壓差法水分測(cè)定原理

1、壓差法水分測(cè)定原理主講人：姚漢梁教育培訓(xùn)部整理上海思爾達(dá)科學(xué)儀器有限公司、八前常用塑料粒子微量水分的測(cè)定方法，有壓差法、電解法、卡爾費(fèi)休法等等。其中壓 差法水分測(cè)定，以其快速、準(zhǔn)確、操作方便、使用成本低（接近于零，而像卡爾費(fèi)休等 方法，試劑耗費(fèi)龐大）等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用在化纖、塑料工業(yè)的中間工藝過(guò)程中。壓差 法水分測(cè)定裝置適用于測(cè)定極微量的水分。水在低壓狀態(tài)下的沸點(diǎn)很低，因此，在接近真空的壓力狀態(tài)下，水總會(huì)以氣態(tài)的形 式存在，而隨著壓力的增加，又會(huì)重新凝結(jié)成水。本講座主要講的是壓差法水分測(cè)定的原理，這是一種比較法。先用不同質(zhì)量的具有 已知含水率的標(biāo)準(zhǔn)試樣做試驗(yàn)，得出不同的水分所對(duì)應(yīng)的不同的壓力的

2、標(biāo)示，然后用待 測(cè)樣品去做試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果同樣用壓力標(biāo)示，那么，在所對(duì)應(yīng)的壓力處，根據(jù)原先用標(biāo) 準(zhǔn)試樣做得的結(jié)果，就可知道該待測(cè)樣品的含水量。壓差法水分測(cè)定原理一 引言1一個(gè)有關(guān)水分的實(shí)驗(yàn) 一塊木塊，我們想知道它的含水量，最簡(jiǎn)單的方法是什么呢？ 首先稱重，這時(shí)的重量包括木塊的重量和里面所包含的水分的重量； 然后烘干；再稱重，這時(shí)的重量就只剩下木塊的重量了。 這塊木塊的含水量（即水分含量），即原先這塊木塊所含有的水分，就是二次稱重之差。 那末，我們平時(shí)所言的含水率是什么呢？注意這里的“率”，其意為“比率”，也可簡(jiǎn)單理解為“百 分比”，這里的含義是，占有百分之幾。比如，上面的例子中水分含量/原木塊重

3、量=原木塊的含水率這是個(gè)相對(duì)值的概念，如原木塊重200g烘干后為190g,那么，其中的水分含量就是10g,其含 水率為5%。要搞清這二個(gè)概念，10g水是個(gè)絕對(duì)值，而5%的含水率是相對(duì)值。2液位的平衡圖1如圖 1 所示，在 U 形管內(nèi)加水，在管口都敞開(kāi)的情況下，二側(cè)的壓力是相等的，液位也是相等的。 如果使二端管口壓力不等， U 形管二側(cè)的液位也不會(huì)相等。也就是：（1）當(dāng)U形管二端敞開(kāi)（壓力相等）二液位處于同一水平面。（2）當(dāng)U形管一端增加壓力，二側(cè)液位發(fā)生變化，增壓端液位 下降，另一端液位上升。液位的平衡與不平衡及其變化的程度，均與U形管二端的壓力差有關(guān)。二.壓差法水分測(cè)定的原理1測(cè)定裝置的結(jié)構(gòu)

4、圖2圖3試管測(cè)定裝置是由壓差管（圖2）、試管（圖3）二套玻璃裝置組合而成。在壓差管中，包含了玻璃泡 A、B,充注油的U形管，以及中閥和邊閥，它們一起構(gòu)成了一個(gè)氣密系統(tǒng)（參見(jiàn)圖4）。2. 工作原理圖4請(qǐng)參閱圖4（1）當(dāng)中閥開(kāi)啟時(shí)，U形管二側(cè)液面處于同一水平面，二邊壓力差相等（見(jiàn)圖4）。（2）當(dāng)中閥關(guān)閉時(shí)，U形管二側(cè)液面的高低取決于中閥二側(cè)的壓力變化。3. 實(shí)驗(yàn)過(guò)程（1）開(kāi)啟中閥，關(guān)閉邊閥，在邊閥左側(cè)，用真空膠管接上真空規(guī)（它是能夠指示真空程度的裝置）（見(jiàn) 圖5a）,同時(shí)通過(guò)緩沖瓶（其原理見(jiàn)后述）接上真空泵（圖6），注意真空規(guī)此時(shí)應(yīng)處于圖5a的位置。系統(tǒng)接好后，如圖7所示。（2）啟動(dòng)真空泵，再緩緩

