CN105571981A - 一种水分含量测定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水分含量测定装置，包括水分测量室、压力平衡室、真空泵、绝对压力传感器、信号放大器和微处理器，水分测量室为密闭容器，用于放置待测量材料；水分测量室、压力平衡室和真空泵依次连接，且在压力平衡室与水分测量室和压力平衡室与真空泵之间的连接管道上分别安装真空阀门；绝对压力传感器的一端与压力平衡室相连，其另一端通过信号放大器与微处理器相连。本发明还公开了一种水分含量测定方法。本发明通过设置密闭容器并利用水的沸点随压力减低而降低的原理，通过给密闭容器抽真空，并采用压力传感器实时检测该密闭容器的压力变化，最后通过微处理器计算待测量材料的含水量，该装置设备简单，方法精确度高，且成本大大降低。

Description

一种水分含量测定装置及方法

技术领域

本发明涉及水分测定技术领域，特别是涉及一种水分含量测定装置及方法。

背景技术

在药品、食品、化工原料等工业部门，材料的水分含量对材料的可处理性、保存期、质量以及使用都有很大关系，如农业部门各种粮食的储藏也需要有含水量的要求。另外，水分含量也关系到材料的价格，具有经济影响。因此，精确测量材料的水分含量非常重要。

现行的测量水分的方法有间接法和直接法两类。间接法是通过测量材料的某些物理特性来间接的感知材料的含水量,例如红外线测量材料的表面反射,含水量不同的材料会产生不同的表面反射,还有电磁法利用水和材料的介电常数的不同来间接的测量材料的含水量。该间接法的缺点是所有的采用间接法测量水分含量的仪器都需要标定,在测量未知水分之前,需要通过测量已知含水量的材料来建立标定曲线。而每种材料的标定曲线都不尽相同,对每种材料都建立标定曲线使得仪器的使用非常繁琐。

直接法是加热称重法(Thermogravimetric)，该方法把被分析样品放在天平上监测重量，同时采用红外辐射源给样品加热。通过测量样品在加热过程中的重量变化，来得到样品的水分含量。但该方法也有很多缺点，例如材料加热的温度不易控制，温度太低，水分蒸发慢，测量时间长，温度太高，很多材料在高温下会分解和挥发，造成重量不断减少，影响水分含量测量的准确度。另外，很多材料在高温下会被破坏,不能采用加热称重法。并且使用加热称重法测量水分含量的仪器需要高精度天平,价格高；还需要强红外加热源；该方法测量时间长，每当待测量材料变化,仪器都需要标定，使用不方便。

本发明的目的在于提出一种的新的直接测量水分含量的原理和装置，能够在室温下方便，快速，精确地完成材料水分测量，不需要标定,并且仪器成本降低。

由此可见，上述现有的水分含量测定方法均存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。如何能创设一种新的操作简单、精度高的水分含量测定装置及方法，成为当前业界极需改进的目标。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种操作简单、精度高的水分含量测定装置，使其克服现有的水分含量测定方法的不足。

为解决上述技术问题，本发明提供一种水分含量测定装置，包括水分测量室、压力平衡室、真空泵、绝对压力传感器、信号放大器和微处理器，

所述水分测量室为密闭容器，用于放置待测量材料；

所述水分测量室、压力平衡室和真空泵依次连接，且在所述压力平衡室与水分测量室和压力平衡室与真空泵之间的连接管道上分别安装真空阀门；

所述绝对压力传感器的一端与所述压力平衡室相连，其另一端通过信号放大器与微处理器相连。

作为本发明的一种改进，还包括所述差分压力传感器，所述差分压力传感器分别通过两根连接管道与所述水分测量室相连，且其中一根连接管道上安装有真空阀门，所述差分压力传感器还通过导线与所述信号放大器连接。

