Неорганическая
Органическая
Коллоидная
Биологическая
Биохимия
Токсикологическая
Экологическая
Химическая энциклопедия
Советская энциклопедия
Справочник по веществам
Гетероциклы
Теплотехника
Углеводы
Квантовая химия
Моделирование ХТС
Номенклатура
Таблица Менделеева
Неорганические реакции
Органические реакции
Молярные массы
Форматирование формул
Редактор формул
Уравнивание реакций
Электронное строение атомов
Игра «Таблица Менделеева»
Термодинамические свойства
Конвертер величин
Гальванопара
Поиск репетиторов
Форум
Лекарства
Фармацевтика
Термины биохимии
Коды загрязняющих веществ
Стандартизация
Каталог предприятий


ВЛАГОМЕРЫ И ГИГРОМЕТРЫ

ВЛАГОМЕРЫ И ГИГРОМЕТРЫ. Влагомеры - приборы для измерения влажности жидких и твердых в-в, гигрометры - влажности газов. Ранее гигрометрами наз. приборы для определения влажности воздуха. В статье рассмотрены лишь те приборы, к-рые наиб. распространены при автоматич. измерениях в химии и хим. технологии.

Кулонометрические влагомеры и гигрометры. В гигрометрах этого типа чувствительный элемент выполнен в виде трубчатого корпуса из электроизоляц. материала, внутри к-рого размещены две несоприкасающиеся спирали (электроды) из Pt и Rh. Пространство между спиралями заполнено адсорбентом- частично гидратированным Р2О5. К электродам подведено напряжение, обеспечивающее электролиз поглощенной влаги. Анализируемый газ с постоянным расходом пропускают через элемент, и водяные пары практически полностью поглощаются Р2О5. Ток электролиза связан с концентрацией влаги соотношением:

1076-7.jpg

где I - сила тока, А, с - концентрация влаги, кг/м3, Q - расход газа, м3/с, n - число электронов, необходимое для электролиза одной молекулы воды, F - число Фарадея, М - мол. масса воды.

Диапазон измерений от 10-5 до 0,1%. Недостаток прибора - невозможность измерения влажности газов, к-рые содержат щелочные и полимеризующиеся компоненты. В первом случае Р2О5 реагирует со щелочным компонентом, во втором служит инициатором полимеризации, а образующаяся пленка полимера препятствует поступлению водяных паров к пов-сти адсорбента. При наличии в газе паров спирта возникает дополнит. погрешность, связанная с его гидролизом и образованием дополнит. влаги.

В кулонометрич. влагомере при анализе жидкостей влага извлекается из них потоком сухого газа, и затем влажный газ анализируется описанным выше способом. При определении влажности твердых сыпучих материалов известная навеска в-ва продувается постоянным потоком сухого газа (при необходимости - с одновременным подогревом пробы), к-рый далее поступает в чувствительный элемент. Зависимость между концентрацией влаги и силой тока определяется ф-лой:
1076-8.jpg

где G - масса пробы, Т - длительность измерения, выбираемая т. обр., чтобы остаточная влага в навеске была пренебрежимо мала.

Погрешность кулонометрич. приборов обычно 1-5% при концентрации влаги порядка сотых долей процента и 10-20% при концентрации 10-4-10-3 %. Постоянная времени (время р-ции прибора на изменение влажности) от десятков сек до 10 мин при концентрации влаги соотв. в диапазонах 10-2-10-1 и 10-4-10-3 %. Эти приборы применяют, в частности, для определения влажности полимеров (напр., полиэтилена и полипропилена), а также для контроля влажности воздуха, предназначенного для питания контрольно-измерит. приборов.

