專利名稱：測(cè)量水分活度的量熱方法及儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)量水分活度的量熱方法與儀器，能夠準(zhǔn)確、快速地測(cè)量固體或液體物料的水分活度。
背景技術(shù)：
水分是食品、藥品、水產(chǎn)品和溶液等物料的主要組分，其存在的狀態(tài)直接影響著物質(zhì)自身的生化過程 和周圍微生物的繁殖狀況。水分活度指示了物質(zhì)中水的狀態(tài)及和其他組分的結(jié)合程度，是穩(wěn)定性和安全性 的重要指標(biāo)。尋求一種方便、可靠、準(zhǔn)確和快捷的水分活度測(cè)量方法，是相關(guān)行業(yè)發(fā)展的迫切要求，有著 重要的現(xiàn)實(shí)意義。
在低壓、低溫條件下，水分活度可以通過測(cè)量與試樣相平衡的氣體蒸汽分壓力來得到。也可通過測(cè)量 與試樣相平衡的氣體的相對(duì)濕度來得到，即公式(Aw=Pw/Pw*=%M/100)是測(cè)量水分活度的理論依據(jù)?，F(xiàn) 有的水分活度的測(cè)量方法大多數(shù)都是此原理衍生而來的，即通過直接或間接測(cè)量水蒸汽分壓力或相對(duì)濕度 進(jìn)行。
文獻(xiàn)(鄭藝華等.食品中水分活度的測(cè)量.現(xiàn)代儀器，2006， 12(2): 11-14)分析了食品水分活度的 重要意義，給出了涵蓋全面的測(cè)量方法，列舉了常用的儀器，指出了現(xiàn)有水分活度的測(cè)量方法、儀器待解 決的問題①試樣與周圍空氣的平衡時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)(幾個(gè)小時(shí))。雖然快速測(cè)量?jī)x器可以在幾分
鐘內(nèi)完成，但都是以犧牲測(cè)i精度為代價(jià)的。②為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，需要經(jīng)常對(duì)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行校正。③
各種方法的實(shí)際應(yīng)用都存在各個(gè)環(huán)節(jié)的滯后(傳感器等)和干擾(溫度變化等)，導(dǎo)致實(shí)際測(cè)量的誤差。 ④當(dāng)食品含有較多揮發(fā)份或某些組分時(shí)，會(huì)造成較大的測(cè)量誤差。并會(huì)破壞傳感器。 各種方法都有一定 的局限性，在不同的測(cè)量范圍和適用場(chǎng)合結(jié)果會(huì)存在較大的差異。
發(fā)明專利(達(dá)式奎.水分活度測(cè)定方法及儀器，ZL 95113366.7)提出了一種水分活度的測(cè)定方法及 儀器，除了需進(jìn)行物料表面溫度和氣流溫度的測(cè)量，還要對(duì)氣流濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于物料表面溫度和氣流 溫度的測(cè)量為介入式測(cè)量，會(huì)干擾溫度場(chǎng)，影響精度。且對(duì)氣流濕度的調(diào)節(jié)，可操作性差、不易控制、易 受外界干擾。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種兼顧測(cè)試精度和時(shí)間耗費(fèi)，可靠的、用于測(cè)量水分活度的量熱方法和儀器。 本發(fā)明所述方法的工作原理如圖l所示，其技術(shù)方案是這樣的使用定壓、定流量的載氣均勻通過樣品檢 測(cè)池1、空檢測(cè)池2和純水檢測(cè)池3,維持其中樣品、純水中的水分以持續(xù)穩(wěn)定的速率蒸發(fā)，設(shè)置空檢測(cè) 池2作為參比，可以省略標(biāo)準(zhǔn)樣品校正環(huán)節(jié)，有效減少誤差，消除背景干擾和噪聲。由于樣品檢測(cè)池l、 空檢測(cè)池2和純水檢測(cè)池3放置在恒溫環(huán)境中，則它們與恒溫環(huán)境間存在補(bǔ)償熱流，需要補(bǔ)償?shù)臒崃鞔笮?正比于水蒸發(fā)的速度(水蒸汽帶出的焓)，而水蒸發(fā)的速度與物料的水蒸汽分壓力關(guān)聯(lián)，故氣流速度、水 蒸汽的帶出焓、蒸汽分壓力和熱流信號(hào)反映了樣品的水蒸汽分壓力。穩(wěn)定狀態(tài)下，載氣氣流近似完全飽和， 則補(bǔ)償熱流可以描述為
^"/Z"gA (1)
其中I -補(bǔ)償熱流；A//-水的蒸發(fā)焓；^ -載氣摩爾流量；A -載氣的分壓力；《-水蒸汽分壓力
在設(shè)定條件下，水的蒸發(fā)焓、載氣摩爾流量和載氣的分壓力可以認(rèn)為是恒定值。那么補(bǔ)償熱流正比于 水蒸汽分壓力
