露點(diǎn)儀(濕度測(cè)量?jī)x器)的測(cè)量原理及正確選型

北京久恒隆儀表技術(shù)開發(fā)有限責(zé)任公司 空分工程部


【摘要】本文從濕度測(cè)量的幾種基本方法入手，分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)和主要有代表性露點(diǎn)儀，重點(diǎn)從性能、價(jià)格、適用條件和操作的方便程度上向用戶介紹如何選用合適的露點(diǎn)儀(濕度測(cè)量?jī)x器)

敘詞：露點(diǎn)儀，微量水，露點(diǎn)，重量法，冷鏡法，阻容法（電容法）

How to Select Your Appropriate Moisture Analyzer

Abstract: In this paper, the author describes some main ways of measuring moisture, and analyzes their advantages and shortages, and lists some representative instrument of these ways. It is special that introduces the user how to select their appropriate moisture analyzer according to following factors: capability, price, working condition and facility of operation, etc.

一．引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，為了要得到高質(zhì)量的產(chǎn)品或設(shè)備正常地運(yùn)行，許多行業(yè)諸如石化、電力、電子、航空航天、冶金、紡織等對(duì)濕度測(cè)量的要求越來(lái)越高，因而，濕度測(cè)量已逐漸成為一個(gè)新興的技術(shù)領(lǐng)域，在86年我國(guó)正式成立了濕度與水分專業(yè)委員會(huì)，并開展了多次學(xué)術(shù)交流會(huì)，濕度的一些計(jì)量檢定規(guī)程也逐步建立。根據(jù)有關(guān)規(guī)程，濕度被定義為氣體中的水蒸氣含量，常用單位有：克/升，PPM，mmHg，露點(diǎn)及相對(duì)濕度等。習(xí)慣上以露點(diǎn)-20℃為界把所測(cè)氣體分為高濕度氣體與低濕度氣體（即微量水），這里重點(diǎn)介紹低濕度氣體的測(cè)量。

