Измерения влажности представляют собой одно из аналитических приложений инфракрасной абсорбционной спектроскопии, теория и техника которой подробно освещены в литературе. В влагомерах используется преимущественно коротковолновая область (длина волны к от 0,8 до 3 мкм) инфракрасного спектра. В этой области имеются интенсивные полосы поглощения жидкой воды; кроме того, в ней можно использовать стеклянные оптические детали, в том числе кюветы для исследуемого материала, а также наиболее простые источники и детекторы излучения. Известно, что спектр поглощения жидкой воды усложнен по сравнению с поглощением водяного пара наличием водородных связен. Положение и интенсивность полос поглощения воды в растворителях изменяются под влиянием межмолекулярных взаимодействий; интеисивность зависит также от температуры воды. В твердых телах дополнительным фактором, влияющим на положение максимума поглощения, является прочность связи воды с веществом.

В качестве основной характеристики инфракрасного влагомера абсорбционного типа удобно использовать зависимость оптической плотности iD=lg(/o ), (/о, / - интенсивности излучения, падающего на,слон вещества и прощедшего через него) от концентрации влаги. Вода в неполярном жидком растворителе, с которым она не образует химических соединений, в основном подчиняется закону Буге-ра - Ламберта - Бера, и указанная зависимость линейна (по крайней мере в диапазоне малых концентраций воды). Инфракрасный метод измерения влажности применялся к широкому кругу органических растворителей. В последние годы его важнейшими практическими применениями являются измерения влагосодержания водонеф-тяных эмульсий, бензина и других топлив. Высокая чувствительность инфракрасного метода позволила выполнять измерения в диапазоне от микроконцентраций (О-100 м. д.) до очень высоких (10-20%). При прохождении параллельного пучка монохроматического излучения через слои водной эмульсии энергия пучка частично поглощается, частично рассеивается и отражается и лишь часть пучка выходит без изменения первоначального направления и детектируется. Интенсивность рассеянного излучения является функцией не только концентрации влаги в эмульсии и условий измерения (длина волны, угол между направлениями падающего и рассеянного излучения), но и свойств компонентов эмульсии -их коэффициентов преломления, а также размеров водяных глобул.

Выходной величиной оптического преобразователя служит ослабление энергии пучка, являющееся результирующим эффектом перечисленных видов взаимодействия излучения с веществом. Исследование оптических свойств водоиефтяных эмульсий и их компонентов [Л. 1-1] показало, что эффект рассеяния на каплях может превосходить эффект поглощения, а эффектом отражения можно пренебречь.

Рассеяние можно рассматривать как помеху, воздействующую на преобразователь влажности; воздействие этой помехи можно компенсировать, применяя двухволновый метод измерения (см. ниже). Такой подход характерен для большинства современных инфракрасных влагомеров, например турбидиметрических (по ослаблению прямого пучка). Однако рассеяние в переднюю полусферу несет полезную информацию о влагосодержаний. Поэтому правомочна также методика измерения по рассеянию излучения с подавлением сигнала

1 Ом. стр. 25.

поглощения или Же комбинированного измерения по обеим составляющим ослабления. Последняя методика характерна для большинства одноволновых влагомеров.

Рассмотрим устройство инфракрасных влагомеров. Для выделения нужного участка спектра излучателя в них используются твердые узкополосные фильтры - интерференционные или, реже, наборы стеклянных фильтров. Источником излучения в ближней инфракрасной области обычно служит электрическая лампа накаливания с вольфрамовой нитью. Наиболее распространенными приемниками излучения являются фотодиоды и фоторезисторы, например свинцо-во-сериистые, у которых максимум спектральной характеристики находится в ближней области ИК-спектра. Они более надежны и долговечны, чем используемые в более длинноволновом диапазоне термические приемники (болометры, термоэлементы).

По оптической схеме инфракрасные влагомеры, как и другие оптические анализаторы, можно разделить на однолучевые и двух-лучевые. Однолучевые состоят из источника излучения, светофильтра, кюветы с исследуемым образцом, приемника излучения, усилителя с выходным прибором, а также оптической системы для формирования узкого прямого пучка, направляемого на кювету, а после прохождения кюветы - для фокусирования на детектор. Модуляция падающего излучения (чаще всего механическая с помощью диска, вращаемого синхронным электродвигателем и несущего светофильтр) позволяет использовать усилитель переменного тока. Для получения линейной шкалы выходного прибора в единицах влажности применяют логарифмический усилитель. Процесс измерения состоит в сравнении прозрачности исследуемого образца и эталона; для жидкостей эталоном служит безводный растворитель (реже - эталонный фильтр или незаполненная кювета).