3當(dāng)樣品檢測(cè)池時(shí)，+ = R f =尺； 當(dāng)空檢測(cè)池時(shí)，^=《=0; 當(dāng)純水檢測(cè)池時(shí)，A = 73 《=^ =尸'；
在樣品檢測(cè)池1、空檢測(cè)池2和純水檢測(cè)池3間設(shè)置熱傳感器4以獲得樣品檢測(cè)池1和純水檢測(cè)池3 與空檢測(cè)池2間的量熱信號(hào)差，并通過PC對(duì)量熱信號(hào)進(jìn)行計(jì)算和處理，根據(jù)水分活度的定義換算得到的 公式(3)得到水分活度的值。
j ，戶w _ S — V、 R-K = M (3)
w—冗一 7 — pc—d r2 — K
本發(fā)明的有益效果是，提供一種測(cè)量水分活度的動(dòng)態(tài)量熱方法，能夠有效解決和規(guī)避效率和精度間的 矛盾和缺陷，其無需樣品校正、抗干擾、時(shí)間短、精度高。另外，量熱測(cè)量方法是一種通用的測(cè)量方法， 它可通過溫度、溫差、熱流等來反映，其測(cè)量原理簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、易于工程化和小型化。


-
圖1-測(cè)量水分活度的量熱方法原理示意圖
圖2測(cè)量水分活度的量熱方法實(shí)施例的流程圖 圖3與圖2對(duì)應(yīng)的量熱模塊的結(jié)構(gòu)示意圖
具體實(shí)施例方式
如圖2所示，調(diào)節(jié)閥門12，過濾器13去除雜質(zhì)，流量計(jì)14指示流量，載氣ll在恒溫狀態(tài)下被定壓 定流量引入。然后進(jìn)入量熱模塊16,其結(jié)構(gòu)如圖3所示，它由樣品檢測(cè)池l、空檢測(cè)池2、純水檢測(cè)池3、 熱傳感器4和一個(gè)恒溫量熱塊5組成。三個(gè)檢測(cè)池采用孿生結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)參數(shù)完全一致，其中，樣品檢測(cè)池 l中放置樣品，空檢測(cè)池2空置，純水檢測(cè)池3中放置定容積的純水。樣品檢測(cè)池1和純水檢測(cè)池3均以 空檢測(cè)池2作為參比。通過采用孿生結(jié)構(gòu)和參比方法，能夠有效消除干擾，并無需使用標(biāo)準(zhǔn)樣品校正。樣 品檢測(cè)池l、空檢測(cè)池2和純水檢測(cè)池3的外側(cè)與熱傳感器4的一測(cè)溫端面接觸并被熱傳感器4包圍，熱 傳感器4是串、并聯(lián)使用的半導(dǎo)體制冷/加熱器件(TEC1-12704; 127對(duì)Bi/Te熱電偶組成)，其電信號(hào)相 互疊加，因此靈敏度非常高，可以檢測(cè)到非常微弱的熱量變化。其輸出的信號(hào)通過放大器17和A/D轉(zhuǎn)換 器18輸入到計(jì)算機(jī)19中進(jìn)行處理，得到物料水分活度的值。熱傳感器4的另一測(cè)溫端面與恒溫量熱塊5 接觸并被其包圍，恒溫量熱塊5由質(zhì)量很大(熱容很大)且導(dǎo)熱性良好的金屬制成，并且質(zhì)量體積遠(yuǎn)大于 樣品的質(zhì)量體積，當(dāng)其溫度穩(wěn)定后，其外部環(huán)境溫度及內(nèi)部樣品溫度的變化均不會(huì)對(duì)造成干擾，其恒溫穩(wěn) 定性較高。恒溫量熱塊5由外部的恒溫裝置15恒溫，以保證信號(hào)穩(wěn)定性，提高精度。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量水分活度的量熱方法。其特征在于，孿生結(jié)構(gòu)的樣品檢測(cè)池1、空檢測(cè)池2和純水檢測(cè)池3放置在恒溫環(huán)境中。首先使用定壓、定流量的載氣同時(shí)均勻通過樣品檢測(cè)池1、空檢測(cè)池2和純水檢測(cè)池3，維持其中的水分以持續(xù)穩(wěn)定的速率蒸發(fā)，則樣品檢測(cè)池1、空檢測(cè)池2和純水檢測(cè)池3與外部恒溫環(huán)境間存在補(bǔ)償熱流，需要補(bǔ)償?shù)臒崃鞔笮≌扔跇悠返乃羝謮毫?。然后通過熱傳感器4分別測(cè)量反映樣品檢測(cè)池1、空檢測(cè)池2和純水檢測(cè)池3補(bǔ)償熱流的量熱信號(hào)，最后樣品檢測(cè)池1和純水檢測(cè)池3分別與空檢測(cè)池2的量熱信號(hào)進(jìn)行相互比較計(jì)算后，得到水分活度的值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量水分活度的量熱方法。其特征在于，樣品檢測(cè)池l、空檢測(cè)池2和純水檢測(cè) 池3采用參數(shù)一致的孿生結(jié)構(gòu)，并處于同一恒溫環(huán)境中。