一种基于电解原理的样品水势测量方法及系统与流程

本发明涉及水势测量领域，尤其涉及一种基于电解原理的样品水势测量方法及系统。

背景技术：

目前用于测量水势的仪器种类很多，其测量原理主要有露点法、压力室法、张力计法等。采用露点水势仪对样品水势进行测量时，需要设定的参数较多，且设定复杂，不同水势范围的材料在测量时需要有不同的参数设置，且露点水势仪测量的绝对误差一般在0.05MPa左右，对于水势较高的材料测量精度较差；用压力室法一般用于测量植物材料的水势，虽然压力室法测量结果准确，但测量时需要有配套的压缩气体钢瓶，观察时还需要有放大镜配合来观测植物材料切口处的水滴出现情况，仪器设备比较笨重，且带有一定的危险性，能够测量的材料和测量的范围都比较有限；张力计是用于测量土壤水势的仪器，测量时需要将张力计提前埋入欲测量的土壤深度24h以上，切要保证陶瓷头与待测土壤紧密接触，其测量范围在0～-0.08MPa之间，测量范围很窄，测量时间较长，使用不便。

技术实现要素：

基于现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种基于电解原理的样品水势测量方法及系统，其简单且准确，能解决目前常用水势测量方法测量精度较低、参数设置复杂、测量周期长等的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明实施例提供一种基于电解原理的样品水势测量方法，包括：

将样品置于密闭的样品室内不少于5分钟后，从样品室内取体积为V(m³)、温度为t(℃)的被测气体通入设有涂有P₂O₅的电极的电解室测量气体含水量，在所述电解室中用涂有P₂O₅的电极对所述被测气体内的水分进行电解；

根据电解的化学反应式所确定的电解反应所需电子的摩尔数为气体中水分摩尔数的2倍关系，通过计算出的电解反应结束时消耗的电子的摩尔数2n(mol)来确定被测气体中水分的摩尔数为n(mol)；

根据理想气体状态方程计算得出被测气体的水气分压P(Pa)为：

上式中R为气体常数(8.314J mol^-1K^-1)；

根据下式计算出温度为t时的饱和水汽压P_s(Pa)为：

根据相对湿度与水势的关系计算得出被测气体的水势Ψ(Pa)为：

ψ＝4.6248×10⁵(t+273.15)ln(P/P_s)。

本发明实施例还提供一种用于实现上述的基于电解原理的样品水势测量方法的测量系统，包括：

依次连接的样品室模块、气体定量转移模块、电解室模块、控制及积分计算模块、结果存储与显示模块和直流电源模块；

所述样品室模块内设有放置待测样品的密闭空间，所述密闭空间内设有温度测量装置；

所述电解室模块内设有密闭电解空间，所述密闭电解空间内设置涂有P₂O₅的电极；

所述控制及积分计算模块分别与所述样品室模块的温度测量装置和气体定量转移模块电气连接；

直流电源模块，提供直流电源，分别与所述样品室模块、气体定量转移模块、电解室模块、控制及积分计算模块和结果存储与显示模块电气连接。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的测量方法，通过利用涂有P₂O₅的电极电解被测气体中水分的方式，得出被测气体中水分的摩尔数，进而利用被测气体中水分的摩尔数计算出被测气体的水气分压P和温度为t时的饱和水汽压P_s，通过水气分压P和饱和水汽压P_s计算得出被测气体的水势Ψ。该方法巧妙的利用了电解原理确定了被测气体中水分的摩尔数，进而简单方便的计算得出被测气体的水势Ψ。该方法参数设置简单，测量范围大，准确性高，速度快。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的样品水势测量系统示意图；

图2为本发明实施例提供的样品水势测量测量过程典型电流变化曲线图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种基于电解原理的样品水势测量方法，可以简便、快速且准确的测定被测气体的水势，包括：

将样品置于密闭的样品室内不少于5分钟后，从样品室内取体积为V(m³)、温度为t(℃)的被测气体通入设有涂有P₂O₅的电极的电解室测量气体含水量，在所述电解室中用涂有P₂O₅的电极对所述被测气体内的水分进行电解；

根据电解的化学反应式所确定的电解反应所需电子的摩尔数为气体中水分摩尔数的2倍关系，通过计算出的电解反应结束时消耗的电子数2n(mol)来确定被测气体中水分的摩尔数为n(mol)；

根据理想气体状态方程计算得出被测气体的水气分压P(Pa)为：

上式中R为气体常数(8.314J mol^-1K^-1)；

根据下式计算出温度为t时的饱和水汽压P_s(Pa)为：

根据相对湿度与水势的关系计算得出被测气体的水势Ψ(Pa)为：

ψ＝4.6248×10⁵(t+273.15)ln(P/P_s)。

上述测量方法中，用户可以根据自己的需要自行设定测量时间，一般不少于5分钟。为了获得更加准确的测量结果，在样品放入样品室后还可以进行多次测量，测量时间间隔也可以根据用户需要自行设定，一般间隔时间不小于5分钟，将同一样品最后一次的测量结果或最后两次测量结果的平均值作为该样品水势。

测量过程中所用电极的正、负电极采用不与磷酸发生反应的金属丝制作，正、负极金属丝紧密排列但不接触，在正、负电极金属丝之间涂抹P₂O₅。为保证P₂O₅均匀、稳固的附着在正、负电极之间，可以先以浓磷酸涂抹，再在正负电极之间通电电解浓磷酸生成P₂O₅。

上述测量方法中，在所述电解室中用涂有P₂O₅的电极对所述被测气体内的水分进行电解为：使水分被P₂O₅吸收生成H₃PO₄，在电流的作用下H₃PO₄又被电解放出H₂和O₂，并再生出P₂O₅以继续吸收气体中的水分，电解的化学反应式为：

