压差法水分测定原理.docx

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压差法水分测定原理

压差法水分测定原理

压差法水分测定原理

主讲人：

姚汉梁

教育培训部整理

上海思尔达科学仪器有限公司

前言

常用塑料粒子微量水分的测定方法，有压差法、电解法、卡尔费休法等等。

其中压差法水分测定，以其快速、准确、操作方便、使用成本低（接近于零，而像卡尔费休等方法，试剂耗费庞大）等优点已被广泛应用在化纤、塑料工业的中间工艺过程中。

压差法水分测定装置适用于测定极微量的水分。

水在低压状态下的沸点很低，因此，在接近真空的压力状态下，水总会以气态的形式存在，而随着压力的增加，又会重新凝结成水。

本讲座主要讲的是压差法水分测定的原理，这是一种比较法。

先用不同质量的具有已知含水率的标准试样做试验，得出不同的水分所对应的不同的压力的标示，然后用待测样品去做试验，试验结果同样用压力标示，那么，在所对应的压力处，根据原先用标准试样做得的结果，就可知道该待测样品的含水量。

压差法水分测定原理

一．引言

1．一个有关水分的实验

一块木块，我们想知道它的含水量，最简单的方法是什么呢？

首先称重，这时的重量包括木块的重量和里面所包含的水分的重量；

然后烘干；

再称重，这时的重量就只剩下木块的重量了。

这块木块的含水量（即水分含量），即原先这块木块所含有的水分，就是二次称重之差。

那末，我们平时所言的含水率是什么呢？

注意这里的“率”，其意为“比率”，也可简单理解为“百分比”，这里的含义是，占有百分之几。

比如，上面的例子中

水分含量/原木块重量＝原木块的含水率

这是个相对值的概念，如原木块重200g，烘干后为190g，那么，其中的水分含量就是10g，其含水率为5％。

要搞清这二个概念，10g水是个绝对值，而5％的含水率是相对值。

2．液位的平衡

图1

如图1所示，在U形管内加水，在管口都敞开的情况下，二侧的压力是相等的，液位也是相等的。

如果使二端管口压力不等，U形管二侧的液位也不会相等。

也就是：

（1）当U形管二端敞开（压力相等）二液位处于同一水平面。

（2）当U形管一端增加压力，二侧液位发生变化，增压端液位

下降，另一端液位上升。

液位的平衡与不平衡及其变化的程度，均与U形管二端的压力差有关。

二．压差法水分测定的原理

1．测定装置的结构

图2

图3试管

测定装置是由压差管（图2）、试管（图3）二套玻璃装置组合而成。

在压差管中，包含了玻璃泡A、B，充注油的U形管，以及中阀和边阀，它们一起构成了一个气密系统（参见图4）。

2．工作原理

图4

请参阅图4

（1）当中阀开启时，U形管二侧液面处于同一水平面，二边压力差相等（见图4）。

（2）当中阀关闭时，U形管二侧液面的高低取决于中阀二侧的压力变化。

3．实验过程

（1）开启中阀，关闭边阀，在边阀左侧，用真空胶管接上真空规（它是能够指示真空程度的装置）（见图5a），同时通过缓冲瓶（其原理见后述）接上真空泵（图6），注意真空规此时应处于图5a的位置。