Однолучевые приборы более просты, чем двухлучевые, однако уступают им по точности. В погрешность измерения входит инструментальная погрешность, вызванная нестабильностью параметров.

В двухлучевых приборах, имеющих два измерительных канала - .измерительный и эталонный, измерение выполняется методом сравнения с постоянно действующим «внутренним эталоном». Оба канала могут иметь свои приемники; большую точность позволяет получить схема с одним приемником и устройством, подключающим к нему поочередно оба канала. Выходной сигнал влагомера формируется по разности сигналов обоих каналов или по их отношению.

В зависимости от числа длин волн, используемых для измерения, различают влагомеры одноволновыё и двухволновые. В одноволновых влагомерах сравниваются оптические плотности объекта измерения и эталона в области характеристического поглощения волны. Двухволновые сравнивают прозрачность исследуемой жидкости в двух областях - аналитической (Яан) и эталонной (Лот); при стабилизации интенсивности /о падающего излучения отпадает необходимость в эталоне. Значения Яан и Яэт можно выбрать на основе анализа спектров поглощения и рассеяния растворителя и воды. Для компенсации погрешностей от рассеяния (и ряда других источников) ?ан должна находиться в области характеристического поглощения воды, а Хэт - в области, где оно отсутствует; интервал между Яан и XsT должен быть минимальным, а рассеивающие свойства исследуемой жидкости в обеих полосах должны быть близкими.

В распространенных влагомерах этого типа механический модулятор с двумя светофильтрами обеспечивает (одновременно с моду-

ляцией) выделение %ав и Яэт. На приемник поступают чередующиеся импульсы, соответствующие интенсивностям излучения, прошедшего через исследуемую жидкость на обеих длинах волн. На выходе аналогового вычислительного устройства формируется характеризующий влажность сигнал, величина которого пропорциональна отношению обоих сигналов после демодуляции. Для измерений влагосодержания некоторых растворителей и водонефтяиых эмульсий использовались длины волн .Я,ан=1,93 мкм и Я,эт = 1,98 мкм или Яэт = 1,83 мкм. Двухволновый влагомер с проточной кюветой и автоматическим уравновешиванием (с цепью обратной связи), построенный по двухволновой схеме, можно использовать для непрерывного автоматического контроля и регулирования производственных процессов.

Инфракрасные влагомеры для твердых материалов работают по принципу поглощения или отражения излучения. Влагомеры по поглощению используются для тонких листовых материалов, прозрачных для инфракрасных лучей, главным образом бумаги. Для непрерывного контроля движущегося бумажного полотна на бумагоделательной машине были разработаны автоматические влагомеры двухволнового типа. Ослабление зависит от толщины и плотности (у листовых материалов-массовой толщины) просвечиваемого материала. Компенсация влияния массовой толщины R была достигнута при «трехволновом» способе измерения; кроме аналитической длины волны Я,ан= 1,935 мкм, использовались Я=2,11 мкм, чувствительная к величине R, и эталонная Я,= 1,82 мкм [Л. 5-13].

Датчик ИК-влагомера может быть выполнен сканирующим с возвратно-поступательным движением поперек полотна, причем его скорость может быть значительно выше, чем у радиоизотопных (бета-) влагомеров-плотномеров, где она ограничена величиной статистической погрешности прибора.

Инфракрасный абсорбционный метод применим к любым твердым веществам при условии подготовки образцов в виде тонкого однородного слоя, сжатого между двумя параллельными прозрачными пластинами, или в виде таблетки.

Специфическим для твердых материалов разнообразной структуры является метод, основанный на использовании спектра диффузного отражения инфракрасных лучей. При применении двухволнового метода обе длины волны должны находиться достаточно далеко от видимой области спектра, для того чтобы поглощение света исследуемым материалом, связанное с его окраской, не влияло на результат измерения.

Отражательную способность исследуемого материала можно оценить отношением интенсивностей отраженных монохроматических излучений при длинах волны Яан и %вт.

Рассматриваемый метод был применен при длинах волны Хан= = 1,96 мкм и Я,вт = 1,7 мкм к некоторым непрозрачным материалам - текстильным тканям, коже и бумаге.

Графики зависимости отношения отражений Ri.BelRij от влагосодержания исследованных материалов приведены на рис. 5-7. Чувствительность влагомера максимальна в области низких влагосодержаний и понижается с ростом влажности.

На описанном методе основаны- инфракрасные лабораторные и автоматические влагомеры, выпускаемые в ряде стран. В большинстве из них приняты значения Яан=1,93-ь1,96 мкм, Я,эт=1,7-ь1,8 мкм; отраженные и рассеянные материалом излучения интегрируются сферической поверхностью. Иногда предусматривается н.астройка на