红外水分测定仪原理及应用范围

红外线加热失重法正是利用了红外线加热物 日常进货检验及过程控制。
体的热效应和强穿透能力， 使被测物体的水分快速
２．２ 设计的关键及优势
蒸发而失重， 通过物体的初始质量和物体蒸发水分
在设计开发中， 我们主要解决了水分仪热温度
后的质量的数据， 获得被测物体在某一特定温度下 的变化对电子天平读数精度的影响这一技术关键
３７ 卷
Ｌ＝（ Ｇ－ ｇ） Ｇ
第
Ｒ＝ ｇ
１
Ｇ
期
ＬＲ＝（
Ｇ－ ｇ） Ｇ
ＯＲ＝
Ｇ ｇ
外线加热单元而组成。因此水分仪的加热部分是必
（ １）
不可少的。但当加热部分开始工作时， 产生的热量
会直接影响到电子天平的零点漂移和感量漂移， 天
（ ２） 平的精度与性能随之下降。经过反复研究决定在设
计中从三个关键口入手。其一， 硬件模拟线路中增
３７
间 较 短 、测 量 精 度 适 用 于 大 多 数 用 户 。 广 泛 用 于 医
卷
药、食品、烟草、粮食、化工等行业。
第
６．微波加热失重法优点： 试验时间短、准确性较
１
高； 缺 点： 仪器 价 格 昂 贵 。 一 般 用 于 医 药 、食 品 、烟
期
草、粮食、化工等行业。
对于多数物质而言， 选择红外加热管失重法作为
上海精密科学仪器有限公司开发生产的
见光一样的本质。红外线的波长在 ０．７６～１００μｍ 之 ＤＨＳ１６（ ２０） － Ａ 多功能红外水分仪， 是在单片微机的
间， 位于无线电波与可见光之间。
控制下， 采用电磁力平衡技术和红外加热技术设计
２．红外线加热失重法的原理
而成。ＤＨＳ１６（ ２０） － Ａ 多功能红外水分仪最大秤量为
Ｓ ｃｉｅ ｎｃｅ － Ｔｅ ｃｈｎｏｌｏｇｙ ＆ Ａｐｐｌｉｃａ ｔｉｏｎ ［ 文章编号 ］１００３－ ５７２９（ ２００８） ０１－ ００１３－ ０３
科技应用
红外水分测定仪原理及应用范围
上海精密科学仪器有限公司科技开发中心天平室 张民慧
［ 摘 要 ］ 在医药、食品、烟草、粮食、化工等行业的实验室进行分析和日常进货控制及过程 检测中， 大部分物质都有一项必须检测的重要指标— ——水分含量。根据其设计原理的不同， 目前 用于测量水分的仪器种类很多， 无外乎都是根据高新技术设计出的科学测量仪器。但就多数物 质而言， 最合适用的属干燥法水分测定仪。本文参照上海精密科学仪器有限公司开发生产的 ＤＨＳ１６（ ２０） － Ａ 多功能红外水分测定仪来探讨其原理及应用范围。并以多年来设计和使用仪器 的心得体会， 来推动红外水分测定仪的应用和促进多学科领域中试验工作的开展。
一种人眼看不见的“热线”， 当时， 人们就称它为“不 适用于一般精度或较高精度的水分仪。
可 见 辐 射 ”。 由 于 这 种“ 不 可 见 辐 射 ”是 在 红 光 的 外
２．ＤＨＳ１６（ ２０） － Ａ 多功能红外水分仪
边发现的， 所以， 后来就称它为红外辐射， 又叫它红
２．１ 原理及功能
外线。红外线是一种电磁波， 具有与无线电波及可
象： 放在光带红光外的一支温度计， 比室内其他温
由于不同种类称重传感器单元的结构和原理
度的指示数值高。经过反复试验， 这个所谓热量最 的差异， 直接影响到测量数据的准确性。
多的高温区， 总是位于光带最边缘处红光的外面。
电子称重传感器一般分为应变片式和电磁力
于是他宣布太阳发出的辐射中除可见光线外， 还有 平衡式， 前者适用于精度较差的低档水分仪， 后者
［ 关键词 ］ ＤＨＳ１６（ ２０） － Ａ 多功能红外水分测定仪； 设计原理； 应用范围
［ 中图分类号 ］ ＴＰ７３２．２； ＴＨ７１５．１
［ 文献标识码 ］ Ａ
Ｐｒ ｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｃｏｐｅ ｏｆ ｉｎｆｒ ａｒ ｅｄ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ ｍｅａｓｕｒ ｉｎｇ ｉｎｓｔｒ ｕｍｅｎｔ
２０ 世纪， 科学水 平的突飞猛 进， 推动了各 项新 １００ｇ， 实际标尺分度值（ 精度） 为 ０．００１ｇ， 温控调节精
技术的 发 展 ， 红 外 科 学 也 从 实 验 室 走 出 来 ， 开 始 应 度为±１℃， 水分测量可读性为 ０．０１％， 水分测量重复
用到生产上， 并形成了一门崭新的技术－ 红外技术。 性 为 ０．２％， 最 高 加 热 温 度 达 １６０℃（ ＤＨＳ１６－ Ａ） 或
ＤＨＳ１６ （ ２０） － Ａ 多功能红外水分仪的电原理框 图如下：
显示
Ｅ２ＰＲＯＭ
ＣＰＵ
键盘信号输入
加热控制电路 加热部件
Ａ／Ｄ 转换 信号放大 温度传感器
天平 Ａ／Ｄ 采样 机械传感器
２．３ 与进口仪器的比较 从下面的表格中可以知道， ＤＨＳ１６（ ２０） － Ａ 多功 能红外水分仪的技术指标与国外同类产品不相上 下。而销售价却不到国外同类产品的 １／２， 其性价比 非常之高。