系统接好后，如图7所示。

（2）启动真空泵，再缓缓开启边阀，系统抽真空。

U形管中加入硅油后第一次抽真空，可能费时需长达小时，因为硅油中混有空气，抽真空时，将首先把油中的空气抽出。

可以明显地观察到油中气泡的形成。

（3）5分钟后，将真空规逆时针方向缓慢旋转90º，至图5b的位置，看真空规中水银在毛细管中的上升位置，应＜100Pa（公司内部标准≤20Pa）。

如未达到要求，将真空规顺时针方向缓慢旋转90º，恢复到图5a的位置后，继续抽真空过几分钟再看。

图5a的位置，是真空规在被抽真空时的状态，图5b的位置是观察被抽真空所达到真空程度的状态。

（4）如10分钟后，还达不到预期的真空效果，应考虑到系统气密故障的可能性，如达到了预期真空效果，则抽真空过程结束。

除了在观察真空度的情况下，真空规都应恢复（保持）到图5a的状态。

（5）关闭边阀（此时也可以关闭真空泵了，但是必须先关闭边阀）。

此时中阀仍然是开启的，管道内各处压力相等。

（6）关闭中阀。

原来整个管道，通过中阀平衡连通各处压力，现在中阀关闭，只能靠U形管中的油，来传递左右二侧的压力了。

如果左右二侧压力保持原态不变，油面也保持原态不变，在同一水平面上。

如某处有泄漏、即使是轻微的泄漏，也将使二侧压力不平衡（泄漏侧压力增加），油位发生变化，泄漏侧油位下降。

当然，如果二侧的泄漏量是一样的，液面也不会发生变化，不过，这种可能性几乎没有。

图5a

图5b

图6真空泵

注：

1.中阀──用于连通和关断U形管的左右侧；

2.边阀──用于连通和关断U形管装置与真空泵，以及大气

的连接状态；

3.空阀──当空阀开通时，可使真空泵、真空规与大气相

连，也可使测试装置与大气相连（此时边阀开启）。

图7

4．水分测定过程

上述是在试管内是空的情况，接下来叙述的，是在试管内加入含有水分的物质后的情况。

（1）在试管内加入待测样品，与压差管连接。

（2）关闭空阀、开启中阀、边阀，抽真空至＜100Pa（公司内部

标准，≤20Pa），越小越好。

（3）关闭边阀（后，也可关闭真空泵）。

（4）关闭中阀。

次序千万不可搞错，否则，由于U形管二侧压力骤变，其中的油将冲向上边的水平管而难以清洗。

（5）加热试管内的样品。

加热样品到什么温度是有一定要求的，

加热的温度越高，水分跑出来固然越快，但也会导致样品分子结构的破坏。

一般试管内样品加热的时间约10分钟左右。

（6）在样品加热过程中，水分逐渐逸出，U形管右侧油位逐渐

下降，到一定程度（10分钟左右）趋于稳定。

（7）U形管右侧油位的下降程度（用Δh表示,见图4）与样品中逸出的水分量有关。

我们可以根据油位的变化，推断出样品中的水分含量。

为了知道油位的下降和样品中的水分含量的关系，我们要对这套装置进行标定。

5．水分测定装置的标定

（1）标定目的

如前所述，实验时，不同的水分含量在右侧油面上会产生不同的压力，也就是说，油位会有不同的下降程度Δh。

那么，我们就可以建立一个直角坐标（见图8），纵坐标为m·W表示样品中的水分含量，横坐标为油位的高度变化Δh（即下降的距离），那么，我们将用不同的水分含量的样品做的实验，结果以坐标点的形式标注在坐标系中。

可以看到，各点可近似地连接为一条直线。

在数学中，纵坐标为y，横坐标为x，如果在坐标系中也有这么根斜线，它的方程式为：

y=k·x

其中，K即为该直线的斜率。

在此，我们同样可以把水分量与油位的变化以下式表示：

m·W=k·Δh其中，K同样为直线的斜率。

如果，我们在已知水分含量的情况下，做了多次实验，并得到了这一条直线，那么，在以后的正式样品的测试中，只要记录U

形管中的液位的变化Δh，那么，就可很快地求得样品中的含水量m·W=k·Δh。

一般地，m·W的单位用g表示，Δh的单位用mm表示。

斜率大小由实验装置（主要是压差管）的内容积决定，压差管

的玻璃球小，斜率平坦，因为内部空间小，少的水分含量就能产生比较大的压力，如球泡较大，要产生同样大的压力，就需要有比较多的水分含量了。

（2）标定方法

首先要找到一种物质，它应该含有固定的含水率，而且在合适的高温下，内在的水分子能脱离物质逸出而不致破坏其物质本身。

一般情况下，下列几种物质可供我们使用：

a.钼酸纳

钼酸纳的分子式为Na2MOO4·2H20,其分子量为241.92，在它的分

子式中，含有二个结晶水（H20），其分子量为36，如果以W表示每克该物质中的水分的含量（即含水率），那么：

如在5mg的钼酸纳中，就会有结晶水0.74405mg,也就是说，在合适的高温形态下（一般200℃左右），它们会有0.74405mg的水逸出，以蒸汽的状态充塞在处于真空状态的水分测定装置的管道和右边的玻璃球中，继而对右侧油位面产生压力。