P₂O₅+3H₂O→2H₃PO₄

将上述两个反应式合并后为：

如图1所示，本发明实施例还提供一种用于实现上述样品水势测量方法的测量系统，包括：

依次连接的样品室模块、气体定量转移模块、电解室模块、控制及积分计算模块和结果存储与显示模块和直流电源模块；

所述样品室模块内设有放置待测样品的密闭空间，所述密闭空间内设有温度测量装置；

所述电解室模块内设有密闭电解空间，所述密闭电解空间内设置涂有P₂O₅的正、负电极；

所述控制及积分计算模块分别与所述样品室模块内的温度测量装置和气体定量转移模块电气连接；

直流电源模块，提供直流电源，分别与所述样品室模块、气体定量转移模块、电解室模块、控制及积分计算模块和结果存储与显示模块电气连接。

上述测量系统中，温度测量装置的测量精度越高，水势的计算结果也越准确，本实施例中采用铂电阻。

上述测量系统中，控制及积分计算模块根据从样品室模块获得的被测气体的温度t(℃)、从气体定量转移模块获得的转移到电解室模块内的被测气体体积V(m³)及根据电解的化学反应计算确定的被测气体中水分的摩尔数n(mol)，根据理想气体状态方程计算得出被测气体的水气分压P(Pa)为：该式中R为气体常数(8.314J mol^-1K^-1)；

并根据下式计算出温度为t时的饱和水汽压P_s(Pa)为：

最后根据相对湿度与水势的关系计算得出被测气体的水势Ψ(Pa)为：

ψ＝4.6248×10⁵(t+273.15)ln(P/P_s)。

上述测量系统中，电解室中的正、负电极均采用铂丝或铑丝绕制而成，正、负电极间均匀涂有P₂O₅干燥剂。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。

图1给出了本发明的样品水势测量系统示意图，该测量系统依据的是本发明测量方法的原理，即将样品置于密闭的样品室内，使样品水势与样品室内空气的水势达到平衡，然后取样品室内一定体积的空气通入电解室，在电解室中采用铂丝或铑丝绕制而成，且正、负电极间均匀涂有P₂O₅干燥剂的电极进行电解，通入电解室的气体中的水分被P₂O₅干燥剂吸收生成H₃PO₄，H₃PO₄又被电解放出H₂和O₂，并再生出P₂O₅以继续吸收气体中的水分，如此反复直到气体中的水分被完全电解，通过电流计与计时器的组合(或库仑计)可以测定出电解过程消耗的电子数，进而确定气体中的含水量，再根据气体中的含水量和气体温度通过计算确定出气体的水势，即得到被测样品的水势值。具体测量原理如下：

将样品置于密闭的样品室内5分钟后，从样品室中取出体积为V(m³)、温度为t(℃)的气体通入电解室用于测量气体含水量，在电解室中水分被P₂O₅吸收生成H₃PO₄，在电流的作用下H₃PO₄又被电解放出H₂和O₂，并再生出P₂O₅以继续吸收气体中的水分，化学反应式如下：

P₂O₅+3H₂O→2H₃PO₄

将两反应式合并后为：

由上反应式可以得出，电解反应所需电子的摩尔数为气体中水分摩尔数的2倍，即电解反应结束时消耗的电子数为2n(mol)(通过电流对时间的积分测算)，则气体中水分的摩尔数为n(mol)。由理想气体状态方程可以得出被测气体的水气分压P(Pa)为：

式中R为气体常数(8.314J mol^-1K^-1)。

温度为t时的饱和水汽压P_s(Pa)通过下式计算：

根据相对湿度与水势的关系可以得出样品的水势Ψ(Pa)为：

ψ＝4.6248×10⁵(t+273.15)ln(P/P_s)

如图1所示，本发明的样品水势测量系统包括：样品室模块2、气体定量转移模块3、电解室模块4、控制及积分计算模块6、结果存储与显示模块7、直流电源模块8，其中样品室模块2中放置待测样品1并对样品室中水势平衡后的温度进行测量，电解室模块4中集成了涂有P₂O₅的电极5。

将待测样品1置于样品室模块2的密闭空间内，同时接通电解室模块4内涂有P₂O₅的电极5的电源，开始对电解室模块4的密闭电解空间内的水分进行电解，等待至少5分钟，且利用结果存储与显示模块7观察确认通过涂有P₂O₅的电极5的电流为0时，即图2中所示的t₁时刻后，测量样品室模块2内的气体温度，然后利用气体定量转移模块3将一定体积的平衡气体转移至电解室模块4中，持续对涂有P₂O₅的电极5通电，直至通过涂有P₂O₅的电极5中的电流达到0，这一过程中，通过涂有P₂O₅的电极5中电流的变化如图2中t₂～t₃时刻所示，利用控制及积分计算模块6对t₂～t₃时刻通过涂有P₂O₅的电极5中电流进行积分计算得出样品水势测量结果，将样品水势测量结果通过结果存储与显示模块7显示并记录。

在上述实施例中，样品室模块2中的温度测量可以通过设置于其中的铂电阻来实现。对于气体定量转移模块3的控制可通过控制及积分分计算模块6来实现，样品室模块2中测得的温度、气体定量转移模块3转移气体的体积及结果存储与显示模块7中测得的电流变化均输入控制及积分分计算模块6，控制及积分分计算模块6在根据输入的数据对测量系统下达动作信号，并将最终测量结果输入结果存储与显示模块7中输出并记录测量结果。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。