水分分析

水分分析は、固体、液体、または気体中の水分含有量を測定するさまざまな方法をカバーしています。たとえば、水分（通常はパーセントで測定）は、商業的な食品製造における一般的な仕様です。^[1]製造およびプロセスの品質保証に微量水分測定が必要なアプリケーションは多数あります。プラスチック、医薬品、熱処理を含むプロセスでは、固体中の微量水分を知る必要があります。^[要出典] 気体または液体の水分測定が必要な分野には、炭化水素処理、純粋な半導体ガス、バルクの純粋または混合ガス、変圧器や発電所などの誘電ガス、天然ガスパイプライン輸送などがあります。水分含有量の測定値は、ppm 、ガス100万標準立方フィートあたりの水の重量、単位体積あたりの水蒸気の質量、乾燥ガスの単位質量あたりの水蒸気の質量など、複数の単位で報告できます。

水分 露点とは、ガスから水分が凝縮する温度です。このパラメータは本質的に水分含有量と関連しており、水分含有量は水分子の量を全体に対する割合として定義します。どちらもガス内の水分量の測定に使用でき、一方を他方からかなり正確に計算できます。

両方の用語は互換的に使用されることもありますが、これら2つのパラメータは関連してはいるものの、異なる測定値です。^{[2] [3]}

固体または半固体の高水分を測定するための古典的な実験室方法は、乾燥減量法です。^[4]この技術では、材料サンプルの重量を量り、オーブンで適切な時間加熱し、デシケーターの乾燥雰囲気で冷却してから、再度重量を量ります。固体の揮発性成分が主に水である場合、乾燥減量法は水分含有量の優れた測定値を提供します。^[5] 手動の実験室方法は比較的時間がかかるため、テストに必要な時間を数時間からわずか数分に短縮できる自動水分分析装置が開発されました。これらの分析装置には、サンプルトレイと周囲の加熱要素を備えた電子天秤が組み込まれています。マイクロプロセッサ制御により、サンプルを急速に加熱できます。プロセス全体を通じて水分損失率が測定され、乾燥曲線の形でプロットされます。^[6]

水分量を正確に測定する方法として、1935年にドイツの化学者カールフィッシャーが開発したカールフィッシャー滴定法がある。この方法は、揮発性物質を検出する乾燥減量法とは異なり、水分のみを検出する。^{[7] [5]}

天然ガスには、非常に高いレベルの固体および液体の汚染物質、ならびにさまざまな濃度の腐食性物質が含まれている可能性があるため、水分含有量の分析に関して独特の問題が生じます。

天然ガス中の水分の測定は、通常、次のいずれかの方法で行われます。^[8]

• 色指示管
• 冷却ミラー
• 分光法と組み合わせた冷却ミラー
• 電解
• 圧電吸着（水晶振動子マイクロバランスとも呼ばれる）
• 酸化アルミニウムと酸化ケイ素
• 分光法。

水分測定技術は他にも存在しますが、さまざまな理由から天然ガス用途では使用されていません。たとえば、米国標準局が使用する重量式湿度計や「2 圧力」システムは正確ですが、工業用途には適していません。

色指示管（ガス検知管^[9]とも呼ばれる）は、天然ガスパイプラインで水分を素早く大まかに測定するために使用される装置です。各管には、ガスを通過すると特定の化合物に反応して染みや色を形成する化学物質が含まれています。管は一度使用すると廃棄されます。製造業者が管を校正しますが、測定値は露出時間、流量、および抽出技術に直接関係するため、誤差が生じやすくなります。実際には、誤差は最大25％に達することがあります。色指示管は、天然ガス中の水分を不定期に大まかに推定するのに適しています。

