Влагомеры и гигрометры

ВЛАГОМЕРЫ И ГИГРОМЕТРЫ. Влагомеры (В.) - приборы для измерения влажности жидких и твердых в-в, гигрометры (Г.) - влажности газов. Ранее Г. 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 Г. 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:

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. В. 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:

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: , где F-собств. частота колебаний резонатора (обычно 5-15 МГц), k-коэф., зависящий от типа и геометрии кристалла,-изменение массы кристалла (в кг). Как правило, 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. В. используют, напр., в пром-сти орг. синтеза (в произ-ве бензола, толуола, циклогексана и др. углеводородов), Г.-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-в от содержания в них влаги; это обусловлено аномально большойводы (81 при 20 °С). Измерение 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 =, где С_o-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. В. применяют в произ-ве минер. удобрений, в горнохим. пром-сти, диэлькометрич. Г.-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 В.: 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 В. 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 поглощении илиизлучений. Зная точку росы и т-ру (t)анализируемого газа, можно вычислить относит. влажность по ф-ле: , где p₁ и р₂- соотв. давления насыщ. водяного пара при точке росы и t (см. Газов увлажнение).

Достоинства этих Г.: 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 Г. широко применяют в заводских лабораториях.

Психрометры. Основаны на определении разности т-р двух термометров - обычного, или сухого (t_с), и мокрого (t_M), 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:

где р_м и р_с-соотв. давления насыщ. пара при t_M и t_c; 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 В.: 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.

Лит.: 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.