二．濕度測(cè)量方法

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB11605-89《濕度測(cè)量方法》所著，濕度測(cè)量共有七種方法，這里不一一贅述。筆者重點(diǎn)對(duì)市場(chǎng)上流行的幾種微量水測(cè)量方法及露點(diǎn)儀選型重新歸類并簡(jiǎn)單介紹如下：
1．重量法：
是一種經(jīng)典的測(cè)量方法。讓所測(cè)樣氣流經(jīng)某一干燥劑，其所含水分被干燥劑吸收，精確稱取干燥劑吸收的水分含量，與樣氣體積之比即為樣氣的濕度。該方法的優(yōu)點(diǎn)是精度高，最大允許誤差可達(dá)0.1%；缺點(diǎn)是具體操作比較困難，尤其是必須得到足夠量的吸收水質(zhì)量（一般不小于0.6克），這對(duì)于低濕度氣體尤其困難，必須加大樣氣流量，結(jié)果會(huì)導(dǎo)致測(cè)量時(shí)間和誤差增大（測(cè)得的濕度不是瞬時(shí)值）。因而該方法只適合于測(cè)量露點(diǎn)-32℃以上的氣體，可以說(shuō)市場(chǎng)上純粹利用該方法測(cè)濕度的儀器較少。
由以上分析可知，重量法的關(guān)鍵是怎樣精確測(cè)量干燥劑吸收的水分含量，因?yàn)橹苯訙y(cè)量比較困難，由此衍生了兩種間接測(cè)量吸收水含量的方法。
A.電解法：就是將干燥劑吸收的水分經(jīng)電解池電解成氫氣和氧氣排出，電解電流的大小與水分含量成正比，通過(guò)檢測(cè)該電流即可測(cè)得樣氣的濕度。該方法彌補(bǔ)了重量法的缺點(diǎn)，測(cè)量量程可達(dá)-80℃以下，且精度較好，價(jià)格便宜；缺點(diǎn)是電解池氣路需要在使用前干燥很長(zhǎng)時(shí)間，且對(duì)氣體的腐蝕性及清潔性要求較高。采用該方法的儀器較多，典型的是美國(guó)Edgetech 公司的1-C型微水儀和杜邦公司的M303及國(guó)產(chǎn)的USI系列產(chǎn)品。
B.振動(dòng)頻率法：就是將重量法中的干燥劑換用一種吸濕性的石英晶體，根據(jù)該晶體吸收水分質(zhì)量不同時(shí)振動(dòng)頻率不同的特點(diǎn)，讓樣氣和標(biāo)準(zhǔn)干燥氣流經(jīng)該晶體，因而產(chǎn)生不同的振動(dòng)頻率差△f1和△f2，計(jì)算兩頻率之差即可得到樣氣的濕度。該方法具有電解法一樣的優(yōu)點(diǎn)，且使用前勿須干燥。典型代表儀器是美國(guó)AMETEK公司的560B。
2．冷鏡法：
也是一種經(jīng)典的測(cè)量方法。讓樣氣流經(jīng)露點(diǎn)冷鏡室的冷凝鏡，通過(guò)等壓制冷，使得樣氣達(dá)到飽和結(jié)露狀態(tài)（冷凝鏡上有液滴析出），測(cè)量冷凝鏡此時(shí)的溫度即是樣氣的露點(diǎn)。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是精度高，尤其在采用半導(dǎo)體制冷和光電檢測(cè)技術(shù)后，不確定度甚至可達(dá)0.1℃；缺點(diǎn)是響應(yīng)速度較慢，尤其在露點(diǎn)-60℃以下，平衡時(shí)間甚至達(dá)幾個(gè)小時(shí)，而且此方法對(duì)樣氣的清潔性和腐蝕性要求也較高，否則會(huì)影響光電檢測(cè)效果或產(chǎn)生‘偽結(jié)露’造成測(cè)量誤差。該方法的典型廠家代表是美國(guó)的General Eastern公司和Edgetech公司，瑞士的MBW公司以及英國(guó)的PROTIMETER公司等。
3．阻容法：
是一種不斷完善的濕度測(cè)量方法。利用一個(gè)高純鋁棒，表面氧化成一層超薄的氧化鋁薄膜，其外鍍一層多空的網(wǎng)狀金膜，金膜與鋁棒之間形成電容，由于氧化鋁薄膜的吸水特性，導(dǎo)致電容值隨樣氣水分的多少而改變，測(cè)量該電容值即可得到樣氣的濕度。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量量程可更低，甚至達(dá)-100℃，另一突出優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度非?？?，從干到濕響應(yīng)一分鐘可達(dá)90%，因而多用于現(xiàn)場(chǎng)和快速測(cè)量場(chǎng)合；缺點(diǎn)是精度較差，不確定度多為±2～3℃。但隨著各廠家的不斷努力，該方法正在逐漸得到完善，例如，通過(guò)改變材料和提高工藝使得傳感器穩(wěn)定度大大提高，通過(guò)對(duì)傳感器響應(yīng)曲線的補(bǔ)償作到了飽和線性，解決了自動(dòng)校準(zhǔn)問(wèn)題。該方法的典型廠家代表為英國(guó)Alpha濕度儀器公司，愛爾蘭的PANAMETRICS公司及美國(guó)的XENTAUR公司。

