Mikrohullámú nedvességmérés

Február 27

A korszerû minõségi betongyártás egyik alapkövetelménye – legyen az transzportbeton, földnedves beton térkõgyártáshoz...

Mikrohullámú nedvességmérés, konzisztencia kontroll a betontechnológiában

A korszerû minõségi betongyártás egyik alapkövetelménye – legyen az transzportbeton, földnedves beton térkõgyártáshoz vagy öntömörödõ, illetve nagyszilárdságú beton vasbeton termék elõregyártáshoz – az egyenletes konzisztencia, melyet alapvetõen a beton nedvességtartalmának szabályozásával tarthatunk kézben. A nedvességszabályozás vagy konzisztencia kontrol nemcsak betonminõségi kérdés, mert jelentõs hatással van a betongyártás költségeire, egyúttal a vállalkozás versenyképességére, túlélési esélyeire is.

Fejes István okl. gépészmérnök, ügyvezetõ MaHill ITD Ipari Fejlesztõ Kft. Álovits László okl. villamosmérnök ügyvezetõ, DIANTE Kft.

Nedvességtartalom a betonban 
A korszerű betonok és bedolgozási technológiák egyik meghatározó követelménye az egyenletes konzisztencia. Különösen igaz a fenti állítás az öntömörödő és nagyszilárdságú betonokra, általában a 4. generációs vegyszerekkel készített betonokra és a földnedves, illetve színezett betonok esetére, csakúgy mint a korszerű bedolgozási technológiák közül a blokk- és térkőgyártó gépek, az extruderes és csúszózsalus bedolgozó gépek és a lézervezérelt padlóbeton terítőgépek által igényelt betonkeverékekre.
A konzisztencia változásának egyik legjellemzőbb oka az adalékanyagok (elsősorban a homok) állandó nedvesség tartalom változása két keverék között. Még a leg ideálisabb nak nevezhető torony rendszerű adaléktároló silók - ban is folyamatosan változik a nedvességtartalom az utántöltött anyagból származó víz drénhatása miatt. Az ada lékanyagokkal a betonkeverékbe bevitt változó nedves ségtartalomnak ugyanakkor meghatározó szerepe van a vízcement tényezőre, a beton majdani szilárdságára, illet ve a színzett betonok színárnyalatára. Amíg a korszerű betongyári adagolórendszerekkel szembeni elvárás a ±0,5%-os adagolási pontosság, addig csak az adalékanyagok ned vességtartalmának változása könnyen okozhat ±2,0%-os (vagy akár azt meghaladó) hibát. A megoldás az adalékanyagok nedvességtartalmának megbízható, folyamatos mérése.

Miért fontos a nedvességmérés?
Azokban az üzemekben ahol nincs nedvességmérési le hetőség, a keverőmester gyakorlati tapasztalatára bízzák a betonkeverék konzisztenciájának beállítását. Ez a gyakorlatban abból áll, hogy a keverék megvizsgálása (szemrevételezés, kézi mintavétel stb.) után csupán a recept szerinti vízmennyiséget korrigálják, az adalékanyag mennyiségét nem. Vagyis a keverőmester addig változtatja a hozzáadott vízmennyiséget, míg kellő konzisztenciát nem tapasztal. Könnyen belátható, hogy ez esetben az adalékanyagok közül a leginkább nedvesség- megtartó tulajdonságú 0-4 szemcseméretű anyagot (homok) nem pótolják a benne lévő nedvességtartalom arányában. Arról nem is beszélve, hogy általában csak a nedvszívó tulajdonságú anyagot veszik fi gyelembe, jóllehet a nagyobb szemcseméretű anyag (kavics) is hordoz a felületén nedvességet, különösen a mosott adalékanyag – ez a labormérési tapasztalatok (szárítószekrényes visszamérés) alapján akár a homokban található nedvességérték 10–30%- át is elérheti. Tehát ha nem alkalmazunk nedvességmérést, illetve a korrekciót kizárólag a vízmennyiségnél érvényesítjük, ak kor többszörös hibát követünk el – megváltoztatjuk a szárazanyagok (cement és adalékanyagok), illetve az adalékanyagok szitagörbe szerinti receptben meghatározott ará nyát, valamint ténylegesen kisebb össztömegű betont keverünk le, hiszen a homokból kevesebbet adagolunk. (Például 8%-os homoknedvesség [800 kg/m3] esetén, 6 m3-es betonkiadás - kor közel 400 kg-mal kevesebbet keverünk le, mely megegyezik ½ m3 betonhomok összetevő mennyiségével!)