Пьезосорбционные влагомеры и гигрометры. Действие их основано на зависимости собственной частоты колебаний кварцевого резонатора от его массы. Кристалл кварца покрывают слоем в-ва, избирательно сорбирующего водяные пары. Изменение частоты резонатора зависит от массы поглощенной влаги и, следовательно, от концентрации влаги в атмосфере, окружающей кристалл:1076-9.jpg , где F-собств. частота колебаний резонатора (обычно 5-15 МГц), k-коэф., зависящий от типа и геометрии кристалла,1076-10.jpg-изменение массы кристалла (в кг). Как правило,1076-11.jpg достигает неск. кГц. Для измерения относит. влажности (отношение парциального давления водяного пара к давлению насыщ. пара при одних и тех же давлении и т-ре) в пределах 0-100% в кач-ве сорбентов используют гидрофильные полимеры, в частности поликапроамид. Толщина пленки полимера, наносимой на кристалл резонатора, не превышает неск. мкм, постоянная времени при применении поликапроамида 15 с, диапазон т-р от 5 до 60 °С, погрешность неск. %. Определению мешает присутствие паров спиртов, NH3 и др. полярных соед., сорбируемых полимером. При измерениях микроконцентраций влаги используют высокоэффективные адсорбенты, напр. силикагель. При этом ниж. предел определения концентрации влаги порядка 10-4%.

Пьезосорбционные приборы устойчивы к перегрузкам по влажности, имеют небольшие массу и габариты. Влагомеры используют, напр., в пром-сти орг. синтеза (в произ-ве бензола, толуола, циклогексана и др. углеводородов), гигрометры-в установках кондиционирования воздуха в пром-сти хим. волокон.

Электросорбционные гигрометры. Принцип их действия состоит в измерении электрич. проводимости в-ва, поглощающего влагу. Адсорбенты: А12О3, LiCl, силикагель, SnO2, цеолиты, асбест и др. наиб. распространены датчики на основе первых двух адсорбентов.

При использовании А12О3 чувствительный элемент, выполненный из алюминия, является одним из электродов датчиков. На его пов-сть электролитич. способом наносят тонкую пористую пленку А12О3. Тонкий паропроницаемый слой Аи или графита на этой пленке образует второй электрод. Полное сопротивление такого элемента зависит от концентрации влаги в среде, окружающей адсорбент, и измеряется с использованием переменного тока пром. частоты. Датчики на основе А12О3 позволяют, в частности, определять содержание влаги в пропилене, бутиленах и др. олефинах от 10-6 до неск. % и обладают высоким быстродействием.

Применяют также т. наз. подогревные хлористолитиевые датчики, в к-рых между электродами электрич. нагревателя помещают волокнистый материал, пропитанный водным р-ром LiCl. Т-ра нагрева, измеряемая термометром сопротивления, служит мерой влажности газа. Эти приборы обладают меньшей, чем датчики на основе А12О3, погрешностью, большей стабильностью показаний и более широким температурным диапазоном измерения (150-200 °С).

Диэлькометрические влагомеры и гигрометры. Их действие основано на сильной зависимости диэлектрич. проницаемости в-в1076-12.jpg от содержания в них влаги; это обусловлено аномально большой1076-13.jpgводы (81 при 20 °С). Измерение1076-14.jpg в диапазоне средних частот тока (0,1-30 МГц) сводится к определению емкости С конденсатора, между обкладками (электродами) к-рого помещено исследуемое в-во (С =1076-15.jpg, где Сo-емкость незаполненного конденсатора). В диапазоне сверхвысоких частот (30 МГц-300 ГГц) измеряют частоту колебаний объемного резонатора, в к-ром находится влажное в-во.

Для определения влажности жидкостей и газов применяют обычно датчики с цилиндрич. коаксиальными или плоскопараллельными электродами. Миним. предел измерения содержания влаги составляет: в жидкостях от 0,01 до 0,1%, в газах от 0,05 до 0,1%. Погрешность не превышает 2,0-2,5% при высокой влажности и до 10% при приближении к миним. пределу. Постоянная времени 1-2 мин.

