Hygromètre électrique
La présente invention a pour objet un hygromètre électrique.
On a découvert qu'un tapis moléculaire zéolitique peut être utilisé pour mesurer des propriétés électriques des zéolites comme la conductivité, la résistance du tapis étant utilisée comme indicateur d'humidité attendu qu'il est très sensible à la présence de traces d'eau.
Un hygromètre électrique connu destiné à mesurer le degré d'humidité des atmosphères gazeuses comprend un circuit électrique comportant un dispositif de mesure du courant, une source de tension déterminée et un élément sensible à l'humidité dont l'une des caractéristiques physiques est affectée par la teneur en humidité de ce dernier. Les caractéristiques physiques auxquelles on fait appel le plus fréquemment dans un tel hygromètre électrique sont la résistance électrique superficielle ou la résistance électrique volumétrique. Par conséquent, un hygromètre électrique peut être défini comme étant un instrument destiné à déterminer la teneur en humidité d'un fluide en mesurant le changement de la résistance électrique d'une matière hygroscopique avec le changement d'humidité ou de la teneur en eau du fluide.
Bien qu'on connaisse d'autres procédés de mesure de la teneur en humidité d'un gaz y compris divers dispositifs électriques, l'expression a hygromètre électrique telle qu'on l'utilise ici, est destinée à définir un instrument qui mesure la résistance électrique d'une matière en indiquant la pression partielle de la vapeur d'eau ou d'humidité relative ou la teneur en eau d'un fluide au contact de la matière.
L'expression système de fluide y telle qu'on l'uti- lise ici englobe les gaz contenant de la vapeur d'eau et des liquides contenant de l'eau.
De nombreuses matières sorbent et désorbent la vapeur d'eau à mesure que l'humidité relative ambiante augmente ou diminue. Les matières qui indiquent un changement de résistance qui dépend de l'humidité peuvent être utilisées comme détecteurs d'humidité. Toutefois, pour qu'un détecteur soit d'utilité pratique, il doit présenter une caractéristique de résistance à l'humidité réversible et reproductible.
L'hygromètre électrique selon la revendication est caractérisé en ce qu'il comprend un tamis moléculaire zéolitique et deux électrodes en relation de transfert de courant avec ce dernier.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'objet de l'invention.
La fig. 1 est une vue schématique de cette forme d'exécution, et
la fig. 2 est une vue à plus grande échelle d'un organe représenté à la fig. 1.
La fig. 1 montre un schéma d'un pont de Wheatstone à courant alternatif présentant un élément sensible à l'humidité 310 à tamis moléculaire zéolitique cristallin situé dans l'une de ses branches. Une résistance 322 constitue une autre branche et les deux branches restantes sont formées par un potentiomètre de précisions 324 ayant un contact mobile 326 pour équilibrer le circuit du pont. Un galvanomètre 320 est monté aux bornes de deux des diagonales du pont 330 et 332 et une source 328 de tension alternative engendrant de préférence un courant alternatif à 1000 cycles par seconde est montée aux bornes des deux autres diagonales 334 et 326, bien que l'emplacement de ces deux éléments pourrait être inversé sans affecter le fonctionnement du circuit.
La théorie du fonctionnement d'un pont de Weatstone est bien connue pour qu'une description supplémentaire soit inutile. Avec un tel circuit en pont, la résistance de l'élément sensible à l'humidité 310 peut être déterminée lorsqu'on connaît les valeurs des résistances précises 322 et 324 et le réglage de la prise 326. En fonctionne rnent, on manipule la prise ou curseur 326 du potentiomètre jusqu'à ce que le courant ne circule plus à travers un galvanomètre G, c'est-à-dire jusqu'à ce que les tensions aux points 330 et 332 soient égales. A ce moment, la résistance de l'élément sensible à l'humidité 310 peut être facilement calculée.
Bien qu'on ait représenté un pont de Wheatstone à courant alternatif, il est évident qu'on pourrait utiliser tout système de mesure à résistance précise.
La fig. 2 montre une forme de réalisation préférée de l'élément sensible à l'humidité 310 à tamis moléculaire zéolitique cristallin. Un disque 312 de zéolite comprimée présente une électrode 314 sous forme d'un clinquant métallique sur l'un de ses côtés et une électrode 316 (représenté avec rabattement) sous forme de toile métallique de l'autre côté, des conducteurs 318 et 319 étant soudés à ces dernières. L'utilisation d'une électrode sous forme de toile métallique d'un côté au moins du disque 310 expose une plus grande surface de la zéolite au milieu ambiant en augmentant ainsi le rapport de surface au volume de la zéolite et en diminuant le temps nécessaire pour que la zéolite atteigne l'équilibre d'adsorption. Cette forme de réalisation permet d'obtenir un tel rapport de surface à volume élevé.
Il existe d'autres moyens évidents pour y parvenir, par exemple une mince couche de zéolite pourrait être reliée à un support en matière plastique, des électrodes étant prévues à chaque extrémité de la couche.