准确性好、时间短； 缺点： 有些具有副反应的物质如
酮类、醛类不能测定。一般用于石油化工行业。
４．烘箱干燥法 优点： 仪器价 格低廉； 缺点 ： 精
２００８
度较差， 在干燥蒸馏过程中挥发性物质亦被蒸发，
不能测定物质中水分含量的真值源自文库 试验时间过长。 年
一般用于医药、食品、烟草、粮食。
第
５．红外加热失重法优点： 仪器价格适中、试验时
的含水量。
与难点。
若设 Ｇ 为样品干燥前重量； ｇ 为样品干燥后重
由于水分仪是在秤量传感器单元（ 整个秤量单
年 量； Ｌ 为样品含水量， 即失水率； Ｒ 为样品干燥率； ＬＲ 元 实际 上 是 一 台 电 子 天 平） 的 结 构 基 础 上 ， 溶 入 红
第
为样品回潮率； ＯＲ 为样品湿重率， 则：
最 近二三 十 年 来 ， 初 露 头 角 的 红 外 技 术 ， 广 泛 应 用 ２００℃（ ＤＨＳ２０－ Ａ） ， 以±１℃可调．此水分仪体积小巧，
于纺织、印染、机电、印刷、玻璃退火、食品加工和医 功能 完 善 ， 使 用 方 便 ， 坚 固 耐 用 。 它 不 但 有 秤 量 校
疗保健、民用炊具、取暖设备等方面。红外线比红光 准， 温度、时间设定， 手动、自动加热选择， 显示参数
具有更 大 的 热 作 用 ， 穿 透 能 力 也 很 强 ， 更 能 达 到 物 可调等多种功能， 而且配上 ＲＳ２３２ 接口的打印机与
体加热、干燥等目的。它具有节能、加热升温快， 无 电 脑 连 接 可 输 出 八 种 参 数 ， 还 有 四 种 输 出 模 式 选
污染， 热效率高等特点。
定。因此， 该水分仪广泛应用于各领域的实验室和
一、引言 测定物质中水分含量的测量仪器很多， 根据设 计原理区分有干燥法、卡尔－ 费休（ ＫａｒｌＦｉｓｃｈｅｒ， 以下 简称卡氏） 容量法、卡氏库仑法和光谱、色谱法等多 种 仪 器 。 下 面 对 常 用 的 几 种 方 法 就 其 适 应 性 、准 确 性做一简单的对比分析。 １．光谱、色谱法 优点： 准确性较高； 缺点： 仪器 价格昂贵、环境要求高、准备时间长（ 几个小时） 、不 利于产品的过程控制。 ２．卡氏容量法 优点： 测试品种多， 相对于卡氏 库仑法有些特殊物质在特定试剂条件下可以测定（ 如 酮类、醛类） ； 缺点： 在最佳状态下， 准确性教差， 耗材 （ 试剂） 大， 测定时间偏长。一般用于石油化工行业。 ３．卡氏库仑法 优点： 仪器价 格中等、耗材 少、
（ ３）
加了反馈补偿量。其二， 软件程序设计中处理好全
量程跟踪与水分蒸发测试的矛盾。其三， 在加热部 （ ４）
分与天平部分间考虑设计了隔热和散热措施。最
三、红外水分仪的原理 １４
后， 这一加热过程影响仪器性能的矛盾得到了较好
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Ｓ ｃｉｅ ｎｃｅ － Ｔｅ ｃｈｎｏｌｏｇｙ ＆ Ａｐｐｌｉｃａ ｔｉｏｎ
科技应用
地解决。 在设计开发中， 我们也考虑到实现水分仪小型
化的优美联体设计。总体结构将水分仪的整个秤量 单元和红外线加热单元有机联体。我们不但从外型 上联体， 而且从内部结构上联体。比如， 加热温度控 制调节设计中， 充分利用软件功能， 尽量减少硬件线 路， 并且温控调节与电子天平的秤量控制采用同一片 单片微机 ８９Ｃ５１ＲＣ 处理， 这样不但有利于仪器的体 积小型化， 而且仪器的稳定可靠性也得到进一步提高。
质量控制测定水分含量是一种即经济又准确的方法。 １３
科技应用
Ｓ ｃｉｅ ｎｃｅ － Ｔｅ ｃｈｎｏｌｏｇｙ ＆ Ａｐｐｌｉｃａ ｔｉｏｎ
二、红外加热失重法的原理
１．红外水分仪
１．红外线
红外水分仪是在称重传感器单元的结构基础
红外线也叫红外光， 它是一位英国科学家发现 上， 加入红外线加热单元而组成。通过称量单元测
国外同类产品对照表
型号 技术
指标 类别
分度值
称量范围
温控精度
温度范围
控制方式
数据接口
水分测定重复性
水分测定可读性
ＭＡ３０（德 国）
１ｍｇ ０～３０ｇ ±５℃ ４０～１６０℃
程序 ＲＳ－ ２３２Ｃ ±０．２％
０．０１％
ＤＨＳ２０－ Ａ
ＤＨＳ１６－ Ａ
１ｍｇ ０～１００ｇ ±１℃ 室 温～２００℃
的。１８００ 年， 赫胥尔在研究太阳光时， 让光通过棱镜 得 物 体 的 初 始 质 量 ， 然 后 物 体 在 红 外 线 加 热 后 失
分解为彩色光带， 再用温度计去测量光带中不同颜 重， 再通过称量单元测得物体蒸发掉水分后的质
色所含的热量。试验中， 他偶然发现一个奇怪的现 量， 从而最终获得样品含水量数据。