Nedvességkorrekció
Ha tehát nincs nedvességmérővel felszerelve a betonüzem, akkor jobb megoldás, ha „vízkorrekció” helyett „nedvességkorrekciót” használunk. Ezt automata vezérlésű betongyáraknál a vezérlőprogramban lehet elvégezni, rendszerint kétféle módon. Az egyik esetben a keverőmester az adalékanyag nedves - ségértékét a nap első keverésénél tapasztalatból megállapítja, és ezt a százalékos értéket állítja be a programban, illetve a nap folyamán ezt beírással módosíthatja. A másik módszer szerint a nedvességértéket addig változtatja a keverőmester, míg a program által így korrigált vízmennyiség azonos nem lesz azzal az értékkel, amellyel egyébként is csökkentette volna a vízmennyiséget. Ekkor ugyanis a vizet a szokásos rutin szerint kezelte, de ugyanakkor a program a homokpótlást is elvégezte.
A nedvességkorrekció révén az alábbi előnyöket érhetjük el:

  •  valósidejű súlykorrekció az adalékanyaggal bevitt változó vízmennyiség kompenzálására, ezzel az anyag szárazsúlyának állandó értéken tartása, az állandó adalék/ cement arány biztosítása,
  • a keverékbe adagolt víz mennyiségének kontrolálása, ezzel állandó v/c (víz/cement tényező) tartása, a frissbeton keverék egyenletes bedolgozhatóságának biztosítása, • színezett betonok esetében azonos színárnyalat garantálása a különböző keverések során.

Mérési eljárások
A homoknedvesség meghatározására a legmegbízhatóbb módszer a laborkörülmények között végzett kiszárításos mérés, amely hosszadalmas, de nagyon pontos eredménnyel jár. A nedvességérték folyamatos méréséhez azonban már mérőkészülékre van szükség. A szakma történelme során számos nedvességmérési eljárást próbáltak ki (infravörös, izotópos mérések), de a gyakorlatban végül a villamos tulajdonságok mérése maradt fenn. Ezeknél a nedvesség mérése minden esetben villamos úton történik, kezdve a már nagyon elavult rezisztív (ellenállás) méréstől, a még mindig létező kapacitív elven működő mérésen át a legkorszerűbb mikrohullámú mérésig.
A kapacitív nedvességmérők mérési elve nagyon leegyszerűsítve azon a fi zikai alapon nyugszik, hogy egykondenzátor-cella (esetünkben egy ismert térfogatú, zárt tartályba adagolt és vibrátorral összetömörített homok) kapacitása függ a benne lévő anyag relatív dielektromos állandójától. A nedvességmérést az teszi lehetővé, hogy a víz relatív dielektromos állandója 80, míg az egyéb összetevőké 5 alatt van. Azaz a kapacitás, a dielektromos állandón keresztül szoros kapcsolatban van a mérni kívánt nedvességtartalommal. Az ezen az elven működő mérés azonban több környezeti behatástól is függ. A mért érték függ a hőmérséklettől, a homok tömörödésétől, valamint kis részben a homok egyéb (pl. mágneses) paramétereitől. Ennél fogva ezek a készülékek alapvetően egy kalibrálási eljárás segítségével azt az összefüggést jelenítik meg, mely a tesztkondenzátor és a nedvesség között áll fent. Vagyis a gyakorlatban több ponton is fel kell venni a kapacitásnedvesség görbét, hogy értékelhető eredményekhez jussunk. Az olcsóbb kapacitiv nedvességmérők eleve egy nonlineáris görbével rendelkeznek, a drágábbakban viszont már olyan mikroprocesszor van, mely a szükséges linearizálást is elvégzi.
A ma legkorszerűbbnek modható mikrohullámú mérés a vízmolekulák azon tulajdonságán alapul, hogy bizonyos frekvenciákon rezonálni kezdenek a mikrohullámú elektromágneses tér hatására. (Ezt a hatást használják ki a háztartási mikrohullámú sütők is a vízmolekulák által elnyelt energia hasznosításával.) A mikrohullámok amplitúdója és frekvenciája az anyagnedvességtől függően változik, melyet a mérőrendszer 0,1% pontossággal képes mérni, köszönhetően annak is, hogy a feldolgozó elektronika fejlesztése napról napra komoly eredményekkel jár.