L'exemple suivant montre la préparation d'un élément zéolitique sensible à l'humidité tel que celui décrit pour mesurer l'humidité relative ambiante.
On répartit régulièrement 0,25 g de poudre de zéolite
X au sodium hydraté sur un disque de clinquant de zinc au fond d'un trou cylindrique d'un diamètre de 12,5 mm dans une matrice en carbure de tungstène. On presse la zéolite contre le zinc au moyen d'un piston hydraulique qui pousse un plongeur en carbure de tungstène dans la matrice. Une pression de 2000 atmosphères et la température ambiante constituent les conditions pour cette opération préliminaire. On enlève alors le plongeur en carbure de tungstène et on place un disque de toile d'argent de 12,5mu sur la couche de zéolite. On replace alors le plongeur et on applique une pression de 3400 atmosphères. Tout en maintenant la pression, I'espace environnant la matrice est mis sous vide et on chauffe l'ensemble de la matrice à 1500 C.
Au bout de quelques minutes à 1500 C on relâche lente- ment la pression et on laisse refroidir l'ensemble. Le mince disque de zéolite présentant un clinquant de zinc d'un côté et une toile d'argent de l'autre côté est enlevé et de minces conducteurs en cuivre sont soudés à chacun des deux contacts.
On prépare une série de tubes contenant des solutions de sel saturées présentant une tension de vapeur d'eau connue. Les tubes contenant ces solutions saturées normalisées sont bouchées et on les laisse atteindre l'équilibre à température ambiante pendant deux jours.
On introduit l'élément sensible à la température cidessus dans chaque tube successivement en enlevant momentanément les bouchons. L'impédance de l'élément sous chacune des tensions de vapeur d'eau connues est mesurée avec un pont d'impédance Modèle 250-DA) > pour effectuer des mesures électriques en utilisant un courant alternatif de 1000 cycles par seconde.
On trouve que l'élément sensible atteint l'équilibre en moins de 5 minutes à chaque niveau d'humidité. Les résultats sont indiqués sur le tableau suivant:
Tableau I
Humidité relative Impédance
Phase solide (250 C) de l'élément K(C2H0O2)l,5H20. 22,5 o/o 2000 ohms K2CO3-2H2O . 42,8 o/o 1830 ohms NaBr .
2H2O 57,7 O/o 1700 ohms
NaCI 75,3 3 /0 1500 ohms
KCI 84,3 O/o 1380 ohms KNO3 92,5 O/o 1240 ohms
Il est évident que ces éléments zéolitiques sensibles à l'humidité peuvent être utilisés pour mesurer rhumidité relative ambiante, la teneur en humidité de gaz et de vapeur et la teneur en eau de liquides organiques.
L'utilisation des éléments zéolitiques sensibles à l'humidité est particulièrement intéressante pour indiquer le point de première apparition de l'eau dans un lit de tamis moléculaire adsorbant qui est utilisé à des fins de séchage. Etant donné qu'ils sont en une matière analogue à celle du lit, les éléments sensibles peuvent passer par les cycles d'activation thermique normaux sans subir de dommage et répondent d'une façon pratiquement identique à celle des pastilles individuelles du lit.
Les matières utilisées comme éléments sensibles ou détecteurs dans les hygromètres électriques connus sont classées suivant leur mode opératoire ou suivant la façon dont l'eau est sorbée par le détecteur. Un type de détecteur repose sur la variation de la conductivité d'une solution électrolytique à mesure que la concentration de la solution varie avec l'humidité relative. D'autres types comprennent des matières dont la résistivité superficielle varie avec l'humidité, des matières dont la résistivité volumétrique varie avec l'humidité et des matières dont les dimensions et la résistance varient avec l'humidité.
Bien que tous ces éléments détecteurs ou sensibles donnent des indications relativement précises de l'humidité relative ou des tensions partielles de vapeur d'eau lorsqu'ils sont correctement calibrés, la plupart d'entre eux présentent diverses limitations, qui restreignent leur utilisation. Parmi ces limitations on peut citer un temps prolongé pour atteindre l'équilibre, I'état critique des réglages physiques, le trop grand encombrement pour être facilement portatif et le temps prolongé pour désorber à un état d'équilibre inférieur de la tension partielle de vapeur d'eau à partir d'un état supérieur.
Parmi ces détecteurs, le type reposant sur la résistivité volumétrique a l'avantage inhérent d'être facilement portatif attendu qu'il n'y a pas d'électrolytes liquides qui peuvent se verser ou éclabousser et les électrodes peuvent être fixées à demeure au détecteur. Les détecteurs antérieurs de ce type ont été limités sévèrement étant donné que l'équilibre d'adsorption n'est pas atteint en un temps pratique.
Le détecteur décrit est basé sur le fait que la quantité d'eau adsorbée dans une zéolite cristalline dépend de la teneur en eau du système de fluide entourant la zéolite. On a également découvert que la conductivité électrique d'une zéolite cristalline présente une relation étroite avec la quantité d'eau adsorbée. Par exemple, le pourcentage en poids d'eau adsorbée à partir d'atmosphère présentant des humidités relatives diverses en équilibre avec une pastille de zéolite X au sodium est indiqué sous forme du tableau ci-dessous.