Ａｒ ｔ ｉｃｌｅ ａｂ ｓｔ ｒ ａｃｔ ： Ｔｈｅ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ，ｔｈｅ ｄａｉｌｙ ｉｎｖｅｎｔｏｒｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｄｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎｓ ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｃｏｍ－ ｐｏｓｅｄ ｏｆ ｍｅｄｉｃｉｎｅ， ｆｏｏｄ， ｔｏｂａｃｃｏ， ｇｒａｉｎ， ｃｈｅｍｉｃａｌ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ａｎｄ ｓｏ ｏｎ， ｍａｊｏｒｉｔｙ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｈａｖｅ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔａｒｇｅｔ－ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ａｎ ｉｔｅｍ ｍｕｓｔ ｂｅ ｅｘａｍｉｎｅｄ． Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ， ａｔ ｐｒｅｓｅｎｔ ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｌｏｔｓ ｏｆ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ， ｂｕｔ ｔｈｅｙ ａｒｅ ｍａｉｎｌｙ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｙ ａｄｖａｎｃｅｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｂｕｔ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｄｒｙｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｆｏｒ ｍｏｓｔ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌｓ． Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｉｔｓ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｃｏｐｅ ｒｅｆｅｒｒｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ＤＨＳ１６ （２０） － Ａ ｍｕｌｔｉ－ ｐｕｒｐｏｓｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｉｎ－ ｓｔｒｕｍｅｎｔ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｂｙ Ｓｈａｎｇｈａｉ ｐｒｅｃｉｓｅ ｓｃｉｅｎｃｅ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ＣＯ．， Ｌｔｄ． Ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｈｅ ａｕｔｈｅｒ ｗｏｕｌｄ ｌｉｋｅ ｔｏ ｉｍｐｅｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ ｍｅａｎｓｕｒｉｎｇ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ａｎｄ ｐｒｏｍｏｔｅ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｗｏｒｋ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｉｎ ｍｕｌｔｉ－ ｄｉｓｃｉｐｌｉｎａｒｙ ｄｏｍａｉｎｓ ｉｎ ｔｅｒｍｓ ｏｆ ａｔｔａｉｎｍｅｎｔ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ａｎｄ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ｆｏｒ ｓｅｖｅｒａｌ ｙｅａｒｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄ ｓ： ＤＨＳ１６ （２０） － Ａ ｍｕｌｔｉ－ ｐｕｒｐｏｓｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ； ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ； ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｃｏｐｅ