一種基於電解原理的樣品水勢測量方法及系統與流程
2024-03-25 05:47:05
本發明涉及水勢測量領域，尤其涉及一種基於電解原理的樣品水勢測量方法及系統。
背景技術：
目前用於測量水勢的儀器種類很多，其測量原理主要有露點法、壓力室法、張力計法等。採用露點水勢儀對樣品水勢進行測量時，需要設定的參數較多，且設定複雜，不同水勢範圍的材料在測量時需要有不同的參數設置，且露點水勢儀測量的絕對誤差一般在0.05MPa左右，對於水勢較高的材料測量精度較差；用壓力室法一般用於測量植物材料的水勢，雖然壓力室法測量結果準確，但測量時需要有配套的壓縮氣體鋼瓶，觀察時還需要有放大鏡配合來觀測植物材料切口處的水滴出現情況，儀器設備比較笨重，且帶有一定的危險性，能夠測量的材料和測量的範圍都比較有限；張力計是用於測量土壤水勢的儀器，測量時需要將張力計提前埋入欲測量的土壤深度24h以上，切要保證陶瓷頭與待測土壤緊密接觸，其測量範圍在0～-0.08MPa之間，測量範圍很窄，測量時間較長，使用不便。
技術實現要素：
基於現有技術所存在的問題，本發明的目的是提供一種基於電解原理的樣品水勢測量方法及系統，其簡單且準確，能解決目前常用水勢測量方法測量精度較低、參數設置複雜、測量周期長等的問題。
本發明的目的是通過以下技術方案實現的：
本發明實施例提供一種基於電解原理的樣品水勢測量方法，包括：
將樣品置於密閉的樣品室內不少於5分鐘後，從樣品室內取體積為V(m3)、溫度為t(℃)的被測氣體通入設有塗有P2O5的電極的電解室測量氣體含水量，在所述電解室中用塗有P2O5的電極對所述被測氣體內的水分進行電解；
根據電解的化學反應式所確定的電解反應所需電子的摩爾數為氣體中水分摩爾數的2倍關係，通過計算出的電解反應結束時消耗的電子的摩爾數2n(mol)來確定被測氣體中水分的摩爾數為n(mol)；
根據理想氣體狀態方程計算得出被測氣體的水氣分壓P(Pa)為：
上式中R為氣體常數(8.314J mol-1K-1)；
根據下式計算出溫度為t時的飽和水汽壓Ps(Pa)為：
根據相對溼度與水勢的關係計算得出被測氣體的水勢Ψ(Pa)為：
ψ＝4.6248×105(t+273.15)ln(P/Ps)。
本發明實施例還提供一種用於實現上述的基於電解原理的樣品水勢測量方法的測量系統，包括：
依次連接的樣品室模塊、氣體定量轉移模塊、電解室模塊、控制及積分計算模塊、結果存儲與顯示模塊和直流電源模塊；
所述樣品室模塊內設有放置待測樣品的密閉空間，所述密閉空間內設有溫度測量裝置；
所述電解室模塊內設有密閉電解空間，所述密閉電解空間內設置塗有P2O5的電極；
所述控制及積分計算模塊分別與所述樣品室模塊的溫度測量裝置和氣體定量轉移模塊電氣連接；
直流電源模塊，提供直流電源，分別與所述樣品室模塊、氣體定量轉移模塊、電解室模塊、控制及積分計算模塊和結果存儲與顯示模塊電氣連接。
由上述本發明提供的技術方案可以看出，本發明實施例提供的測量方法，通過利用塗有P2O5的電極電解被測氣體中水分的方式，得出被測氣體中水分的摩爾數，進而利用被測氣體中水分的摩爾數計算出被測氣體的水氣分壓P和溫度為t時的飽和水汽壓Ps，通過水氣分壓P和飽和水汽壓Ps計算得出被測氣體的水勢Ψ。該方法巧妙的利用了電解原理確定了被測氣體中水分的摩爾數，進而簡單方便的計算得出被測氣體的水勢Ψ。該方法參數設置簡單，測量範圍大，準確性高，速度快。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域的普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他附圖。
圖1為本發明實施例提供的樣品水勢測量系統示意圖；
圖2為本發明實施例提供的樣品水勢測量測量過程典型電流變化曲線圖。
具體實施方式
下面結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明的保護範圍。
本發明實施例提供一種基於電解原理的樣品水勢測量方法，可以簡便、快速且準確的測定被測氣體的水勢，包括：
將樣品置於密閉的樣品室內不少於5分鐘後，從樣品室內取體積為V(m3)、溫度為t(℃)的被測氣體通入設有塗有P2O5的電極的電解室測量氣體含水量，在所述電解室中用塗有P2O5的電極對所述被測氣體內的水分進行電解；
根據電解的化學反應式所確定的電解反應所需電子的摩爾數為氣體中水分摩爾數的2倍關係，通過計算出的電解反應結束時消耗的電子數2n(mol)來確定被測氣體中水分的摩爾數為n(mol)；
根據理想氣體狀態方程計算得出被測氣體的水氣分壓P(Pa)為：
上式中R為氣體常數(8.314J mol-1K-1)；
根據下式計算出溫度為t時的飽和水汽壓Ps(Pa)為：
根據相對溼度與水勢的關係計算得出被測氣體的水勢Ψ(Pa)為：
ψ＝4.6248×105(t+273.15)ln(P/Ps)。
上述測量方法中，用戶可以根據自己的需要自行設定測量時間，一般不少於5分鐘。為了獲得更加準確的測量結果，在樣品放入樣品室後還可以進行多次測量，測量時間間隔也可以根據用戶需要自行設定，一般間隔時間不小於5分鐘，將同一樣品最後一次的測量結果或最後兩次測量結果的平均值作為該樣品水勢。
測量過程中所用電極的正、負電極採用不與磷酸發生反應的金屬絲製作，正、負極金屬絲緊密排列但不接觸，在正、負電極金屬絲之間塗抹P2O5。為保證P2O5均勻、穩固的附著在正、負電極之間，可以先以濃磷酸塗抹，再在正負電極之間通電電解濃磷酸生成P2O5。
上述測量方法中，在所述電解室中用塗有P2O5的電極對所述被測氣體內的水分進行電解為：使水分被P2O5吸收生成H3PO4，在電流的作用下H3PO4又被電解放出H2和O2，並再生出P2O5以繼續吸收氣體中的水分，電解的化學反應式為：
P2O5+3H2O→2H3PO4
將上述兩個反應式合併後為：
如圖1所示，本發明實施例還提供一種用於實現上述樣品水勢測量方法的測量系統，包括：
依次連接的樣品室模塊、氣體定量轉移模塊、電解室模塊、控制及積分計算模塊和結果存儲與顯示模塊和直流電源模塊；
所述樣品室模塊內設有放置待測樣品的密閉空間，所述密閉空間內設有溫度測量裝置；
所述電解室模塊內設有密閉電解空間，所述密閉電解空間內設置塗有P2O5的正、負電極；
所述控制及積分計算模塊分別與所述樣品室模塊內的溫度測量裝置和氣體定量轉移模塊電氣連接；
直流電源模塊，提供直流電源，分別與所述樣品室模塊、氣體定量轉移模塊、電解室模塊、控制及積分計算模塊和結果存儲與顯示模塊電氣連接。
上述測量系統中，溫度測量裝置的測量精度越高，水勢的計算結果也越準確，本實施例中採用鉑電阻。
上述測量系統中，控制及積分計算模塊根據從樣品室模塊獲得的被測氣體的溫度t(℃)、從氣體定量轉移模塊獲得的轉移到電解室模塊內的被測氣體體積V(m3)及根據電解的化學反應計算確定的被測氣體中水分的摩爾數n(mol)，根據理想氣體狀態方程計算得出被測氣體的水氣分壓P(Pa)為：該式中R為氣體常數(8.314J mol-1K-1)；
並根據下式計算出溫度為t時的飽和水汽壓Ps(Pa)為：
最後根據相對溼度與水勢的關係計算得出被測氣體的水勢Ψ(Pa)為：
ψ＝4.6248×105(t+273.15)ln(P/Ps)。