Влажность твердых сыпучих материалов определяют с помощью датчиков с кольцевыми или др. электродами, расположенными в одной плоскости. Миним. предел и погрешность измерений от 0,1 до 0,2%. На результат определения оказывают влияние характер взаимод. влаги с материалом, а также гранулометрич. состав и степень уплотнения или предварит. измельчения пробы. При использовании диапазона сверхвысоких частот удается бесконтактно измерять содержание влаги в материалах, движущихся на конвейере.

Диэлькометрич. влагомеры применяют в произ-ве минер. удобрений, в горнохим. пром-сти, диэлькометрич. гигрометры-обычно для определения влажности агрессивных газов (напр., NH3, H2S).

ЯМР-влагомеры. Принцип их действия заключается в резонансном поглощении энергии высокочастотного электромагн. поля входящими в состав воды ядрами водорода в постоянном магн. поле (см. Ядерный магнитный резонанс). Величина поглощенной энергии служит мерой влажности материала. Достоинства этих влагомеров: высокая избирательность и возможность бесконтактного измерения. Кроме того, анализируя резонансную кривую поглощения, можно определять также характер взаимод. влаги с в-вом, т. к. ширина кривой изменяется при переходе от своб. влаги к адсорбированной. Диапазон измерения концентраций от О до 100%. Погрешность зависит от плотности, состава в-ва и характера взаимод. с ним влаги и колеблется от 10-3 до неск. %. Постоянная времени от неск. секунд до 1 мин и более. ЯМР-влагомеры используют, в частности, в произ-ве пластич. масс (для определения влажности пресспорошков) и в научных исследованиях (для измерения содержания влаги в твердых сыпучих материалах, реже в жидкостях).

Нейтронные влагомеры. Их действие основано на замедлении ядрами водорода потока быстрых нейтронов. При этом последние теряют энергию и превращ. в медленные нейтроны. Если главный водородсодержащий компонент в в-ве - вода, а замедление нейтронов, вызванное присутствием др. элементов, достаточно мало, можно оценить содержание влаги, измеряя плотность потока медленных нейтронов. Для получения быстрых нейтронов применяют, как правило, радиоактивные источники, содержащие Be в смеси с одним из радиоактивных элементов, - Ra, Po или Ри (интенсивность 103-105 нейтронов в 1 с). Детекторы -борные или сцинтилляционные счетчики или комбинация из кадмиевой фольги и галогенного счетчика. Измерения проводят при размещении источника и счетчика как в толще материала, так и на его пов-сти. Диапазон определения от 0 до 100%. Погрешность - от 0,5 до 2,0% - обусловлена наличием в анализируемом в-ве иных, помимо воды, водородсодержащих соед., а также элементов с большим сечением захвата нейтронов (С1, В, Li и др.). Сильное влияние оказывают также изменения плотности в-ва. Поэтому для снижения погрешности вводят соответствующие поправки. Нейтронные влагомеры применяют для тех же целей, что и ЯМР-влагомеры.

Гигрометры, основанные на измерении точки росы. Анализируемый газ охлаждают до т-ры, отвечающей т-ре насыщения водяного пара, т.е. до росы точки. Эту т-ру определяют в момент начала конденсации пара (выпадение росы) на плоской полированной пов-сти зеркальца. Для охлаждения газа используют дросселирующие, термоэлектрич., термомагн. и др. устройства. Момент выпадения росы фиксируется фотоэлектрич. (по изменению рассеяния света) или кондуктометрич. методом. В последнем случае измеряют поверхностное сопротивление зеркальца, на к-ром находится конденсат. Применяют также радиац. детекторы, основанные на поглощении1076-16.jpg или1076-17.jpgизлучений. Зная точку росы и т-ру (t)анализируемого газа, можно вычислить относит. влажность по ф-ле:1076-18.jpg , где p1 и р2- соотв. давления насыщ. водяного пара при точке росы и t (см. Газов увлажнение).

