Metodi di misurazione dell'attività dell'acqua: punto di rugiada, TDL, capacità e sensori elettrolitici resistivi

Il processo di misurazione

Indipendentemente dallo strumento o dalla tecnologia dei sensori utilizzata, tutte le misurazioni dell’attività dell’acqua iniziano allo stesso modo. Un campione rappresentativo viene inserito in una camera di misura sigillata, dove viene lasciato raggiungere l’equilibrio con l’aria presente nello spazio di testa sovrastante. Durante questo processo di equilibratura, le molecole d’acqua si spostano tra il campione e l’aria fino a quando la pressione di vapore (o densità di vapore) nello spazio di testa raggiunge un valore stabile. Una volta raggiunto l’equilibrio, l’attività dell’acqua viene determinata utilizzando una delle quattro tecnologie di sensori, suddivise in due metodi primari (diretti) e due metodi secondari (indiretti).

Metodi primari (diretti)

I metodi primari misurano una proprietà fisica fondamentale del vapore d’acqua stesso — ovvero la sua pressione di vapore o la sua concentrazione — anziché dedurre l’attività dell’acqua da un effetto elettrico secondario. Ciò li rende intrinsecamente più accurati e meno soggetti a derive, contaminazioni o interferenze.

Sensore del punto di rugiada a specchio raffreddato. Un sensore del punto di rugiada a specchio raffreddato misura direttamente la temperatura del punto di rugiada dell’aria in equilibrio sopra il campione. Un piccolo specchio viene raffreddato fino a quando sulla sua superficie non si formano le prime goccioline microscopiche di condensa. Un sistema ottico rileva l’inizio della condensa, identificando la temperatura del punto di rugiada, mentre un sensore separato misura la temperatura ambiente della camera. Utilizzando queste due temperature, lo strumento calcola l’umidità relativa — e quindi l’attività dell’acqua — del campione. Poiché si basa sulla relazione termodinamica fondamentale tra punto di rugiada e pressione di vapore, la tecnologia a specchio raffreddato è considerata un metodo diretto e primario di misurazione dell’attività dell’acqua ed è ampiamente riconosciuta come la tecnica più accurata per i campioni non volatili.

Sensore a laser a diodi sintonizzabile (TDL). Un sensore a laser a diodi sintonizzabile misura direttamente la concentrazione delle molecole di vapore acqueo nello spazio di testa. Il sensore emette un raggio laser a infrarossi finemente sintonizzato attraverso l’aria sopra il campione. La lunghezza d’onda del laser, inferiore a un nanometro, è sintonizzata specificamente sull’isotopo più abbondante dell’acqua. Le molecole di vapore acqueo assorbono una parte dell’energia del laser, mentre altri composti volatili — tra cui alcoli, benzina, solventi organici e glicole propilenico — non interferiscono con la misurazione. Misurando l’entità dell’attenuazione del raggio laser, lo strumento determina direttamente la concentrazione di vapore acqueo e calcola l’attività dell’acqua. Poiché misura direttamente la densità del vapore acqueo anziché basarsi sulle variazioni delle proprietà elettriche, il laser a diodo sintonizzabile è considerato un metodo diretto e primario ed è l’unica tecnologia di sensori in grado di misurare con precisione l’attività dell’acqua in campioni contenenti concentrazioni significative di composti volatili.

Metodi secondari (indiretti)

I metodi secondari non misurano direttamente il vapore acqueo. Essi deducono invece l’attività dell’acqua dalla variazione di una proprietà elettrica di un materiale sensibile man mano che questo assorbe umidità. Questi metodi possono essere utili, ma sono generalmente più soggetti alla deriva del sensore, alla contaminazione e alle interferenze rispetto ai metodi diretti.

Sensore di capacità. I sensori di capacità determinano l’attività dell’acqua in modo indiretto, misurando le variazioni delle proprietà elettriche di un polimero igroscopico. Il sensore è costituito da due elettrodi separati da un materiale polimerico dielettrico. Man mano che il vapore acqueo proveniente dal campione viene assorbito dal polimero, la sua costante dielettrica aumenta, provocando una variazione della capacità del sensore. Lo strumento mette in relazione questa variazione di capacità con l’umidità relativa dello spazio di testa e quindi calcola l’attività dell’acqua. Poiché la misurazione è dedotta dalle variazioni di una proprietà elettrica piuttosto che da una misurazione diretta della pressione del vapore acqueo o della concentrazione di vapore, i sensori di capacità sono considerati un metodo indiretto e secondario.

Sensore elettrolitico resistivo. Anche i sensori elettrolitici resistivi misurano l’attività dell’acqua in modo indiretto attraverso le variazioni delle proprietà elettriche. Il sensore è costituito da due sottili bacchette di vetro con elettrodi metallici separate da una soluzione elettrolitica. Man mano che il vapore acqueo viene assorbito dall’elettrolita, i gruppi funzionali ionici si dissociano, modificando l’impedenza elettrica (resistenza) del sensore. Questa variazione di impedenza è correlata all’umidità relativa dello spazio di testa, consentendo allo strumento di stimare l’attività dell’acqua. Come i sensori capacitivi, i sensori elettrolitici resistivi sono considerati metodi indiretti e secondari poiché si basano su risposte elettriche anziché misurare direttamente il vapore acqueo stesso.

Perché AQUALAB utilizza sensori a punto di rugiada e sensori a laser a diodi sintonizzabili

Gli strumenti AQUALAB utilizzano principalmente le tecnologie dello specchio raffreddato per il punto di rugiada e del laser a diodo sintonizzabile (TDL), poiché si tratta di metodi diretti e primari per la misurazione dell’attività dell’acqua. Entrambi i sensori quantificano direttamente lo stato termodinamico dell’acqua nello spazio di testa — sia misurando la pressione di vapore attraverso il punto di rugiada, sia misurando direttamente la concentrazione di vapore acqueo con la spettroscopia laser. Al contrario, i sensori elettrolitici capacitivi e resistivi rappresentano metodi secondari, poiché deducono l’attività dell’acqua dalle variazioni delle proprietà elettriche dei materiali sensibili. Sebbene questi metodi indiretti possano fornire misurazioni utili, sono generalmente più soggetti a deriva del sensore, contaminazione e interferenze rispetto alle tecniche di misurazione diretta impiegate da AQUALAB.

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