Metody pomiaru aktywności wody: punkt rosy, TDL, czujniki pojemnościowe i elektrolityczne rezystancyjne

Proces pomiarowy

Niezależnie od przyrządu czy technologii czujnika, wszystkie pomiary aktywności wody zaczynają się tak samo. Reprezentatywna próbka umieszczana jest w szczelnej komorze pomiarowej, gdzie dochodzi do stanu równowagi z powietrzem w przestrzeni nad nią. Podczas tego procesu cząsteczki wody przemieszczają się między próbką a powietrzem, aż ciśnienie par (lub gęstość par) w przestrzeni nad próbką osiągnie stabilną wartość. Po osiągnięciu równowagi aktywność wody jest determinowana przy użyciu jednej z czterech technologii czujników, podzielonych na dwie metody pierwotne (bezpośrednie) oraz dwie metody wtórne (pośrednie).

Metody pierwotne (bezpośrednie)

Metody pierwotne mierzą fundamentalną właściwość fizyczną samej pary wodnej – jej ciśnienie par lub stężenie – zamiast wnioskować o aktywności wody na podstawie wtórnego efektu elektrycznego. Dzięki temu są one z natury dokładniejsze i mniej podatne na dryf, zanieczyszczenia czy zakłócenia.

Czujnik punktu rosy z chłodzonym lustrem. Czujnik punktu rosy z chłodzonym lustrem mierzy bezpośrednio temperaturę punktu rosy powietrza w stanie równowagi nad próbką. Niewielkie lustro jest schładzane do momentu, gdy na jego powierzchni pojawią się pierwsze mikroskopijne krople kondensatu. Układ optyczny wykrywa początek kondensacji, określając temperaturę punktu rosy, podczas gdy oddzielny czujnik mierzy temperaturę otoczenia komory pomiarowej. Na podstawie tych dwóch temperatur przyrząd oblicza wilgotność względną – a tym samym aktywność wody – próbki. Ponieważ technologia ta opiera się na fundamentalnej zależności termodynamicznej między punktem rosy a prężnością par, jest uważana za bezpośrednią, pierwotną metodę pomiaru aktywności wody i powszechnie uznawana za najdokładniejszą technikę dla próbek nieulegających lotności.

Czujnik z przestrajalnym laserem diodowym (TDL). Czujnik z przestrajalnym laserem diodowym mierzy bezpośrednio stężenie cząsteczek pary wodnej w przestrzeni nadpowierzchniowej (headspace). Czujnik emituje precyzyjnie dobraną wiązkę laserową w zakresie podczerwieni ponad próbką. Długość fali lasera, wynosząca mniej niż jeden nanometr, jest dostosowana specjalnie do najpowszechniejszego izotopu wody. Cząsteczki pary wodnej pochłaniają część energii lasera, podczas gdy inne związki lotne – w tym alkohole, benzyna, rozpuszczalniki organiczne i glikol propylenowy – nie zakłócają pomiaru. Mierząc stopień osłabienia wiązki laserowej, przyrząd bezpośrednio określa stężenie pary wodnej i oblicza aktywność wody. Ponieważ mierzy on bezpośrednio gęstość pary wodnej, a nie bazuje na zmianach właściwości elektrycznych, przestrajalny laser diodowy jest również uważany za bezpośrednią, pierwotną metodę i stanowi jedyną technologię czujników zdolną do dokładnego pomiaru aktywności wody w próbkach zawierających znaczne stężenia związków lotnych.

Metody wtórne (pośrednie)

Metody wtórne nie mierzą pary wodnej bezpośrednio. Zamiast tego wnioskują o aktywności wody na podstawie zmiany właściwości elektrycznych materiału czujnika w miarę absorpcji wilgoci. Metody te mogą być przydatne, lecz zazwyczaj są bardziej podatne na dryf czujnika, zanieczyszczenia i zakłócenia niż metody bezpośrednie.

Czujnik pojemnościowy. Czujnik pojemnościowy określa aktywność wody w sposób pośredni, mierząc zmiany właściwości elektrycznych polimeru higroskopijnego. Czujnik składa się z dwóch elektrod rozdzielonych polimerowym materiałem dielektrycznym. W miarę pochłaniania pary wodnej z próbki przez polimer, jego stała dielektryczna rośnie, co powoduje zmianę pojemności elektrycznej czujnika. Przyrząd koreluje tę zmianę pojemności z wilgotnością względną przestrzeni nadpowierzchniowej, a następnie oblicza aktywność wody. Ponieważ pomiar jest wnioskowany ze zmian właściwości elektrycznej, a nie stanowi bezpośredniego pomiaru prężności lub stężenia pary wodnej, czujniki pojemnościowe są uważane za pośrednią, wtórną metodę.

Czujnik rezystancyjno-elektrolityczny. Czujniki rezystancyjno-elektrolityczne również mierzą aktywność wody w sposób pośredni poprzez zmiany właściwości elektrycznych. Czujnik składa się z dwóch cienkich prętów szklanych z elektrodami metalowymi rozdzielonymi roztworem elektrolitu. W miarę absorpcji pary wodnej przez elektrolit, jonowe grupy funkcyjne ulegają dysocjacji, co zmienia impedancję elektryczną (rezystancję) czujnika. Zmiana ta jest korelowana z wilgotnością względną przestrzeni nadpowierzchniowej, co pozwala przyrządowi oszacować aktywność wody. Podobnie jak czujniki pojemnościowe, czujniki rezystancyjno-elektrolityczne są uważane za metody pośrednie, wtórne, ponieważ opierają się na reakcjach elektrycznych, a nie na bezpośrednim pomiarze samej pary wodnej.

Dlaczego AQUALAB stosuje czujniki punktu rosy oraz z przestrajalnym laserem diodowym

Przyrządy AQUALAB wykorzystują głównie technologie punktu rosy z chłodzonym zwierciadłem oraz przestrajalnego lasera diodowego (TDL), ponieważ stanowią one bezpośrednie, pierwotne metody pomiaru aktywności wody. Oba czujniki bezpośrednio kwantyfikują stan termodynamiczny wody w przestrzeni nad próbką – poprzez pomiar ciśnienia par w punkcie rosy lub bezpośredni pomiar stężenia pary wodnej za pomocą spektroskopii laserowej. W przeciwieństwie do nich, czujniki pojemnościowe i rezystancyjno-elektrolityczne są metodami wtórnymi, ponieważ wnioskują o aktywności wody na podstawie zmian właściwości elektrycznych materiałów czujnikowych. Choć te metody pośrednie mogą dostarczać użytecznych pomiarów, są one zazwyczaj bardziej podatne na dryf czujnika, zanieczyszczenia i zakłócenia niż techniki bezpośredniego pomiaru stosowane przez AQUALAB.

‍