このタイプの装置は、気体媒体中の水の露点を測定する場合、最も人気があると考えられています。このタイプの装置では、ガスが反射冷却面、同名の冷却ミラーを横切って流れると、表面が十分に冷えると、利用可能な水分が小さな水滴となって表面に凝縮し始めます。この凝縮が最初に発生する正確な温度が記録され、凝縮した水が蒸発し始めるまでミラーはゆっくりと加熱されます。この温度も記録され、凝縮温度と蒸発温度の平均が露点として報告されます。 [ ^10]手動と自動の両方の冷却ミラー装置はすべて、この同じ基本的な方法に基づいています。露点は水が同じ速度で凝縮および蒸発する平衡温度であるため、凝縮と蒸発の両方の温度を測定する必要があります。ミラーを冷却すると、温度は露点に達した後も下がり続けるため、水が凝縮し始める前の実際の露点温度よりも、凝縮温度の測定値は低くなります。したがって、蒸発が観察されるまでミラーの温度をゆっくりと上げ、露点はこれら 2 つの温度の平均として報告されます。正確な露点温度を取得することで、ガスの水分含有量を計算できます。ミラー温度は、ミラー上の冷媒の流れ、またはペルチェ素子とも呼ばれる熱電冷却器によって調整できます。

鏡面の結露の形成挙動は、光学的または視覚的手段のいずれかで記録できます。どちらの場合も、光源が鏡に向けられ、結露の形成によるこの光の反射の変化が、それぞれセンサーまたは人間の目によって検出されます。結露が発生し始める正確なポイントは肉眼では識別できないため、現代の手動操作機器では、この方法で行われた測定の精度を高めるために顕微鏡を使用しています。^{[11] [12]}

チルドミラー分析装置は、他の分析装置と同程度のレベルの汚染物質による混乱の影響を受けます。適切な濾過およびガス分析準備システムを使用すれば、重炭化水素、アルコール、グリコールなどの凝縮性液体によって、これらの装置から得られる結果が歪むことはありません。また、前述の汚染物質が問題となる天然ガスの場合、オンライン分析装置は定期的にライン圧力で水の露点を測定するため、たとえば重炭化水素が水より先に凝縮する可能性が低くなることも注目に値します。

一方、冷却ミラー装置はドリフトの影響を受けず、ガス組成の変動や水分含有量の変化の影響を受けません。

この分析方法は、冷却ミラー測定と分光法の利点を組み合わせたものです。この方法では、赤外線(IR) ビームが外面に対して斜めに透過して透明で不活性な材料を冷却します。この表面に当たると、IR ビームは材料を通して反射されます。ガス媒体は、IR ビームが反射される場所に対応するポイントで材料の表面を横切ります。冷却材料の表面に凝縮物が形成されると、反射された IR ビームを分析すると、形成された凝縮物の分子構造に対応する波長の吸収が示されます。このようにして、デバイスは水の凝縮と、ガス媒体が天然ガスの場合の炭化水素などの他の種類の凝縮物を区別することができます。この方法の利点の 1 つは、透明材料の不活性な性質により、汚染物質に対する耐性が比較的高いことです。真のチルドミラー装置と同様に、このタイプの分析装置は、気体媒体内の潜在的な液体の凝縮温度を正確に測定できますが、実際の水の露点を測定することはできません。これは、蒸発温度も正確に測定する必要があるためです。

電解センサーは、五酸化リン (P ₂ O ₅ )の薄膜でコーティングされた 2 つの近接した平行巻線を使用します。このコーティングが流入する水蒸気を吸収すると、巻線に電位が印加され、水が水素と酸素に電気分解されます。電気分解で消費される電流によって、センサーに入る水蒸気の質量が決まります。流入するサンプルの流量と圧力は、センサーへの標準サンプル質量流量を維持するために正確に制御する必要があります。

この方法はかなり安価で、応答速度が重要ではない純粋なガス流で効果的に使用できます。巻線に油、液体、グリコールが混入すると、測定値が変動し、センサーが損傷します。センサーは湿度の急激な変化には反応できません。つまり、巻線の表面での反応が安定するまでに時間がかかります。パイプライン内の大量の水 (スラグと呼ばれる) は表面を濡らし、乾燥するまでに数十分から数時間かかります。電解センサーを使用する場合は、サンプルの効果的な調整と液体の除去が不可欠です。

圧電 吸着装置は、吸湿性コーティングされた水晶 振動子の周波数の変化を比較します。水蒸気の吸着により水晶の質量が変化すると、振動子の周波数も変化します。センサーは相対測定であるため、システムを相関させるために、乾燥剤乾燥機、浸透管、サンプル ライン スイッチングを備えた統合校正システムが頻繁に使用されます。

