista kosteusanturia Water Content Monitor WCM411. Kokeellisessa tutkimuksessa mitattiin kuuden erikokoisen kiviainespartikkelin kosteuden absorptiokehitystä. Tämän jälkeen kiviainespartikkelit sekoitettiin yhdeksi seokseksi betonin valmistuksessa käytettävien standardien mukaisesti ja mitattiin seoksen kosteuden absorptiokehitys. Lisäksi tutkittiin, voidaanko optisen kosteusanturin mittaamaa absorptiokehityskäyrän kulmakerrointa laskea matemaattisesti, kun tiedetään yksittäisten partikkelikokojen absorptiokehityksen kulmakertoimet sekä niiden massaosuudet seoksessa. Viimeiseksi tutkittiin, esiintyykö suurien kiviainespartikkeleiden pinnalla hiekkapölyä ja miten kiviainespartikkeleiden sekä hiekkapölyn massat ja ominaispinta-alat eroavat suhteessa toisiinsa.
Tulosten perusteella voidaan todeta, että materiaalin partikkelikoko, partikkelikokojakauma ja partikkeleiden ominaispinta-ala vaikuttavat optiseen kosteuden mittaamiseen. Suurilla partikkeleilla anturin vaste reagoi kosteuden muutoksiin nopeammin kuin pienemmillä partikkeleilla, koska isoilla partikkeleilla ominaispinta-ala ja kosteuden absorptio on pienempi. Partikkelikokoja sekoitettaessa huomattiin, että absorboituneen kosteuden määrä riippui siitä, kuinka paljon seoksessa oli pinta-alaa, johon kosteuden oli mahdollista absorboitua. Lisäksi huomattiin, että anturin mittaaman absorptiokehityksen kulmakerroin on mahdollista laskea matemaattisesti, kunhan seoksen pinnan epätasaisuus säilytetään eikä seosta varta vasten tasoiteta. Suurissa partikkeleissa hiekkapölyä oli alle 1 % suhteessa niiden massaan, mutta hiekkapölylle laskettu ominaispinta-ala oli jopa 35,6 % suurien partikkeleiden ominaispinta-alasta. Hiekkapölyn ominaispinta-alan määrä voi vaikuttaa kosteuden absorptioon, jos hiekkapölyä esiintyy merkittävästi suurten partikkeleiden pinnassa. Tutkielman tulokset tarjoavat tietoa siitä, miten materiaalien partikkelikoko, partikkelikokojakauma ja partikkeleiden ominaispinta-ala vaikuttavat optisen kosteusanturin toimintaan. Havainnot ovat hyödyllisiä esimerkiksi betoniteollisuudessa, jossa tarkka kosteudenhallinta vaikuttaa valmistetun betonin laatuun. Lisäksi tuloksia voidaan hyödyntää optisten kosteusantureiden kalibroinnin kehittämisessä eri materiaaleille ja antureiden asennuksessa siten, että mittaustarkkuus saadaan optimoitua eri toimintaympäristöille sopivaksi.