b.钨酸纳

钨酸纳的分子式为Na2WO4.2H20,其分子量为329.75，二个水分

的分子量为36，那么：

c.硫酸铜

要注意，并不是所有含有结晶水的物质，在合适的温度下，其

结晶水都能从物质中逸出。

这里所介绍的硫酸铜就是这样的。

硫酸铜的分子式是CuSO4·5H20,其分子量为249.6,但其5个结

晶水中，只能逸出4个，因此，其含水率：

我们目前使用的是第一种──钼酸纳。

选定了试验用的标准样品，我们就可以按下列步骤，进行整个装置的标定工作：

a.分4、8、12、16、20mg左右称取五种量的钼酸纳。

称量必须精确到0.1mg，记录下来。

由于称量很小，因此，称量时宜直接放入试管底部中称取，不要粘到管壁上，严格防止粘落到管口。

称量以后，如不马上实验，应置于干燥皿中。

b.将加热炉筒摇至最低，升温至200℃左右，稳定。

c.打开空阀，将装有钼酸纳的试管的锥孔（管口）套上压差管右侧直管下的锥口，稍向上用力（另一只手协助，防止压差管断裂），

朝一个方向旋转数十圈，以保证密封。

d.在试管与加热炉筒之间垫入一块隔热垫块。

e.关闭空阀，抽真空，至＜100Pa（公司内部标准≤20Pa）。

f.关闭边阀（也可再关闭真空泵），关闭中阀。

g.移去隔热垫块，将加热炉筒换上，试管插入炉筒中间的试管套中。

试管底部应与试管套底接触。

小心操作，注意不要损坏。

h.油位开始变化，且越来越大，约十分钟，趋于稳定。

待变化十分缓慢，不易觉察时，记录油位的变化Δh。

i.开启中阀，油位恢复平衡，慢慢地开启边阀，再慢慢开启空阀，系统与大气连通。

j.取（旋转）下试管，换上另一支装有标准样品并已称重、记录的

试管，重复上述步骤，至已准备的试管全部试验完毕。

由此，得到了5组水分含量（m·w）与油位变化量（Δh）的数据，将其标注在m·w－Δh坐标图上，得到五个点，连接起来就是一条近似的直线（见图8，图9）。

坐标中m·w是样品的含水量，其中：

W－在这里是，标准样品的含水率，如钼酸纳为0.14881。

m－标准样品的质量，用0.1mg精度的天平称得，如4.0mg。

m与W的乘积即为质量的m的样品中的水分含量。

如4.0mg的钼酸纳，内含水分为：

4mg×14.881％=0.595mg

如实验正确，五点可近似连为一直线，就可求得该m·W的装置的K值。

如不能近似地连为一直线，就要检查实验中的问题。

如样品称重的不正确，气密性不符合等等。

如果我们继续增加标准样品的试验用量，我们会发现，当达到一定值时，Δh不再随样品量的增加而成比例地增加，甚至不再增加，如图9实线部分。

这表明，由于水分量的增加，对该系统而言已达到了蒸汽的饱和状态，如果继续增加，还可观察到玻璃泡壁上出现雾状水汽凝结，这也就是过饱和蒸汽现象。

在此已无使用价值，我们使用的只是直线部分即A点以左区域。

注意，K值与环境温度有关，一般保持在250C左右的环境温度下，以减少测试误差。

图9

三．装配工艺要求

1．机械装配

看清图纸和技术要求，严格按图施工，是每一个操作工人的基本素质；凭经验自以为是，不看图纸，是工作中的大忌。

装配工作，除了必须保证内在技术指标，还必须保证产品的外观。

客户对产品的直观印象将直接关系到客户对该产品的购买欲。

因此，从装配工人到技术人员、管理人员，必须是一丝不苟、认真把关，确保产品质量。

（1）玻璃仪器

玻璃仪器装配时要做到轻拿轻放，注意防止破碎。

安装固定部分时要垫软垫，要顺其自然，不能过分用力。

玻璃装置安装时要自然妥贴。

如不能妥贴放置安装，说明玻璃装置本身质量问题，如是硬性装配，就可能造成玻璃件的直接破碎，或由于玻璃应力的客观存在，而在运输中、使用中、甚至是在静止一段时期后自然破裂。