Miért éppen a mikrohullámú mérés?
Amikor nedvességtartalmat akarunk mérni mikrohullá - mok segítségével, tulajdonképpen az anyagban lévő vízmolekulák számát próbáljuk meghatározni. A vízmolekula a két pozitív töltésű hidrogén atomjával felfogható úgy, mint egy elektromos dipol. Amikor váltakozó elektromágneses térbe kerül, akkor a mágneses térhez igazodóan próbál elhelyezkedni mint egy mágnes. Ha azonban egy váltakozó elektromágneses tér hat rá (mint az elektromágneses sugárzás, ami váltokozóan pozitív-negatív polaritású), akkor már a változás sebességétől függően alakul a reakciója. Lassan változó térben (alacsony frekvenciájú sugárzás) a vízmolekula tud a mágneses mezőhöz igazodni. Nagyon nagy frekvencián a változás sebessége olyan nagy, hogy a vízmolekula nem képes követni azt. Köztes frekvenciák esetén (mint például a mikrohullámú sütőkben) képes még követni a tér változását, de a gyors váltakozás következtében rezonanciába kerül és energiát emittál (a sütő esetében felmelegíti a körülötte lévő ételt). A jelenség a víz dielektromos állandójával van összefüggésben. (A dielektromos állandó az anyagnak az a tulajdonsága, hogy képes elektromos energiát tárolni vagy elnyelni, ha váltakozó elektromágneses tér hat rá.) A dielektromos állandó mérése egy megfelelő frekvencián tehát alkalmas a nedvességtartalom meghatározására (mivel a víz dielektromos állandója mintegy nagyságrenddel nagyobb, mint a homoké vagy a betoné). Elméletileg egy keskeny, nagy frekvenciájú (10 GHz) mikrohullám nyalábot keresztül bocsáthatunk az anyagon és egy vevő egységgel mérhetjük az elnyelt energiát. A gyakorlati mérések során azonban a Hydronix által kifejlesztett egy-mérőfejes egységek váltak be, ahol a jeladó egy sokkal alacsonyabb frekvenciájú (800 MHz) elektromágneses sugárzást bocsát ki az anyagba és az ugyanazon fejben lévő antenna veszi a visszavert jeleket. A Hydronix rendszer, más mérőrendszerekhez ké pest egyedülállóan, kis teljesítményen és változó frekven cián dolgozik, méri az amplitudó különbséget és a frek vencia eltolódást is. A kis teljesítmény betáplálást az teszi lehetővé, hogy a rendszer rezonancia frekvencián működik. Növekvő nedvességtartalomnál a frekvencia és az amplitudó is változik (növekvő rezonancia frekvencia mellett csökken az amplitudo). A módszer előnye, hogy a mérés független a szenzoron lévő anyagréteg vastagságától, így alkalmazható silókban, keverőkben, szállítószalagokon. Az egység mechanikai védelme érdekében a szenzor egy kerámia lapka alatt kerül elhelyezésre – a kerámia ideális anyag, hiszen a mikrohullámok szempontjából „átlátszó”, miközben nagymértékben kopásálló. Az így analóg módon mért jelet egy a mérőszonda fejbe épített mikroprocesszoros kiértékelő egység linearizálja és kondicionálja, oly módon, hogy már egy közvetlenül a nedvességtartalommal arányos jel olvasható ki belőle.
A mikrohullámú nedvességmérést az angol Hydronix vezette be a betontechnológiában mintegy 25 évvel ezelőtt. Mára a Hydronix több mint 50 000 szenzort épített be a világ 50 országában, miközben a mikrohullámú rendszer általáno san elfogadottá vált mint a nedvességmérés legsikeresebb és legkorszerűbb módszere. A rendszer elterjedésében nagy szerepet játszott a párhuzamosan fejlődő számítógépvezérlésű betongyártás, így lehetővé vált a két rendszer integrálása és közös fejlődése. A mikrohullámú technológia ma is fo lyamatosan fejlődik, mely fejlesztő munkában a Hydronix továbbra is úttörő szerepet tölt be. Időközben megjelentek a digitális mikrohullámú szondák, melyek pontosabb mérést tesznek lehetővé szélesebb nedvességtartományban, valamint egyszerűbb a kommunikáció a jelfeldolgozó rendszerekkel és könnyebbé vált a kalibrálásuk. A digitális mérési tech nológiánál az amplitudót és a frekvenciát egymástól füg getlenül mérjük és akár kombinálhatjuk is a legmegfelelőbb kimeneti jelkarakterisztika eléréséhez. A legcélszerűbb a frekvenciaváltozás mérése a nedvességtartalom változásának meghatározására, mivel a frekvenciaváltozás lineáris és közvetlenül arányos a nedvességtartalom változásával.