上述測量系統中，電解室中的正、負電極均採用鉑絲或銠絲繞制而成，正、負電極間均勻塗有P2O5乾燥劑。
下面將結合附圖對本發明實施例作進一步地詳細描述。
圖1給出了本發明的樣品水勢測量系統示意圖，該測量系統依據的是本發明測量方法的原理，即將樣品置於密閉的樣品室內，使樣品水勢與樣品室內空氣的水勢達到平衡，然後取樣品室內一定體積的空氣通入電解室，在電解室中採用鉑絲或銠絲繞制而成，且正、負電極間均勻塗有P2O5乾燥劑的電極進行電解，通入電解室的氣體中的水分被P2O5乾燥劑吸收生成H3PO4，H3PO4又被電解放出H2和O2，並再生出P2O5以繼續吸收氣體中的水分，如此反覆直到氣體中的水分被完全電解，通過電流計與計時器的組合(或庫侖計)可以測定出電解過程消耗的電子數，進而確定氣體中的含水量，再根據氣體中的含水量和氣體溫度通過計算確定出氣體的水勢，即得到被測樣品的水勢值。具體測量原理如下：
將樣品置於密閉的樣品室內5分鐘後，從樣品室中取出體積為V(m3)、溫度為t(℃)的氣體通入電解室用於測量氣體含水量，在電解室中水分被P2O5吸收生成H3PO4，在電流的作用下H3PO4又被電解放出H2和O2，並再生出P2O5以繼續吸收氣體中的水分，化學反應式如下：
P2O5+3H2O→2H3PO4
將兩反應式合併後為：
由上反應式可以得出，電解反應所需電子的摩爾數為氣體中水分摩爾數的2倍，即電解反應結束時消耗的電子數為2n(mol)(通過電流對時間的積分測算)，則氣體中水分的摩爾數為n(mol)。由理想氣體狀態方程可以得出被測氣體的水氣分壓P(Pa)為：
式中R為氣體常數(8.314J mol-1K-1)。
溫度為t時的飽和水汽壓Ps(Pa)通過下式計算：
根據相對溼度與水勢的關係可以得出樣品的水勢Ψ(Pa)為：
ψ＝4.6248×105(t+273.15)ln(P/Ps)
如圖1所示，本發明的樣品水勢測量系統包括：樣品室模塊2、氣體定量轉移模塊3、電解室模塊4、控制及積分計算模塊6、結果存儲與顯示模塊7、直流電源模塊8，其中樣品室模塊2中放置待測樣品1並對樣品室中水勢平衡後的溫度進行測量，電解室模塊4中集成了塗有P2O5的電極5。
將待測樣品1置於樣品室模塊2的密閉空間內，同時接通電解室模塊4內塗有P2O5的電極5的電源，開始對電解室模塊4的密閉電解空間內的水分進行電解，等待至少5分鐘，且利用結果存儲與顯示模塊7觀察確認通過塗有P2O5的電極5的電流為0時，即圖2中所示的t1時刻後，測量樣品室模塊2內的氣體溫度，然後利用氣體定量轉移模塊3將一定體積的平衡氣體轉移至電解室模塊4中，持續對塗有P2O5的電極5通電，直至通過塗有P2O5的電極5中的電流達到0，這一過程中，通過塗有P2O5的電極5中電流的變化如圖2中t2～t3時刻所示，利用控制及積分計算模塊6對t2～t3時刻通過塗有P2O5的電極5中電流進行積分計算得出樣品水勢測量結果，將樣品水勢測量結果通過結果存儲與顯示模塊7顯示並記錄。
在上述實施例中，樣品室模塊2中的溫度測量可以通過設置於其中的鉑電阻來實現。對於氣體定量轉移模塊3的控制可通過控制及積分分計算模塊6來實現，樣品室模塊2中測得的溫度、氣體定量轉移模塊3轉移氣體的體積及結果存儲與顯示模塊7中測得的電流變化均輸入控制及積分分計算模塊6，控制及積分分計算模塊6在根據輸入的數據對測量系統下達動作信號，並將最終測量結果輸入結果存儲與顯示模塊7中輸出並記錄測量結果。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明披露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求書的保護範圍為準。