5、開(kāi)啟邊閥，系統(tǒng)抽真空。U形管中加入硅油后第一次抽真空，可能費(fèi)時(shí)需長(zhǎng)達(dá)小時(shí)，因?yàn)楣栌椭谢煊锌諝?，抽真空時(shí)，將 首先把油中的空氣抽出。可以明顯地觀察到油中氣泡的形成。（3）5分鐘后，將真空規(guī)逆時(shí)針?lè)较蚓徛D(zhuǎn)900,至圖5b的位置，看真空規(guī)中水銀在毛細(xì)管中的上 升位置，應(yīng)v100Pa（公司內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)w 20Pa。如未達(dá)到要求，將真空規(guī)順時(shí)針?lè)较蚓徛D(zhuǎn)90o,恢 復(fù)到圖5a的位置后，繼續(xù)抽真空過(guò)幾分鐘再看。圖5a的位置，是真空規(guī)在被抽真空時(shí)的狀態(tài)，圖5b的位置是觀察被抽真空所達(dá)到真空程度的狀 態(tài)0（4）如10分鐘后，還達(dá)不到預(yù)期的真空效果，應(yīng)考慮到系統(tǒng)氣密故障的可能性，如達(dá)到了預(yù)期真空 效果，則抽真

6、空過(guò)程結(jié)束。除了在觀察真空度的情況下，真空規(guī)都應(yīng)恢復(fù)（保持）到圖5a的狀態(tài)。（5）關(guān)閉邊閥（此時(shí)也可以關(guān)閉真空泵了，但是必須先關(guān)閉邊閥）。此時(shí)中閥仍然是開(kāi)啟的，管道內(nèi) 各處壓力相等。（6）關(guān)閉中閥。原來(lái)整個(gè)管道，通過(guò)中閥平衡連通各處壓力，現(xiàn)在中閥關(guān)閉，只能靠U形管中的油, 來(lái)傳遞左右二側(cè)的壓力了。如果左右二側(cè)壓力保持原態(tài)不變，油面也保持原態(tài)不變，在同一水平面上。 如某處有泄漏、即使是輕微的泄漏，也將使二側(cè)壓力不平衡（泄漏側(cè)壓力增加），油位發(fā)生變化，泄漏 側(cè)油位下降。當(dāng)然，如果二側(cè)的泄漏量是一樣的，液面也不會(huì)發(fā)生變化，不過(guò)，這種可能性幾乎沒(méi)有。圖5a圖5b圖6真空泵注：1.中閥一用于連通和關(guān)斷U

7、形管的左右側(cè)；2. 邊閥一用于連通和關(guān)斷U形管裝置與真空泵，以及大氣的連接狀態(tài)；3. 空閥一當(dāng)空閥開(kāi)通時(shí)，可使真空泵、真空規(guī)與大氣相連，也可使測(cè)試裝置與大氣相連(此時(shí)邊閥開(kāi)啟)。圖74. 水分測(cè)定過(guò)程上述是在試管內(nèi)是空的情況，接下來(lái)敘述的，是在試管內(nèi)加入含有水分的物質(zhì)后的情況。(1) 在試管內(nèi)加入待測(cè)樣品，與壓差管連接。(2) 關(guān)閉空閥、開(kāi)啟中閥、邊閥，抽真空至v 100Pa(公司內(nèi)部 標(biāo)準(zhǔn)，w20Pa，越小越好。(3) 關(guān)閉邊閥(后，也可關(guān)閉真空泵)。(4) 關(guān)閉中閥。次序千萬(wàn)不可搞錯(cuò)，否則，由于U形管二側(cè)壓力驟變，其中的油將沖向上邊的水平管而難以清洗。(5) 加熱試管內(nèi)的樣品。加熱樣品到什