Nedvességmérés a gyakorlatban
A betonüzemi gyakorlatban nedvességmérést végezhetünk az ún. kézi műszerekkel, melyeknél egy szondát kell a homokba dugni, és leolvasható egy nedvességadat a kijelzőn. Ezt a műveletet célszerű több helyen is elvégezni, mert a nedvességérték nem homogén a tárolóban. Megjegyzendő, hogy a homok kb. 10%-nyi vizet képes megtartani, az ennél nagyobb mennyiségű víz egyszerűen különválva kifolyik a tárolóból. Ez azért fontos, mert természetesen egyetlen nedvességmérő sem képes magának a vízmennyiségnek a mérésére! Miközben az említett víz végül is belekerül az adalékanyag-mérlegbe, onnan pedig a keverőbe. Vagyis ekkor merül fel a valódi mérési igény, a nedvességet ott kell meghatározni, ahová valóban bekerül, ezt beépített nedvességszondákkal érhetjük el. A nedvességszondák (szenzorok) kiválasztásánál az alábbi szempontokat kell fi gyelembe vennünk:

  • a szenzornak kellően robosztusnak kell lennie a homok, illetve beton koptató hatásának elviseléséhez, ugyanakkor egyszerűen és biztonságosan beépíthető kivitelűnek kell lennie, • könnyen illeszthetőnek kell lennie a meglévő vezérlő rendszerhez, egyértelmű kommunikációs protokollal kell rendelkeznie,
  • alapvető követelmény az egyszerű és megbízható kalibrálhatóság (a legpontosabban mérő szonda is használhatatlan megfelelő kalibrálás nélkül),
  • jó műszaki tanácsadási és szervíz háttérrel kell rendelkezzen a megbízható folyamatos üzem biztosításához.

1. ábra: Hydronix Hydro-Probe homoknedvességmérõ szen zor beépítése
1. ábra: Hydronix Hydro-Probe homoknedvességmérõ szenzor beépítése

Az automatizált nedvesség-kezelés két újabb fontos kérdést vet fel:

  • a mérőszondák fi zikai elhelyezésének helyes kiválasz - tását,
  • a vezérlés algoritmusának megválasztását a korrekt méré - si adat elérése érdekében.

A szondák megfelelő elhelyezése a legfontosabb. Erre a gyártók több applikációt is javasolnak, de a tényleges szerelési helyet mindíg az adott betonüzemben kell megtalálni. Egy konkrét gyakorlati példa a probléma szemléltetésére:
Transzportbeton üzemben lévő soradagolóban egy-egy szektor 2 db ajtót tartalmaz (fi nom-durva adagolás). A kérdés, hogy hova helyezzük a szondát. A fi nom, illetve durva vezérlés értelemszerűen eltérő mennyiségű homokadagolást eredményez, vagyis a szalagmérlegen két különböző magasságú homokkupac keletkezik. A vezérlési és mérési feladat úgy fogalmazódik meg, hogy melyikben mérjünk és mikor. Azt a megoldást választottuk, hogy a nedvességszenzort a durva ajtó alá szereltük, mert ekkor biztosítottá vált, hogy a szenzor minden körülmények között belemerül a homokba. A mérési mintákat folyamatosan vettük, és a szükséges átlagolásokat és digitális szűréseket követően a fi - nom/durva váltáskor érvényesítettük a homoknedvesség adatot. A program azonnal kiszámolta a szükséges korrekciós mennyiséget és a fi nom-adagoláskor már ennek megfelelően adagolta a homokot. Természetesen a vízadagolásnál is érvényesült a korrekció.
A program nagyon gyorsan képes számolni, ezért még arra is van mód, hogy a nedvesség értékével azonos homokvisszapótlásnál újra futassa le ugyanazt az algoritmust, hiszen ne feledjük, a korrekciós homo mennyiség is tartalmaz nedvességet.