Достоинства этих гигрометров: низкий предел обнаружения влаги (точка росы — 100°С, что отвечает концентрации 10-6%); погрешность лучших образцов от 0,3 до 0,5 °С, и, как правило, не выше 1 °С. Длительность измерения от неск. секунд при высокой влажности до десятков мин при ниж. пределе измерения. Недостаток: невозможность определения содержания влаги в газах (парах), т-ра конденсации к-рых выше, чем измеряемая точка росы (напр., в пропилене). Эти гигрометры широко применяют в заводских лабораториях.

Психрометры. Основаны на определении разности т-р двух термометров - обычного, или сухого (tс), и мокрого (tM), т.е. непрерывно увлажняемого так, что на его пов-сти поддерживается влажность, соответствующая насыщению при данной т-ре. Оба термометра помещены в анализируемую среду (газ). Т-ра мокрого термометра снижается вследствие испарения влаги, обусловленного разностью ее концентраций на термометре и в анализируемом газе, и зависит от относит. влажности, к-рая м. б. найдена по ф-ле:

1076-19.jpg

где рм и рс-соотв. давления насыщ. пара при tM и tc; р-атм. давление, A-психрометрич. коэф., зависящий от конструкции прибора и параметров исследуемого газа.

В кач-ве датчиков т-ры используют стеклянные термометры и термометры сопротивления. Пределы измерения 20-100% при т-рах от - 5 до 40 °С, погрешность 3-10%, длительность измерения не превышает неск. мин. Недостаток: возможность загрязнения фитиля, смачивающего мокрый термометр, пылью, твердыми частицами и нарушение из-за этого градуировочной характеристики.

Оптические влагомеры и гигрометры. Действие этих приборов основано на поглощении влагой ИК-излучения, преим. в коротковолновой области (длина волны 0,8-4,0 мкм). В этом диапазоне спектр воды содержит ряд интенсивных полос поглощения с центрами, соответствующими длинам волн 0,94; 1,1; 1,38; 1,87; 2,7; 3,2; 3,6 мкм. Источники излучения-лампы накаливания, лазеры, а при зондировании атмосферы - солнечная радиация. Приемники излучения: избирательные - оптико-акустические, интегральные - фоторезисторы (наиб. чувствительны), а также термометры и болометры. Область применения абсорбц. разновидности метода - определение содержания влаги в жидкостях (напр., в метаноле и уксусной к-те) и твердых пленочных материалах. Диапазон измерения 10-5-20%, предел погрешности не выше неск. %.

Модификация метода, в к-рой используется рассеянное излучение, позволяет получать информацию о диспергированной воде в эмульсиях. Для контроля влажности твердых материалов используют метод индикации отраженного излучения (погрешность 5-10%). Достоинства влагомеров: широкий диапазон определяемых концентраций (шкалы 0-0,5% и 0-80%), возможность бесконтактного измерения влажности материалов, движущихся на конвейере (напр., минер. удобрений), высокое быстродействие. Недостаток: дополнит. погрешность, обусловленная возможной неоднородностью концентрационного поля при измерении содержания влаги в поверхностном слое материала.


===
Исп. литература для статьи «ВЛАГОМЕРЫ И ГИГРОМЕТРЫ»: Берлинер М. И., Измерения влажности, 2 изд., М., 1973; Иващенко В. Е., Пинхусович Р. Л., Коломыйцев В. П., Методы и приборы для измерения относительной влажности, М., 1977; Теория и практика экспрессного контроля влажности твердых и жидких материалов, М., 1980; Соков И. А., Вапняр Г. Д., Метрологическое обеспечение гигрометрик, М., 1982. Р. Л. Пинхусович.

Страница «ВЛАГОМЕРЫ И ГИГРОМЕТРЫ» подготовлена по материалам химической энциклопедии.


     © ХиМиК.ру




Реклама   Обратная связь   Дизайн