三．如何選擇儀器

露點(diǎn)儀（濕度儀器）測(cè)量的方法可謂五花八門，其性能與價(jià)格也相差懸殊，這就要求我們選用儀器時(shí)要謹(jǐn)慎小心，不但要考慮到性能和價(jià)格，還應(yīng)該考慮到儀器使用的場(chǎng)合和所測(cè)氣體的種類及腐蝕性等。總體原則如下：
1）國(guó)家級(jí)濕度基準(zhǔn)：考慮到要求測(cè)量準(zhǔn)確度高，樣氣理想，一般應(yīng)選用冷鏡式露點(diǎn)儀，如美國(guó)GE公司的M3，美國(guó)Edgetech公司M300或瑞士MBW公司DP30等露點(diǎn)儀，用戶應(yīng)根據(jù)實(shí)際量程和精度選用合適的產(chǎn)品。
2）企業(yè)基準(zhǔn)或?qū)嶒?yàn)室分析：如果測(cè)量準(zhǔn)確度要求較高，可選用冷鏡法儀器，如美國(guó)Edgetech公司的2000系列，瑞士MBW公司的DP19或英國(guó)PROTIMETER公司的系列產(chǎn)品；如果量程要求較低（露點(diǎn)-60℃以下）且氣體較清潔，可選用電解法儀器，如美國(guó)Edgetech公司的1-C，杜邦公司的M303。
3）現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)：如果測(cè)量準(zhǔn)確度要求較高，可選用冷鏡法儀器（同上）；如果要求測(cè)量速度快或氣體污染較重，最好選用阻容法儀器，如英國(guó)Alpha濕度儀器公司的SADPmini手持式露點(diǎn)儀，或美國(guó)XENTAUR公司的XPDM等。
連續(xù)在線監(jiān)測(cè)：如果精度要求不太高，可選用阻容法儀器，如英國(guó)Alpha濕度儀器公司的DS-1000在線露點(diǎn)儀或新型的DS-2000在線露點(diǎn)儀，以及美國(guó)XENTAUR公司的XDT型，它們共同具有價(jià)格低且安裝調(diào)試方便的特點(diǎn)；如果精度要求較高，可選用美國(guó)AMETEK公司的560B或冷鏡式儀表。

四．附表：市場(chǎng)上部分進(jìn)口微水儀資料對(duì)照表

廠 家	型 號(hào)	原 理	量 程	精 度	性價(jià)比	應(yīng)用場(chǎng)合
英國(guó) Alpha公司	SADPminiEx	阻容法(電容法)	-110～+20℃	±2℃	價(jià)格適中方便快速	實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng) 本安防爆
	SADPu SADPu-D	同上			價(jià)格較低方便快速	實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng) 本安防爆
	DSP-FCI	同上			價(jià)格適中方便快速	實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng) 尤其適用電力SF6測(cè)量
	P35	阻容法(電容法)	-80～0℃ 標(biāo)準(zhǔn)可擴(kuò)展	±2℃	價(jià)格適中方便快速	實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng) 尤其適用電力SF6測(cè)量
	DS-1000 DS-2000	阻容法(電容法)	-80～0℃ 標(biāo)準(zhǔn)可擴(kuò)展	±2℃	價(jià)格較低	在線測(cè)量
美國(guó)GE公司	M3，M4	冷鏡法	-80～+80℃	±0.15℃	價(jià)格高	標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量
美國(guó) Edgetech公司	M300	冷鏡法	-75～+75℃	0.15℃	價(jià)格高	標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量
	2000系列		-50～+80℃		價(jià)格高	實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng)
	V-系列		-50～+80℃		價(jià)格較高	在線測(cè)量
	1-C	電解法	0～500ppm	±5%	價(jià)格較高	實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng)
瑞士MBW公司	DP19	冷鏡法	-60～+20℃	±0.2℃	價(jià)格昂貴	實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng)
	DP30		-100～+20℃	±0.1℃	價(jià)格昂貴	標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量
美國(guó)杜邦公司	M303	電解法	0～1000ppm	±5%	價(jià)格較高	實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng)
美國(guó) AMTEK公司	560B	振動(dòng) 頻率法	0～1000ppm	±5%	價(jià)格較高	在線測(cè)量
愛爾蘭 PANAMETRICS	SYSTE	阻容法	-80～0℃	±3℃	價(jià)格適中	現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量
美國(guó) Xautaur公司	XPDM	阻容法	-100～+20℃	±3℃	價(jià)格較高	現(xiàn)場(chǎng)或?qū)嶒?yàn)室
	CDT					在線測(cè)量