2. ábra: Nedvességkorrekciós folyamatábra
2. ábra: Nedvességkorrekciós folyamatábra

Konzisztencia kontrol
Az igényesebb megoldású készülékek (az ún. „vízadagolókomputerek”, vagy konzisztencia-mérők) nem csak az adalékszektorokban, hanem magában a keverődobban is érzékelik a nedvességtartalmat, és ráadásul a vízadagolást is önállóan végzik a nedvességtartalomnak megfelelően.

3. ábra: Hydronix Hydro-Mix fenékszonda beépítése a keverõgépbe
3. ábra: Hydronix Hydro-Mix fenékszonda beépítése a keverõgépbe


Az ilyen berendezések a keverődobban elhelyezett fenék-, vagy oldalszondával mérik a nedvességet, illetve a Hydronix rendszer esetén akár az ún. orbiterrel, mely a keverőlapátokhoz hasonlóan forog a keverékben.

4. ábra: Hydronix Orbiter elhelyezése a keverõgép rotorján
4. ábra: Hydronix Orbiter elhelyezése a keverõgép rotorján

Ezek a „víz-komputerek” a betongyártást vezérlő egy ségekkel (számítógép) soros vonalon kommunikálnak. A kettő közötti adatfolyamot egy meghatározott protokoll rögzíti, azaz a kommunikáció egy pontos dialógus alapján folyik. Felmerül a kérdés, általában milyen paramétereket kér a betongyártó számítógéptől a „vízadagoló-komputer”:

  • receptkód: ezzel azonosítja be a korábban felvett ka librációs görbét
  • keverési mennyiség: általában a keverődob kapacitásának %-ában
  • bemérlegelt cement mennyiség: kg-ban megadott tényle ges kötőanyag mennyisége
  • V/C (víz-cement) tényező
  • elővíz (ha van): az a vízmennyiség, melyet a vezérelő számítógép fog majd beadagolni. Ennek a paraméternek a megadásával gyorsítható a gyártás, ugyanis ezt a vízmennyiséget nem kell nagy pontosságú vízórán át adagolni a „víz-komputernek”.

Az alkalmazott algoritmus tartalmazza továbbá azt a parancsot is, hogy mikor kezdődjék a nedvességmérés a szárazanyagban, hiszen ezt csak a vezérlés „tudja”.
A biztonságos kommunikációt ún. visszaigazolások segítik, illetve hibaüzenetek informálják a kezelőt (pl. „túl sok víz”, „nincs víz”).
Ezek a konzisztencia-mérő készülékek a keverődobban lé vő szárazanyag nedvesség meghatározásával (száraz-keverés) indítanak, majd a V/C tényezőt referenciaként kezelve adagolják nagy pontosságú vízórán keresztül a vizet. Ekkor kezdődik a nedves-keverés, melynek célja, hogy a receptnek megfelelő bedolgozhatóságú és homogén konzisztenciájú beton készüljön. Ez a szabályozási ciklus meglehetősen időigényes, hiszen a készülék a nedvességtartalom egy tűrésen belüli állandósult értékének elérésig várakozik, majd ezt követően jelzést ad a gyártást vezérlő számítógépnek a keverék ürítésére.