8、么溫度是有一定要求的，加熱的溫度越高，水分跑出來(lái)固然越快，但也會(huì)導(dǎo)致樣品分子結(jié)構(gòu)的破壞。一般試管內(nèi)樣品加熱的時(shí) 間約10分鐘左右。(6) 在樣品加熱過(guò)程中，水分逐漸逸出，U形管右側(cè)油位逐漸 下降，到一定程度(10分鐘左右)趨于穩(wěn)定。(7) U形管右側(cè)油位的下降程度(用Ah表示，見(jiàn)圖4)與樣品中逸出的水分量有關(guān)。我們可以根據(jù)油 位的變化，推斷出樣品中的水分含量。為了知道油位的下降和樣品中的水分含量的關(guān)系，我們要對(duì)這 套裝置進(jìn)行標(biāo)定。5. 水分測(cè)定裝置的標(biāo)定（1）標(biāo)定目的如前所述，實(shí)驗(yàn)時(shí)，不同的水分含量在右側(cè)油面上會(huì)產(chǎn)生不同的壓力，也就是說(shuō)，油位會(huì)有不同 的下降程度那么，我們就可以建立一個(gè)直角坐標(biāo)

9、（見(jiàn)圖8），縱坐標(biāo)為mW表示樣品中的水分含 量,橫坐標(biāo)為油位的高度變化M （即下降的距離），那么，我們將用不同的水分含量的樣品做的實(shí)驗(yàn)， 結(jié)果以坐標(biāo)點(diǎn)的形式標(biāo)注在坐標(biāo)系中?？梢钥吹剑鼽c(diǎn)可近似地連接為一條直線。在數(shù)學(xué)中，縱坐標(biāo) 為y,橫坐標(biāo)為x，如果在坐標(biāo)系中也有這么根斜線，它的方程式為：y=k x其中，K即為該直線的斜率。在此，我們同樣可以把水分量與油位的變化以下式表示：m- W = kAh其中，K同樣為直線的斜率。_ 咸* W如果，我們?cè)谝阎趾康那闆r下，做了多次實(shí)驗(yàn)，并得到了這一條直線，那么，在以后的正 式樣品的測(cè)試中，只要記錄U 形管中的液位的變化Ah,那么，就可很快地求得樣品中的

10、含水量m- W = k A h。一般地，m- W 的單位用g表示，Ah的單位用mn表示。斜率大小由實(shí)驗(yàn)裝置（主要是壓差管）的內(nèi)容積決定，壓差管 的玻璃球小，斜率平坦，因?yàn)閮?nèi)部空間小，少的水分含量就能產(chǎn)生比較大的壓力，如球泡較大，要產(chǎn) 生同樣大的壓力，就需要有比較多的水分含量了。（2）標(biāo)定方法首先要找到一種物質(zhì)，它應(yīng)該含有固定的含水率，而且在合適的高溫下，內(nèi)在的水分子能脫離物 質(zhì)逸出而不致破壞其物質(zhì)本身。一般情況下，下列幾種物質(zhì)可供我們使用：a 鉬酸納鉬酸納的分子式為NaMO4 2H20,其分子量為241.92,在它的分子式中，含有二個(gè)結(jié)晶水（H0）,其分子量為36,如果以W表示每克該物質(zhì)中的水

