Пермеаметр

Пермеаме́тр (от англ. permea(bility) — проницаемость, и лат. permeo — проникать) — прибор для измерения проницаемости.

Пермеаметры по назначению делятся на пермеаметры, измеряющие магнитную проницаемость вещества, с их помощью определяют кривые намагничивания, петли гистерезиса ферромагнитных незамкнутых образцов (стержней, трубок, лент, скоб, и др.), и на пермеаметры, измеряющие газовую проницаемость, например, кислорода, диоксида углерода, барьерные свойства полимерных плёнок, упаковки, крышек, пробок из натуральных и синтетических материалов, и др. Впервые название пермеаметр появилось для описания прибора, изобретённого Сильванусом Филлипсом Томпсоном в 1890 году.

Измерения магнитной проницаемости

Файл:Пермеаметр.png

Рис. 1. Схема пермеаметра для измерения магнитной проницаемости сталей

Пермеаметры для измерения магнитной проницаемости состоят из т. н. ярма (рама из магнитомягкого материала) и подвижных полюсных наконечников, которыми можно зажать измеряемый образец. При зажиме образца образуется замкнутая магнитная цепь (именно поэтому пермеаметры используются для измерений незамкнутых образцов — стержней, трубок, лент, скоб). Перед зажимом образца на него одевается катушка индуктивности и обмотка для измерения напряжённости магнитного поля потенциалометрического типа. Две катушки индуктивности охватывают части ярма. Пермеаметром измеряют напряжённость магнитного поля $H$ с помощью магнитного потенциалометра или преобразователя Холла, в некоторых конструкциях — феррозондом, после чего магнитную проницаемость $m$ материала вычисляют по формуле:

$m={\frac {B}{H}}$,

где $H$ — напряжённость магнитного поля, $B$ — магнитная индукция.

Пермеаметры для измерения магнитной проницаемости делятся на пермеаметры сильных (до единиц МА/м) и средних (до 10 кА/м) полей.

На рисунке 1 показана принципиальная схема пермеаметра для измерения магнитной проницаемости сталей, построения кривой намагниченности, предельной петли гистерезиса, величины остаточной индукции и коэрцитивной силы. Используется метод определения статических характеристик магнитных материалов индукционно-импульсным способом с использованием баллистического гальванометра. Намагничивающее поле создаётся последовательно соединёнными обмотками $W_{HO}$, измерительную катушку $W_{H}$ располагают вблизи поверхности образца. Вначале определяется магнитная индукция $B$, а затем при каждом значении тока в намагничивающей обмотке измеряют величину напряжённости магнитного поля $H$ с помощью баллистического гальванометра при удалении катушки $W_{H}$ с поверхности образца.

Измерения газопроницаемости

Пермеаметрами также называют приборы для измерения газовой проницаемости различных веществ и изделий из них. Чаще всего пермеаметры для измерения газовой проницаемости используются при измерениях проницаемости кислорода (${\ce {O2TR}}$), паров воды WVTR и диоксида углерода (${\ce {CO2TR}}$). Такие измерения необходимы для оценки качества упаковки в пищевой и фармацевтической промышленности, бутылок, бутылей и прочих ёмкостей, изготовленных из полиэтилентерефталата (ПЭТ), крышек, пробок из натуральных и синтетических материалов, bag-in-box-пакетов, плёнок, листов бумаги, ёмкостей для бытовой химии, фотоэлектрической электроники и других изделий из широкого спектра материалов.

Согласно ГОСТ Р 53656.2-2009 определяются следующие термины и определения:

Скорость проникновения газа ($GTR$) — объём газа, прошедшего через единицу площади полимерного материала в единицу времени при разнице парциального давления между двумя сторонами полимерного материала, равной единице давления. Например, скорость проникновения кислорода обозначают как ${\ce {O2GTR}}$.

Газопроницаемость или коэффициент газопроницаемости $P$ определяется как объём газа, прошедшего через единицу площади полимерного материала, толщина которого равна единице толщины, в единицу времени при разнице парциального давления между двумя сторонами полимерного материала, равной единице давления.

Коэффициент газопроницаемости определяется по формуле:

$P=GTR\cdot d$,

где $GTR$ — скорость проникновения газа, моль/м²·с·Па, $d$ — средняя толщина образца, м. Здесь $P$ имеет размерность моль·м/(м²·с·Па).

Газопроницаемость или коэффициент газопроницаемости $P$ — это физическое свойство полимерного материала, зависящее только от газа для испытания и условий испытания. Различные способы переработки влияют на ориентацию полимерных цепей и кристаллическую структуру, что, в свою очередь, может отражаться на величине коэффициента газопроницаемости.

Файл:Файл-Схема метода разностного давления при измерениях газопроницаемости.png

Рис. 2. Принципиальная схема метода перепада давления для измерения газопроницаемости

Скорость проникновения газов измеряется методом равного давления или методом перепада давления.

Принципиальная схема пермеаметра для измерения газопроницаемости методом перепада давления показан на рисунке 2. Образец помещается между верхней и нижней камерами. Вакуумный насос откачивает воздух во всём газовом контуре системы. Затем анализируемый газ запускается при атмосферном давлении в верхнюю камеру, создавая постоянную разницу в давлениях в верхней и нижней камерах. Величины давления в верхней и нижней камерах контролируются с помощью датчиков давлений непрерывного действия. Из-за разности давлений газ из верхней камеры проникает в нижнюю сквозь образец (на схеме — плёнку), и система автоматически рассчитывает барьерные характеристики образца (газопроницаемость). Разница давлений поддерживается на уровне 100 кПа. Коэффициент газовой проницаемости вычисляется на основании показаний датчика давления непрерывного типа, расположенного в нижней камере (низкого давления), или с помощью газового хроматографа. Температура в обеих камера поддерживается на одинаковом уровне с точностью не менее 0,2 °С.

Приборы, основанные на методе перепада давления, используются для измерений коэффициентов газопроницаемости плёнок, листовых материалов, бумаги и картона, лекарственных наклеек, тёплых наклеек, средств гигиены, упаковки для различных газов. Метод используется как для однослойных, так и многослойных образцов.

Отметим, что существуют и пермеаметры, измеряющие водопаропроницаемость, жидкостные пермеаметры, пермеаметры-порозиметры, и др.

Литература

• Боровик Е. С., Ерёменко В. В., Мильнер А. С. Лекции по магнетизму. — М. : Физматлит, 2005.
• Вонсовский С. В. Магнетизм : магнитные свойства диа-, пара-, ферро-, антиферро- и ферримагнетиков. — М. : Наука, 1971.
• Румер Ю. Б. Термодинамика, статистическая физика и кинетика : учебное пособие для студентов. — Новосибирск : Издательство Новосибирского университета, 2000.
• Ландау Л. Д. Курс общей физики : механика и молекулярная физика. — М. : Добросвет : Издательство КДУ, 2011.
• Кикоин А. К., Кикоин И. К. Молекулярная физика : учебное пособие для студентов вузов. — СПб., : Лань, 2016.
• Сивухин Д. В. Общий курс физики. Т. 2. Термодинамика и молекулярная физика. — М. : Физматлит, 2014.

Ссылки

Пермеаметры для измерения магнитной проницаемости:

• Пермеаметр для измерения магнитной проницаемости

Пермеаметры для измерения газопроницаемости:

• ГОСТ Р 53656.2-2009. Пластмассы. Определение скорости проникновения газов

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «Пермеаметр», расположенная по адресу: — «https://ru.ruwiki.ru/wiki/Пермеаметр» Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».