Humidité relative /o en poids d'eau adsorbée
15 18
25 19,3
40 20
50 20,3
60 20,9
75 21,8
90 23
100 24
On indique dans le tableau ci-dessous les conductivités électriques de cette même pastille de zéolite X au sodium pour diverses teneurs en eau. Cette productivité dépend de façon exponentielle de la température.
Conductivité spécifique
Pour-cent en poids ohm-1 cm-t
d'eau adsorbée 250 C l0Oo C
0 7,2 X 10-6 1,7 X 10-6
5 2,6 X 10-7 4,3 X 10-6
10 9,5 X 10-7 1,1 X 10-5
15 3,2 X 10-6 3,1 X 10-5
20 1,1 X 10-5 9,0 X 10-5
25 4,0 X 10-5
Les résultats ci-dessus de la conductivité révèlent que la zéolite X convient spécialement pour être utilisée comme élément sensible pour déterminer l'humidité, attendu qu'un tracé de la teneur en eau en fonction du logarithme de la conductivité donne une ligne droite.
Toutes les zéolites ne présentent pas une relation entre la conductivité et l'eau adsorbée qui puisse être exprimée sous forme d'une relation linéaire. Ainsi un tracé de la teneur en eau en fonction du logarithme de la conductivité pour la zéolite A au sodium donne une courbe à 250 C qui présente des points d'inflexion à une teneur en eau de 6,3 o/o et 16,5 /o. Ainsi, des pastilles en zéolite A au sodium, tout en étant utilisables comme éléments détecteurs d'humidité, doivent être calibrées d'une façon empirique.
Les pastilles utilisées pour obtenir les résultats de conductivité décrits ci-dessus ont la forme de cylindres d'une longueur de 6 mm et d'un diamètre de 6 mm présentant des électrodes sous forme de clinquant d'or pressés sur les extrémités du cylindre pendant le tassement.
On effectue le tassement en pressant sous vide comme décrit ci-dessus à 1500 C et sous s une pression de 4000 atmosphères. On mesure les conductivités avec un pont de Wheatstone à courant alternatif à 1000 cycles par seconde. On maintient la pastille à une température constante dans une atmosphère à humidité constante pendant qu'on mesure la conductivité.
Comme susmentionné, un élément sensible à l'humidité doit répondre rapidement au changement de la tension partielle de vapeur d'eau. Les pastilles de 6 mm sur 6 mm répondent à ces changements en quelques secondes à des tensions partielles de vapeur d'eau élevées. A des tensions partielles extrêmement faibles (par exemple de 50 microns) la réponse de ces pastilles relativement grandes est beaucoup plus lente et nécessite plusieurs heures. Ce temps peut être diminué en diminuant le volume de la pastille de zéolite et en augmentant ainsi la surface exposée à la vapeur d'eau.
Attendu que les zéolites cristallines sont des conducteurs électriques ioniques, leur résistance dépend d'une façon exponentielle de la température. Ainsi, les hygromètres utilisant ces zéolites comme éléments sensibles à la température doivent compenser les changements de température en utilisant une pastille de référence identique enfermée de façon hermétique, doivent être calibrés dans une gamme de températures ou doivent contenir un moyen de réglage de la température.
I1 est aussi nécessaire de calibrer l'élément sensible zéolitique pour qu'il tienne compte des autres matières adsorbables qui peuvent exister dans l'échantillon lorsqu'on doit déterminer la teneur en eau. Par exemple, les composés polaires (par exemple l'ammoniac) affectent en réalité la conductivité lorsqu'ils sont adsorbés d'une façon analogue à l'eau. Les matières non polaires n'affectent que légèrement la conductivité mais, en étant adsorbées, elles diminuent la quantité d'eau adsorbée.
S'il existe de telles matières parasites, on peut calibrer l'hygromètre pour qu'il tienne compte de leur interférence. Par exemple, lorsque la teneur en eau d'un liquide comme l'éthanol ou l'hexane doit être déterminée avec une zéolite ayant une grande dimension de pores comme la zéolite X au sodium, on calibre l'hygromètre avec des échantillons ayant une teneur en eau connue.
Selon une variante, I'élément sensible peut consister en une zéolite comme zéolite A au potassium qui n'adsorbe ni l'éthanol ni l'hexane. Les constituants normaux de l'atmosphère en dehors de l'eau n'ont pas d'effet significatif sur la conductivité de la zéolite.
Ces éléments zéolitiques sensibles à l'humidité sont sujets à une polarisation par le courant continu attendu qu'ils sont des conducteurs ioniques et par conséquent il est préférable d'utiliser un circuit à courant alternatif.
Toutefois, le taux de polarisation est suffisamment lent pour permettre d'utiliser un circuit à courant continu pulsé.