进一步改进，还包括温控装置，所述温控装置为恒温加热装置，设置在所述水分测量室的底部。

进一步改进，所述温控装置与所述微处理器相连并由其控制。

进一步改进，所述真空阀门为真空电磁阀。

本发明还提供一种水分含量测定方法，所述方法步骤包括：

(1)先将待测量材料放入密闭容器中，再将所述密闭容器抽真空；

(2)通过压力传感器实时测量所述密闭容器中的压力变化，并将所述压力传感器测量到的压力信号传送至微处理器，通过所述微处理器计算所述待测量材料中的水分含量。

作为本发明的一种改进，所述步骤(1)中所述密闭容器通过压力平衡室与抽真空装置连接。

进一步改进，所述步骤(2)中通过差分压力传感器实时测量所述密闭容器中的压力变化。

采用上述的技术方案，本发明至少具有以下优点：

本发明通过设置密闭容器，并利用水的沸点随压力减低而降低的原理，通过给密闭容器抽真空，并采用压力传感器实时检测该密闭容器的压力变化，最后通过微处理器计算待测量材料的含水量。该装置设备简单，方法测量精确度高，且测量成本大大降低。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明水分含量测定装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明水分含量测定方法利用水的沸点随压力减低而降低的原理，先将待测量材料置于密闭容器中，该密闭容器通过电磁阀门与真空泵相连,通过真空泵的运行使该容器和待测量材料处于低压力状态，此时待测量材料中的水分极易蒸发。由于待测量材料处于密闭容器中,当其水分蒸发，会改变密闭容器的压力.再通过使用压力传感器测量密闭容器的压力变化，以及密闭容器中压力变化与待测量材料水分蒸发量的对应关系，计算出该待测量材料中的水分含量。例如，在常压下(0.1MPa)水的沸点是100摄氏度，而当容器内的压力达到3450Pa时，水的沸点是25摄氏度，从而使得待测量材料中的水分在室温下就能进行气化蒸发。当密闭容器的体积和温度一定时，密闭容器内的压力和待测量材料的水分蒸发量可以用理想气体定律描述，如下式(1)

PV＝NRT(1)

其中，P是密闭容器内的压力；V是密闭容器的体积；T是密闭容器和待测量材料的温度；R是理想气体常数(Boltzmannconstant)；N是所蒸发水分的摩尔(mole)数。

容器的体积V是一个固定的设计常数,若实时、同步、高频率的测量密闭容器的压力和温度,通过公式(1)的计算可以得到任一瞬间材料所蒸发的水分摩尔数。而水的摩尔重量(18克/摩尔)是已知物理常数,通过换算所蒸发的水分摩尔数，可以得到任一瞬间所蒸发水分的重量，如克、毫克或微克等。

再利用微处理器中嵌入式软件对水分蒸发的瞬间重量进行时间积分(累加),则可得到截止到当前时间为止材料蒸发的所有水分总量。同时，嵌入式软件也实时监测蒸发量随着时间的变化，当待测量材料蒸发的水分量不再变化时,说明待测量材料中的水分已经完全蒸发,停止测量过程,此时的水分蒸发总量即是待测量材料的含水量。

且本发明水分测量的精度也大大高于常规的加热称重法。由理想气体定律(公式1)，对压力和摩尔数取导数，压力的变化(dP)和气体摩尔数的变化(dN)比值(dP/dN)是单位气体摩尔数的变化所对应的压力变化灵敏度,如下式(2)：

dP/dN＝RT/V(2)

当待测量材料的体积很小时，密闭容器的体积(V)可以很小，此时由公式(2)可得出，压力变化灵敏度可以达到很大,即使微克甚至纳克的水分蒸发也会引起压力变化，从而使得高精度水分测量成为可能。而常规的加热称重法测量微克至纳克的水分含量会非常困难，即使可能，也需要昂贵的高精密天平，成本很高。

