влагомеры и гигрометры
ВЛАГОМЕРЫ И ГИГРОМЕТРЫ
Влагомеры (В.) — приборы для измерения влажности жидких и твердых веществ, гигрометры (Г.) — влажности газов. Ранее Г. наз. приборы для определения влажности воздуха. В статье рассмотрены лишь те приборы, которые 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 которого размещены две несоприкасающиеся спирали (электроды) из Pt и Rh. Пространство между спиралями заполнено адсорбентом- частично гидратированным P2O5. К электродам подведено напряжение, обеспечивающее электролиз поглощенной влаги. Анализируемый газ с постоянным расходом пропускают через элемент, и водяные пары практически полностью поглощаются P2O5. 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 — молекулярная масса воды.
Диапазон измерений от 10−5 до 0,1%. Недостаток прибора — невозможность измерения влажности газов, которые содержат щелочные и полимеризующиеся компоненты. В первом случае P2O5 реагирует со щелочным компонентом, во втором служит инициатором полимеризации, а образующаяся пленка полимера препятствует поступлению водяных паров к поверхности 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 вещества продувается постоянным потоком сухого газа (при необходимости — с одновременным подогревом пробы), который далее поступает в чувствительный элемент. Зависимость между концентрацией влаги и силой тока определяется формулой:
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 реакции 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 вещества, 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 температуре) в пределах 0–100% в качестве 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 температур от 5 до 60 °C, 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 промышленности орг. синтеза (в производстве бензола, толуола, циклогексана и др. углеводородов), Г. — в установках кондиционирования воздуха в промышленности хим. волокон.
Электросорбционные гигрометры. Принцип их действия состоит в измерении электрич. проводимости вещества, поглощающего влагу. Адсорбенты: Al2O3, LiCl, силикагель, SnO2, цеолиты, асбест и др. наиб. распространены датчики на основе первых двух адсорбентов.
При использовании Al2O3 чувствительный элемент, выполненный из алюминия, является одним из электродов датчиков. На его поверхность электролитич. способом наносят тонкую пористую пленку Al2O3. Тонкий паропроницаемый слой Au 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 Al2O3 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 которых между электродами электрич. нагревателя помещают волокнистый материал, пропитанный водным раствором LiCl. Температура нагрева, измеряемая термометром сопротивления, служит мерой влажности газа. Эти приборы обладают меньшей, чем датчики на основе Al2O3, погрешностью, большей стабильностью показаний и более широким температурным диапазоном измерения (150–200 °C).
Диэлькометрические влагомеры и гигрометры. Их действие основано на сильной зависимости диэлектрич. проницаемости веществ
от содержания в них влаги; это обусловлено аномально большой
воды (81 при 20 °C). Измерение
в диапазоне средних частот тока (0,1–30 МГц) сводится к определению емкости С конденсатора, между обкладками (электродами) которого помещено исследуемое вещество (С =
, где Co-емкость незаполненного конденсатора). В диапазоне сверхвысоких частот (30 МГц-300 ГГц) измеряют частоту колебаний объемного резонатора, в котором находится влажное вещество.
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 производстве минер. удобрений, в горнохим. промышленности, 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 веществом, т. к. ширина кривой изменяется при переходе от своб. влаги к адсорбированной. Диапазон измерения концентраций от О до 100%. Погрешность зависит от плотности, состава вещества 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 производстве 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 веществе — 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 поверхности. Диапазон определения от 0 до 100%. Погрешность — от 0,5 до 2,0% — обусловлена наличием в анализируемом веществе иных, помимо воды, водородсодержащих соед., а также элементов с большим сечением захвата нейтронов (С1, В, Li и др.). Сильное влияние оказывают также изменения плотности вещества. 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 температуры, отвечающей температуре насыщения водяного пара, т. е. до росы точки. Эту температуру определяют в момент начала конденсации пара (выпадение росы) на плоской полированной поверхности 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 котором находится конденсат. Применяют также радиац. детекторы, основанные на поглощении α- или
излучений. Зная точку росы и температуру (t) анализируемого газа, можно вычислить относит. влажность по формуле: 
, 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 °C, что отвечает концентрации 10−6%); погрешность лучших образцов от 0,3 до 0,5 °C, и, как правило, не выше 1 °C. Длительность измерения от неск. секунд при высокой влажности до десятков мин при ниж. пределе измерения. Недостаток: невозможность определения содержания влаги в газах (парах), температура конденсации которых выше, чем измеряемая точка росы (напр., в пропилене). Эти Г. широко применяют в заводских лабораториях.
Психрометры. Основаны на определении разности температур двух термометров — обычного, или сухого (tс), и мокрого (tM), т. е. непрерывно увлажняемого так, что на его поверхности поддерживается влажность, соответствующая насыщению при данной температуре. Оба термометра помещены в анализируемую среду (газ). Температура мокрого термометра снижается вследствие испарения влаги, обусловленного разностью ее концентраций на термометре и в анализируемом газе, и зависит от относит. влажности, которая м. б. найдена по формуле:
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 качестве датчиков температуры используют стеклянные термометры и термометры сопротивления. Пределы измерения 20–100% при температурах от −5 до 40 °C, 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 кислоте) и твердых пленочных материалах. Диапазон измерения 10−5-20%, предел погрешности не выше неск. %.
Модификация метода, в которой 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