このシステムは、天然ガスを含む多くの用途で成功しています。グリコール、メタノールからの干渉、硫化水素による損傷が発生する可能性があり、その結果、測定値が不安定になることがあります。センサー自体は比較的安価で非常に正確です。必要な校正システムはそれほど正確ではなく、システムのコストと機械的複雑さが増します。乾燥剤乾燥機、浸透コンポーネント、センサーヘッドを頻繁に交換する労力により、運用コストが大幅に増加します。さらに、センサーヘッドを「乾燥させる」必要があるため、水の塊によりシステムが長期間機能しなくなります。

酸化物センサーは、不活性な基板材料と 2 つの誘電体層で構成されており、そのうちの 1 つは湿度に敏感です。水分分子は表面の細孔を通過し、その下の層の物理的特性に変化を引き起こします。

酸化アルミニウムセンサーには、コンデンサの電極を形成する 2 つの金属層があります。吸着された水分子の数によって、センサーの誘電率が変わります。センサーのインピーダンスは、水の濃度と相関します。酸化シリコンセンサーは、水が感応層に吸収されると屈折率が変化する光学デバイス、またはアルミニウムの代わりにシリコンを使用した異なるインピーダンス タイプ になります。

最初のタイプ（光学式）では、光が基板を通して反射されると、出力で波長シフトが検出され、水分濃度と正確に相関させることができます。光ファイバーコネクタを使用して、センサー ヘッドと電子機器を分離できます。

このタイプのセンサーはそれほど高価ではなく、パイプライン圧力で ( in-situ )設置できます。水分子が細孔に出入りするのには時間がかかるため、特にスラグの後には、濡れ上がりと乾燥に多少の遅延が見られます。汚染物質や腐食性物質により細孔が損傷して詰まり、校正に「ドリフト」が生じる可能性がありますが、センサー ヘッドは再生または交換が可能で、非常にクリーンなガス ストリームではパフォーマンスが向上します。圧電センサーや電解センサーと同様に、センサーはグリコールやメタノールからの干渉の影響を受けやすく、損傷や詰まりによりセンサー表面が非アクティブになると校正がドリフトするため、校正はセンサーの寿命の初めのみ信頼できます。

2 番目のタイプ (シリコン酸化物センサー) では、安定性を向上させるためにデバイスの温度が制御されることが多く、高温の動作温度で平衡状態にある水分量が少ないため、アルミニウム酸化物タイプよりも化学的に安定しており、応答がはるかに速いと考えられています。

ほとんどの吸収型デバイスはパイプライン圧力（最大 130 Barg）で設置できますが、国際規格へのトレーサビリティは損なわれます。大気圧近くで動作することでトレーサビリティが確保され、既知の水分含有量に対する直接検証が可能になるなど、他の重要な利点も得られます。

吸収分光法は、光をガスサンプルに通して特定の波長で吸収される光の量を測定する比較的単純な方法です。従来の分光技術では、メタンが水と同じ波長領域の光を吸収するため、天然ガスではこの測定がうまくいきませんでした。しかし、非常に高解像度の分光計を使用すれば、他のガスのピークと重ならない水のピークをいくつか見つけることは可能です。

チューナブル レーザーは、これらの小さなスペクトル特性を分析するために使用できる狭くチューナブルな波長光源を提供します。 ランベルトベールの法則によれば、ガスによって吸収される光の量は、光路中に存在するガスの量に比例するため、この技術は水分の直接測定となります。 光路長を十分に長くするために、機器にはミラーが使用されます。 ミラーは液体や固体の汚染によって部分的に遮られることがありますが、測定は吸収された光と検出された総光の比率であるため、部分的に遮られたミラーによって校正が影響を受けることはありません (ミラーが完全に遮られている場合は、クリーニングする必要があります)。

TDLAS分析装置は、上記のほとんどの分析装置に比べて初期費用が高くなります。ただし、腐食性のガス、液体、固体による干渉や損傷を受けない分析装置、急激な水分変化に非常に迅速に反応する分析装置、ガス組成が変化しないと仮定して長期間にわたって校正された状態を維持できる分析装置の必要性に関しては、チューナブル ダイオード レーザー吸収分光法の方が優れています。

• カールフィッシャー滴定