11、分的含量（即含水率），那么：.亠、2局。旳分子呈36如在5mg的鉬酸納中，就會(huì)有結(jié)晶水0.74405mg也就是說(shuō)，在合適的高溫形態(tài)下（一般200C左 右），它們會(huì)有0.74405mg的水逸出，以蒸汽的狀態(tài)充塞在處于真空狀態(tài)的水分測(cè)定裝置的管道和右邊 的玻璃球中，繼而對(duì)右側(cè)油位面產(chǎn)生壓力。b .鎢酸納鎢酸納的分子式為NaWQ2H20,其分子量為329.75,二個(gè)水分 的分子量為36,那么：附二* 100%= 10 916%c .硫酸銅要注意，并不是所有含有結(jié)晶水的物質(zhì)，在合適的溫度下，其 結(jié)晶水都能從物質(zhì)中逸出。這里所介紹的硫酸銅就是這樣的。硫酸銅的分子式是CSO 5H0,其分子量為249.6,

12、但其5個(gè)結(jié) 晶水中，只能逸出4個(gè)，因此，其含水率:4VQ的分子量72用=嚴(yán)“ 豊工L撫 曰 *100% = 28 316%乍盡o的分子量2嗎9,6我們目前使用的是第一種鉬酸納。選定了試驗(yàn)用的標(biāo)準(zhǔn)樣品，我們就可以按下列步驟，進(jìn)行整個(gè)裝置的標(biāo)定工作：a.分4、8、12、16、20mg&右稱取五種量的鉬酸納。稱量必須精確到0.1mg記錄下來(lái)。由于稱量很 小，因此，稱量時(shí)宜直接放入試管底部中稱取，不要粘到管壁上，嚴(yán)格防止粘落到管口。稱量以后， 如不馬上實(shí)驗(yàn)，應(yīng)置于干燥皿中。b. 將加熱爐筒搖至最低，升溫至200C左右，穩(wěn)定。c. 打開(kāi)空閥，將裝有鉬酸納的試管的錐孔（管口）套上壓差管右側(cè)直管下的錐口，稍

13、向上用力（另一 只手協(xié)助，防止壓差管斷裂），朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)數(shù)十圈，以保證密封。d. 在試管與加熱爐筒之間墊入一塊隔熱墊塊。e. 關(guān)閉空閥，抽真空，至v100Pa（公司內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)w 20Pa。f. 關(guān)閉邊閥（也可再關(guān)閉真空泵），關(guān)閉中閥。g. 移去隔熱墊塊，將加熱爐筒換上，試管插入爐筒中間的試管套中。試管底部應(yīng)與試管套底接觸。小 心操作，注意不要損壞。h. 油位開(kāi)始變化，且越來(lái)越大，約十分鐘，趨于穩(wěn)定。待變化十分緩慢，不易覺(jué)察時(shí)，記錄油位的變 化Ah。i. 開(kāi)啟中閥，油位恢復(fù)平衡，慢慢地開(kāi)啟邊閥，再慢慢開(kāi)啟空閥，系統(tǒng)與大氣連通。j. ?。ㄐD(zhuǎn)。下試管，換上另一支裝有標(biāo)準(zhǔn)樣品并已稱重、記錄的 試管，

14、重復(fù)上述步驟，至已準(zhǔn)備的試管全部試驗(yàn)完畢。由此，得到了 5組水分含量（mw。與油位變化量（Ah）的數(shù)據(jù)，將其標(biāo)注在m- wAh坐標(biāo)圖 上，得到五個(gè)點(diǎn)，連接起來(lái)就是一條近似的直線（見(jiàn)圖 8，圖9。坐標(biāo)中m- w是樣品的含水量，其中：W在這里是，標(biāo)準(zhǔn)樣品的含水率，如鉬酸納為0.14881。n標(biāo)準(zhǔn)樣品的質(zhì)量，用0.1mg精度的天平稱得，如4.0mg=m與 W的勺乘積即為質(zhì)量的m的樣品中的水分含量。如4.0mg的鉬酸納，內(nèi)含水分為：4mgx 14.881 %=0.595mg如實(shí)驗(yàn)正確，五點(diǎn)可近似連為一直線，就可求得該mW的裝置的K值。 如不能近似地連為一直線，就要檢查實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題。如樣品稱重的不正確，