5. ábra: A Hydronix Hydro-Control konzisztencia-komputere
5. ábra: A Hydronix Hydro-Control konzisztencia-komputere

A vízadagoló célszámítógépek tehát egy kalibrálási procedúra után arra képesek, hogy egy meghatározott beton konzisztenciát beállítsanak, azaz sorozatban reprodukálják az igényelt bedolgozhatóságot. Ehhez azonban jelentős (akár 70–100 sec) időre van szükség. Ebből következően a készülékek alapvetően csak előregyártó betonüzemekben alkalmazhatóak, ahol a nagyobb (sokszor 60 sec-ot is meghaladó) keverési idő lehetőséget is teremt erre. A transzportbeton üzemekben azonban, tapasztalataink szerint az egyszerűbb, de gyorsabb megoldást igénylik.

Egyszerûbb konzisztencia meghatározási módszerek
A fent ismertetett készülékek szolgáltatásuk magas színvonala miatt drágák. Ezért a még megfi zethető, de ugyanakkor jól használható módszerek is elterjedtek a gyakorlatban. Ilyen például, amikor a keverőmotor áram (teljesítmény) felvételét mérjük, hiszen ez (ha nem is lineárisan, de) arányos a betonkeverék konzisztenciájával. A mérési adatot aztán különféle módon lehet megjeleníteni a legegyszerűbb analóg vagy digitális áramkijelzőtől a monitoron látható „bar-graf”, vagy osszcillogram képéig, amely képes mutatni az áramfelvétel időfüggvényét.
Összegezve elmondható, hogy ezek az egyszerű megoldások csak kijelzéssel bírnak (szabályzással nem), ezért inkább kiegészítő funkciót töltenek be. De még mindig inkább javasolt alkalmazni őket, mint csupán becslés alapján meghatározni a beton konzisztenciáját.

A költség oldal
Elméletileg száraz adalékanyagok használatával a betonminőség egyszerűen kézbentartható lenne. Könnyen belát - ható azonban, hogy célszerűbb beruházni a nedvességmérésbe, mint az erre fordítandó összeg többszörösét elkölteni az adalékanyagok szárazon tartására.
A gyakorlatban ha köbméterenként 10 liter vízzel többet adagolunk a betonhoz (illetve viszünk be az adalékok nedveségtartalmával) a tervezett értéknél, az 25 mm-rel növeli a kúproskadást, 2 N/mm2-rel csökkenti a nyomószilárdságot, 15 kg cement kötőhatásának elvesztését jelenti, 10%-kal növeli a beton zsugorodási hajlamát, 50%-kal növeli a beton porozitását, 20%-kal csökkenti a fagyállóságot és csökkenti a beton olvasztósó-álló képességét. Nedvesség szabályozás nélkül ennek kompenzálása, az elvárt paraméterek biztos teljesítése csak az összetevők túladagolásával lehetséges. A „próbálgatásos” konzisztencia beállítás a beton túlkeverésé - hez, ezzel többlet energia felhasználáshoz és a szét osztályozódás veszélyéhez vezet.
Konzisztencia kontrol segítségével ugyanakkor az adagolási pontosság az átlagos ±2,0%-ról ±0,5%-ra növelhető, az elvárt szilárdságú beton biztonságos előállításához így pontosab ban adagolt, kisebb mennyiségű összetevők elegendőek. A kor szerű nedvességmérő rendszerek alkalmazása tehát igen látványos és gyors költségmegtakarítást eredményez. A megtakarítás már néhány hónapnyi használat után kézzelfoghatóvá válik a cement, adalékanyag (esetleg festék) megtakarításon, a selejt betonok minimalizálásán és az energia megtakarításon, nem beszélve a betongyártó szakmai-piaci elismertségének növekedése révén realizált vállalkozási előnyökről.

Összefoglalva
A korszerű betontechnológia ma már megköveteli a folyamatos nedvességmérésen alapuló nedvességkorrekciót a transzportbeton gyártásnál, illetve konzisztencia kontrolt a vasbetontermék előregyártásban. A jelenleg legkorszerűbb - nek tartott mérési módszer a nedvességtartalom meghatározására a mikrohullámú mérés, melynek úttörő kifejlesztője és piacvezető szállítója az angol Hydronix. A nedvességkorrekció segítségével nem csak az elvárt beton paraméterek egyenletessége biztosítható, de jelen tős termelési költségmegtakarítások is elérhetők, növel ve mindezzel a betongyártó vállalkozások piaci versenyképességét.

Top