参照附图1所示，本实施例水分含量测定装置包括水分测量室1、温控装置9、压力平衡室4、真空泵5、绝对压力传感器3、信号放大器10和微处理器8。

水分测量室1是一密闭容器，用来放置待测量材料2。且其上设置真空电磁阀门15与外界连通，用于平衡水分测量室内外的压力。

温控装置9是一恒温加热装置，设置在水分测量室1的底部，其温度变化通过微处理器8控制。本实施例选用300瓦的脉冲加热装置，能够补偿待测量材料蒸发时所消耗的热量和环境温度的变化,保证水分测量室1在测定过程中始终保持恒温。

压力平衡室4用于压力平衡，其通过空气管道6分别连接水分测量室1和真空泵5，且在压力平衡室4与水分测量室1和压力平衡室4与真空泵5之间的空气管道6上分别安装真空电磁阀门13和14。另外该压力平衡室4还通过空气管道6连接有绝对压力传感器3。测量时，先关闭真空电磁阀门13，开启真空电磁阀门14，并启动真空泵5，使气体平衡室4内达到真空状态，并通过绝对压力传感器3监测气体平衡室4内的压力，当气体平衡室4的压力达到小于20毫米汞柱时，停止真空泵5，关闭真空电磁阀门14，然后开启真空电磁阀门13，则压力平衡室4和水分测量室1连通，由于水分测量室1处于密闭状态，而压力平衡室4处于真空状态，开启真空电磁阀门13后,水分测量室1内的压力会和压力平衡室4内的压力平衡，使得水分测量室1处于真空状态，待测量材料2中的水分开始蒸发。随着待测量材料2中的水分不断蒸发，其压力平衡室4和水分测量室1中的压力开始变化，由绝对压力传感器3实时监测其压力变化。

该真空泵5采用的是功率为3/4马力(560瓦)的泵体，气体抽速每分钟220升，极限真空小于2000Pa，用于抽取压力平衡室4中的空气，使其达到低压真空状态。

该绝对压力传感器3采用的型号为MPX2100DP，量程0-0.1MPa，已标定并具有温度补偿装置，可将压力平衡室4内的气压转换成电信号发送给信号放大器10。

该信号放大器10用于放大压力传感器发送的电信号并去噪声，然后再发送至微处理器8。

该微处理器8采用PIC18F452处理器，包括模数转换装置，模数转换装置能够将信号放大器10发来的电信号转换成数字信号，再由嵌入式软件处理，计算待测量材料2中的含水量。该微处理器8还根据信号放大器10发来的电信号控制测量过程，通过控制温控装置9保证水分测量室1处于恒定温度，并根据测量的压力变化值判断待测量材料2是否达到干燥状态。

为了进一步提高该水分测定装置的精确度，该水分含量测定装置还包括差分压力传感器11。该差分压力传感器11分别通过两根空气管道6与水分测量室1相连，且其中一根空气管道6上安装一个真空电磁阀门12，该差分压力传感器11还通过导线7与信号放大器10连接。当真空电磁阀门12处于开通状态时，差分压力传感器11两端的压力相等，差分压力传感器11的信号输出为零。当真空电磁阀门12关闭后，差分压力传感器11和真空电磁阀门12相连的一端压力保持在一个恒定值，差分压力传感器11另一端的压力随着水分测量室1内的压力变化而变化。这样，就在差分压力传感器11的两端造成一个压力差，其压力差转换成电信号后发送给信号放大器10，再由信号放大器10放大电信号并去除噪音后传送给微处理器8。

该差分压力传感器11的测量精度比绝对压力传感器3要高十倍，可以更精确的测量水分测量室1的压力变化。本实施例中差分压力传感器11型号为MPX210DP，量程0-75毫米汞柱，已标定并具有温度补偿装置。

本发明水分含量测定装置的测量过程包括以下步骤:

(1)开启真空电磁阀门15和打开水分测量室1,将待测量材料2放入水分测量室1中；

(2)开启恒温装置9,使水分测量室1内和待测量材料2达到恒温；

(3)关闭真空电磁阀门15和真空电磁阀门13,并开启真空电磁阀门14；

(4)启动真空泵5,使气体平衡室4达到真空状态,通过绝对压力传感器3监测气体平衡室4内的压力；

(5)当气体平衡室4的压力达到小于20毫米汞柱时,停止真空泵5,关闭真空电磁阀门14,开启真空电磁阀门13连接水分测量室1和压力平衡室4，此时水分测量室1内的压力会和压力平衡室4内的压力平衡,使得水分测量室1处于真空状态，待测量材料2的水分开始蒸发；

(6)关闭真空电磁阀门12，差分压力传感器11开始测量水分测量室1内的压力变化,并将电信号传输给信号放大器10；

(7)微处理器8把信号放大器10的模拟差分压力信号转换成数字信号,并根据压力、温度和水分测量室的体积,由公式(1)计算待测量材料2的水分蒸发量；

(8)微处理器8在计算水分蒸发量的同时，监测差分压力传感器11的压力信号变化，随着待测量材料2的水分蒸发,水分测量室1内的压力逐渐升高，当水分测量室1内的压力达到一定数值时,待测量材料2的水分蒸发会停止,从而使得差分压力传感器11的压力信号不再变化，此时,打开真空电磁阀门12，关闭真空电磁阀门13，并打开真空电磁阀门14和启动真空泵5,使气体平衡室4达到真空状态；通过绝对压力传感器3监测气体平衡室内的压力；

(9)重复步骤(5)至(8)，直到待测量材料2的水分蒸发量不再变化，此时关闭真空泵5，打开真空电磁阀门15，取出和更换待测量材料2，并由微处理器8计算得出该待测量材料2中的水分含量。

本发明使用压力计感知密闭容器的压力，通过压力变化测量待测量材料的水分蒸发，从而得到待测量材料的含水量。无需使用高精度天平，且压力计的价格低于高精度天平价格3至4个量级，使得水分测量的成本大大降低。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种水分含量测定装置，其特征在于，包括水分测量室、压力平衡室、真空泵、绝对压力传感器、信号放大器和微处理器，

所述水分测量室为密闭容器，用于放置待测量材料；

所述水分测量室、压力平衡室和真空泵依次连接，且在所述压力平衡室与水分测量室和压力平衡室与真空泵之间的连接管道上分别安装真空阀门；

所述绝对压力传感器的一端与所述压力平衡室相连，其另一端通过信号放大器与微处理器相连。

2.根据权利要求1所述的水分含量测定装置，其特征在于，还包括所述差分压力传感器，所述差分压力传感器分别通过两根连接管道与所述水分测量室相连，且其中一根连接管道上安装有真空阀门，所述差分压力传感器还通过导线与所述信号放大器连接。

3.根据权利要求1或2所述的水分含量测定装置，其特征在于，还包括温控装置，所述温控装置为恒温加热装置，设置在所述水分测量室的底部。

4.根据权利要求3所述的水分含量测定装置，其特征在于，所述温控装置与所述微处理器相连并由其控制。

5.根据权利要求2所述的水分含量测定装置，其特征在于，所述真空阀门为真空电磁阀。

6.一种水分含量测定方法，其特征在于，所述方法步骤包括：

(1)先将待测量材料放入密闭容器中，再将所述密闭容器抽真空；

(2)通过压力传感器实时测量所述密闭容器中的压力变化，并将所述压力传感器测量到的压力信号传送至微处理器，通过所述微处理器计算所述待测量材料中的水分含量。

7.根据权利要求6所述的水分含量测定方法，其特征在于，所述步骤(1)中所述密闭容器通过压力平衡室与抽真空装置连接。

8.根据权利要求6所述的水分含量测定方法，其特征在于，所述步骤(2)中通过差分压力传感器实时测量所述密闭容器中的压力变化。