15、氣密性不符合等等。 如果我們繼續(xù)增加標(biāo)準(zhǔn)樣品的試驗(yàn)用量，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)達(dá)到一定值時(shí)，Ah不再隨樣品量的增加 而成比例地增加，甚至不再增加，如圖 9 實(shí)線部分。這表明，由于水分量的增加，對(duì)該系統(tǒng)而言已達(dá) 到了蒸汽的飽和狀態(tài)，如果繼續(xù)增加，還可觀察到玻璃泡壁上出現(xiàn)霧狀水汽凝結(jié)，這也就是過(guò)飽和蒸 汽現(xiàn)象。在此已無(wú)使用價(jià)值，我們使用的只是直線部分即A點(diǎn)以左區(qū)域。注意，K值與環(huán)境溫度有關(guān), 一般保持在25C左右的環(huán)境溫度下，以減少測(cè)試誤差。圖9三 裝配工藝要求1 機(jī)械裝配看清圖紙和技術(shù)要求，嚴(yán)格按圖施工，是每一個(gè)操作工人的基本素質(zhì)；憑經(jīng)驗(yàn)自以為是，不看圖 紙，是工作中的大忌。裝配工作，除了必須保證內(nèi)在技

16、術(shù)指標(biāo)，還必須保證產(chǎn)品的外觀?？蛻魧?duì)產(chǎn)品 的直觀印象將直接關(guān)系到客戶對(duì)該產(chǎn)品的購(gòu)買欲。因此，從裝配工人到技術(shù)人員、管理人員，必須是 一絲不茍、認(rèn)真把關(guān)，確保產(chǎn)品質(zhì)量。（ 1 ）玻璃儀器玻璃儀器裝配時(shí)要做到輕拿輕放，注意防止破碎。安裝固定部分時(shí)要墊軟墊，要順其自然，不能 過(guò)分用力。玻璃裝置安裝時(shí)要自然妥貼。如不能妥貼放置安裝，說(shuō)明玻璃裝置本身質(zhì)量問(wèn)題，如是硬 性裝配，就可能造成玻璃件的直接破碎，或由于玻璃應(yīng)力的客觀存在，而在運(yùn)輸中、使用中、甚至是 在靜止一段時(shí)期后自然破裂。（2）玻璃裝置與膠管的連接 連接時(shí)應(yīng)先在聯(lián)接處涂抹硅脂，讓玻璃裝置聯(lián)接處得以充分潤(rùn)滑，手扶玻璃件的就近處，然后， 再小心地將

17、膠管緩慢地來(lái)回旋進(jìn)。上述要求絕不可掉以輕心，否則，稍不注意，就會(huì)造成玻璃件的損 壞。（ 3 ）閥塞和閥體的安裝閥塞和閥體是加工單位按圖紙要求配磨加工的，密封性要求很高。我們安裝時(shí)要對(duì)號(hào)入座，不能 搞錯(cuò)，否則，直接影響到氣密性，在抽真空時(shí)可能達(dá)不到要求。我們裝配工在裝配調(diào)試后要把閥塞與 閥體用橡皮筋對(duì)號(hào)定位固定，這樣就不會(huì)出現(xiàn)因閥塞和閥體搞錯(cuò)而發(fā)生的不應(yīng)該發(fā)生的產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題。(4) 加硅油時(shí)要注意，不要沾污其它地方。如沾污了必須清理干凈，這是個(gè)相當(dāng)麻煩的事，應(yīng)充分注 意。污染的產(chǎn)品是絕對(duì)不能出廠的。2 氣密試驗(yàn)裝置裝配完畢，即可進(jìn)行氣密試驗(yàn)：(1) 連接真空泵和真空規(guī)。(2) 將試管與測(cè)試裝置連