（2）玻璃装置与胶管的连接

连接时应先在联接处涂抹硅脂，让玻璃装置联接处得以充分润滑，手扶玻璃件的就近处，然后，再小心地将胶管缓慢地来回旋进。

上述要求绝不可掉以轻心，否则，稍不注意，就会造成玻璃件的损坏。

（3）阀塞和阀体的安装

阀塞和阀体是加工单位按图纸要求配磨加工的，密封性要求很高。

我们安装时要对号入座，不能搞错，否则，直接影响到气密性，在抽真空时可能达不到要求。

我们装配工在装配调试后要把阀塞与阀体用橡皮筋对号定位固定，这样就不会出现因阀塞和阀体搞错而发生的不应该发生的产品质量问题。

（4）加硅油时要注意，不要沾污其它地方。

如沾污了必须清理干净，这是个相当麻烦的事，应充分注意。

污染的产品是绝对不能出厂的。

2．气密试验

装置装配完毕，即可进行气密试验：

（1）连接真空泵和真空规。

（2）将试管与测试装置连接。

（3）顺序开启中阀和边阀，关闭空阀。

（4）抽真空至＜100Pa（公司内部标准在10分钟内抽至≤20Pa）。

（5）关闭边阀（后，也可再关闭真空泵）。

（6）关闭中阀，维持1小时，观察U形管的油面变化应＜1mm。

（7）顺序开启中阀，开启边阀，开启空阀。

气密试验达不到要求，其它再好，也等于零。

3．其它装置的装配工艺及试验要求

（1）升降装置

升降装置必须做到灵活、平稳、晃动小，晃动过大，将损坏压差玻璃装置。

（2）加热筒

加热筒与试管套有硅油作导热，使热能能均匀传递到试管上（见图10）。

图10

试管和试管套的配合间隙有限，如把试管直接插入加热炉炉

膛，要么，存在有很大间隙，隔了一层空气，热传递慢且不均匀，要么由于实际上二部件不可能对准，加热筒上升时的晃动和二部件

的中心偏差，将使玻璃部件破裂。

所以我们的设计是将试管插入试管套中，再将试管套浸在油里，在试管套和炉膛间有充分的间隙，而间隙中充满了硅油，既保证了试管和炉膛的自由配合，又保证热能的均匀传递。

油的多少，要控制得当，加多了要溢出，加少了也不行，原则上是使油在高温250℃时满而不溢为最好。

在装配技术要求上给出了加油的量，应严格掌握。

此外，还要注意硅油的高温老化问题，硅油长时间处于高温状态下，会越来越稠，粘度增加，影响导热，且容积减少，对传导热能影响很大。

因此，必须经常检查，及时更换，确保装置的质量。

4．隔热垫块

在标定试验及正式试验时，加热炉膛已达到设定温度并恒温。

在还未进行试验时，试管离炉膛的距离还是很近的，高温将烘烤试

管，因此，在这二者之间垫入隔热垫块（隔热垫块是一块固形的棕色石棉橡胶板），也就是为了使温度在不需要的时候不要传到试管上去。

5．缓冲瓶

缓冲瓶（见图11）。

为了避免在抽真空时，真空泵突然断电（或抽真空停机），使真空泵油倒灌进玻璃装置，在真空泵与玻璃测试装置之间串入缓冲瓶（见图7），这样，即使在意外情况下，真空泵油要倒灌入玻璃装置（此时，装置中可能处于真空状态，而真空泵的另一侧却是大气压力），也是灌入缓冲瓶而不致影响玻璃测试装置。

图11缓冲瓶

四．SF－1装置的技术指标

1．含水率测定范围

SF－1装置可以测得的最高含水量约为1.5mg,这样：

当试样质量为3g时含水率测定范围为5～500PPm；当试样质量为0.5g时，含水率测定范围为30～3000PPm。

限定测定范围的原则是，下限值以肉眼能分辨为限，上限值以

系统不产生过饱和蒸汽（即不进入过饱和区－非线性区）为度。

2．实验温度范围

室温：

～250℃

显示误差：

±3℃（在80℃、200℃、220℃点上）

温度波动：

±2℃

五．压差法水分测定的适用范围

压差法水分测定只适用于5～3000PPm微量水分的测定，不适用于含量较多的水分测定，因此，它特别适用于：

1．化纤生产工艺过程中的熔融纺丝前的原料含水率测试；

2．真空包装尼龙6等的含水率测定；

3．其它适用此法的水分测定。

它还不适用于以下材料的测试：

1.在水分逸出时，材料中有其它物质也同时逸出的，且其逸出量会明显影响到水分含量的测试精度的；

2.在试验温度下，材料结构发生变化，不能保证水分含量准确测定的。

六．一般材料的参考试验温度

聚酯PET──220℃

尼龙66──220℃

尼龙6──180℃

附：

真空规的水银加注方法。

真空规在未使用以前，里面的水银泡是空的，需要用户在第一次使用前，将水银灌入，请依据下法操作：

1．配备漏斗1只；

2．配备内径Φ6长约100mm橡胶管1根（如使用胶管前，发现其内有滑石粉或其它之类的东西，必须要清理干净）；

3．将橡胶管两端分别与漏斗出口和转动式真空规接口处套接好；

4．倾斜450，将水银缓慢加入真空规内，灌入量约为10-12ml（见图12）。

如无漏斗和胶管，可用硬纸自制喇叭口插入真空规接口处，再将水银灌入，但不够方便，一般不采用；

5．水银灌入真空规后，必须做好清理工作。

平时如图5a放置。

图12

备注：

真空规的使用方法：

（1）真空规如图5a放置，在接口处涂以硅脂后用真空胶管与待测系统连接。

（2）抽真空（真空规在图5a位置）。

（3）测量时把真空规逆时针方向转动900到图5b的位置。

此时真空规内刻度板前右侧玻璃管道中的水银面对准刻度上的零线。

（4）真空规内刻度板前的左侧管道内的水银柱上升后，其水银面所指示的刻度即为系统之真空度。