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l、 2所述的測(cè)量水分活度的量熱方法。其特征在于，使用定壓、定流量的載氣同時(shí)均勻 通過樣品檢測(cè)池1、空檢測(cè)池2和純水檢測(cè)池3 。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l、 2、 3所述的測(cè)量水分活度的量熱方法。其特征在于，使用熱傳感器4來測(cè)量樣品檢測(cè) 池l、空檢測(cè)池2和純水檢測(cè)池3與恒溫環(huán)境間的熱流變化，并根據(jù)量熱信號(hào)的變化比較計(jì)算后得到水分 活度的值。
5. —種測(cè)量水分活度的量熱儀器，它由載氣11、調(diào)節(jié)閥12、過濾器13、流量計(jì)14、恒溫器15、量熱模 塊16、放大器17、 A/D轉(zhuǎn)換器18和計(jì)算機(jī)19組成。其特征在于，量熱模塊16置于恒溫器15中。量熱 模塊16中設(shè)置孿生結(jié)構(gòu)的樣品檢測(cè)池1、空檢測(cè)池2和純水檢測(cè)池3，其中空檢測(cè)池2放置在樣品檢測(cè)池 l和純水檢測(cè)池3間。樣品檢測(cè)池l、空檢測(cè)池2和純水檢測(cè)池3與熱傳感器4的一測(cè)溫端面接觸，并被 其包圍。熱傳感器4的另一測(cè)溫端面與恒溫量熱塊5接觸并被其包圍。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的測(cè)量水分活度的量熱儀器。其特征在于，載氣ll可以是氮?dú)?、氦氣等惰性氣體。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的測(cè)量水分活度的量熱儀器。其.特征在于，恒溫器15可以是半導(dǎo)體制冷/加熱恒溫 或豐浴恒溫等方式的恒溫裝置。 _
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的測(cè)量水分活度的量熱儀器，其特征在于，量熱模塊16中的熱傳感器4是具有兩 測(cè)溫端面的片狀熱電堆，可以由單個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體制冷/加熱器件串、并聯(lián)來實(shí)現(xiàn)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的測(cè)量水分活度的量熱儀器，其特征在于，其放大器17、 A/D轉(zhuǎn)換器18和計(jì)算機(jī) 19可以由單片機(jī)替代，集成實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理功能。
10. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的測(cè)量水分活度的量熱儀器，其特征在于，恒溫量熱塊5由質(zhì)量很大且導(dǎo)熱性能 良好的金屬制成，其質(zhì)量體積遠(yuǎn)大于樣品的質(zhì)量體積。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測(cè)量固體或液體物料水分活度的量熱方法及儀器。孿生結(jié)構(gòu)的樣品檢測(cè)池、空檢測(cè)池和純水檢測(cè)池放置在恒溫環(huán)境中，使用定壓、定流量的載氣同時(shí)均勻通過純水檢測(cè)池、空檢測(cè)池和樣品檢測(cè)池，維持其中的水分以持續(xù)穩(wěn)定的速率蒸發(fā)，則樣品檢測(cè)池、空檢測(cè)池和純水檢測(cè)池與外部恒溫環(huán)境間存在補(bǔ)償熱流，需要補(bǔ)償?shù)臒崃鞔笮≌扔跇悠返乃羝謮毫?。通過分別測(cè)量反映樣品檢測(cè)池、空檢測(cè)池和純水檢測(cè)池補(bǔ)償熱流的量熱信號(hào)，然后樣品檢測(cè)池與純水檢測(cè)池分別與空檢測(cè)池的量熱信號(hào)進(jìn)行比較計(jì)算后，得到物料水分活度的值。本發(fā)明能夠兼顧測(cè)量精度和耗費(fèi)時(shí)間，采用此方法的水分活度測(cè)量?jī)x器結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡(jiǎn)便。
文檔編號(hào)G01N25/56GK101561406SQ20091020355
公開日2009年10月21日 申請(qǐng)日期2009年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月6日
發(fā)明者君 劉, 鄭藝華, 馬永志 申請(qǐng)人:青島大學(xué)