18、接。(3) 順序開(kāi)啟中閥和邊閥，關(guān)閉空閥。(4) 抽真空至v 100Pa (公司內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)在10分鐘內(nèi)抽至w 20Pa。(5) 關(guān)閉邊閥(后，也可再關(guān)閉真空泵)。(6) 關(guān)閉中閥，維持1小時(shí)，觀察U形管的油面變化應(yīng)vlmm(7) 順序開(kāi)啟中閥，開(kāi)啟邊閥，開(kāi)啟空閥。氣密試驗(yàn)達(dá)不到要求，其它再好，也等于零。3其它裝置的裝配工藝及試驗(yàn)要求(1) 升降裝置升降裝置必須做到靈活、平穩(wěn)、晃動(dòng)小，晃動(dòng)過(guò)大，將損壞壓差玻璃裝置。(2) 加熱筒加熱筒與試管套有硅油作導(dǎo)熱，使熱能能均勻傳遞到試管上(見(jiàn)圖10 )。圖10試管和試管套的配合間隙有限，如把試管直接插入加熱爐爐膛，要么，存在有很大間隙，隔了一層空氣，熱傳遞

19、慢且不均勻，要么由于實(shí)際上二部件不可能對(duì)準(zhǔn), 加熱筒上升時(shí)的晃動(dòng)和二部件的中心偏差，將使玻璃部件破裂。所以我們的設(shè)計(jì)是將試管插入試管套中，再將試管套浸在油里，在 試管套和爐膛間有充分的間隙，而間隙中充滿了硅油，既保證了試管和爐膛的自由配合，又保證熱能 的均勻傳遞。油的多少，要控制得當(dāng)，加多了要溢出，加少了也不行，原則上是使油在高溫250C時(shí) 滿而不溢為最好。在裝配技術(shù)要求上給出了加油的量，應(yīng)嚴(yán)格掌握。此外，還要注意硅油的高溫老化 問(wèn)題，硅油長(zhǎng)時(shí)間處于高溫狀態(tài)下，會(huì)越來(lái)越稠，粘度增加，影響導(dǎo)熱，且容積減少，對(duì)傳導(dǎo)熱能影 響很大。因此，必須經(jīng)常檢查，及時(shí)更換，確保裝置的質(zhì)量。4. 隔熱墊塊在標(biāo)定試

20、驗(yàn)及正式試驗(yàn)時(shí)，加熱爐膛已達(dá)到設(shè)定溫度并恒溫。在還未進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，試管離爐膛的 距離還是很近的，高溫將烘烤試管，因此，在這二者之間墊入隔熱墊塊(隔熱墊塊是一塊固形的棕色石棉橡膠板)，也就是為了使溫度 在不需要的時(shí)候不要傳到試管上去。5. 緩沖瓶緩沖瓶(見(jiàn)圖11)。為了避免在抽真空時(shí)，真空泵突然斷電(或抽真空停機(jī))，使真空泵油倒灌進(jìn) 玻璃裝置，在真空泵與玻璃測(cè)試裝置之間串入緩沖瓶(見(jiàn)圖7)，這樣，即使在意外情況下，真空泵油 要倒灌入玻璃裝置(此時(shí)，裝置中可能處于真空狀態(tài)，而真空泵的另一側(cè)卻是大氣壓力)，也是灌入緩 沖瓶而不致影響玻璃測(cè)試裝置。圖11 緩沖瓶四 SF1 裝置的技術(shù)指標(biāo)1含水率測(cè)定范圍SF- 1裝置可以測(cè)得的最高含水量約為1.5mg,這樣：當(dāng)試樣質(zhì)量為3g時(shí)含水率測(cè)定范圍為5500PPm當(dāng)試樣質(zhì)量為0.5g時(shí)，含水率測(cè)定范圍為303000PPm限定測(cè)定范圍的原則是，下限值以肉眼能分辨為限，上限值以系統(tǒng)不產(chǎn)生過(guò)飽和蒸汽（即不進(jìn)入過(guò)飽和區(qū) - 非線性區(qū)）為度。2實(shí)驗(yàn)溫度范圍室 溫：250C顯示誤差：3C（在80C、200C、220C點(diǎn)上）溫度波動(dòng)：2C五 壓差法水分測(cè)