露點儀(濕度測量儀器)的測量原理及正確選型

北京久恒隆儀表技術開發有限責任公司 空分工程部


【摘要】本文從濕度測量的幾種基本方法入手，分析了各自的優缺點和主要有代表性露點儀，重點從性能、價格、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儀(濕度測量儀器)

敘詞：露點儀，微量水，露點，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

隨著我國經濟的高速發展，為了要得到高質量的產品或設備正常地運行，許多行業諸如石化、電力、電子、航空航天、冶金、紡織等對濕度測量的要求越來越高，因而，濕度測量已逐漸成為一個新興的技術領域，在86年我國正式成立了濕度與水分專業委員會，并開展了多次學術交流會，濕度的一些計量檢定規程也逐步建立。根據有關規程，濕度被定義為氣體中的水蒸氣含量，常用單位有：克/升，PPM，mmHg，露點及相對濕度等。習慣上以露點-20℃為界把所測氣體分為高濕度氣體與低濕度氣體（即微量水），這里重點介紹低濕度氣體的測量。

二．濕度測量方法

根據國標GB11605-89《濕度測量方法》所著，濕度測量共有七種方法，這里不一一贅述。筆者重點對市場上流行的幾種微量水測量方法及露點儀選型重新歸類并簡單介紹如下：
1．重量法：
是一種經典的測量方法。讓所測樣氣流經某一干燥劑，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。該方法的優點是精度高，最大允許誤差可達0.1%；缺點是具體操作比較困難，尤其是必須得到足夠量的吸收水質量（一般不小于0.6克），這對于低濕度氣體尤其困難，必須加大樣氣流量，結果會導致測量時間和誤差增大（測得的濕度不是瞬時值）。因而該方法只適合于測量露點-32℃以上的氣體，可以說市場上純粹利用該方法測濕度的儀器較少。
由以上分析可知，重量法的關鍵是怎樣精確測量干燥劑吸收的水分含量，因為直接測量比較困難，由此衍生了兩種間接測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，通過檢測該電流即可測得樣氣的濕度。該方法彌補了重量法的缺點，測量量程可達-80℃以下，且精度較好，價格便宜；缺點是電解池氣路需要在使用前干燥很長時間，且對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Edgetech 公司的1-C型微水儀和杜邦公司的M303及國產的USI系列產品。
B.振動頻率法：就是將重量法中的干燥劑換用一種吸濕性的石英晶體，根據該晶體吸收水分質量不同時振動頻率不同的特點，讓樣氣和標準干燥氣流經該晶體，因而產生不同的振動頻率差△f1和△f2，計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點，且使用前勿須干燥。典型代表儀器是美國AMETEK公司的560B。
2．冷鏡法：
也是一種經典的測量方法。讓樣氣流經露點冷鏡室的冷凝鏡，通過等壓制冷，使得樣氣達到飽和結露狀態（冷凝鏡上有液滴析出），測量冷凝鏡此時的溫度即是樣氣的露點。該方法的主要優點是精度高，尤其在采用半導體制冷和光電檢測技術后，不確定度甚至可達0.1℃；缺點是響應速度較慢，尤其在露點-60℃以下，平衡時間甚至達幾個小時，而且此方法對樣氣的清潔性和腐蝕性要求也較高，否則會影響光電檢測效果或產生‘偽結露’造成測量誤差。該方法的典型廠家代表是美國的General Eastern公司和Edgetech公司，瑞士的MBW公司以及英國的PROTIMETER公司等。
3．阻容法：
是一種不斷完善的濕度測量方法。利用一個高純鋁棒，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，導致電容值隨樣氣水分的多少而改變，測量該電容值即可得到樣氣的濕度。該方法的主要優點是測量量程可更低，甚至達-100℃，另一突出優點是響應速度非常快，從干到濕響應一分鐘可達90%，因而多用于現場和快速測量場合；缺點是精度較差，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，通過改變材料和提高工藝使得傳感器穩定度大大提高，通過對傳感器響應曲線的補償作到了飽和線性，解決了自動校準問題。該方法的典型廠家代表為英國Alpha濕度儀器公司，愛爾蘭的PANAMETRICS公司及美國的XENTAUR公司。

三．如何選擇儀器

露點儀（濕度儀器）測量的方法可謂五花八門，其性能與價格也相差懸殊，這就要求我們選用儀器時要謹慎小心，不但要考慮到性能和價格，還應該考慮到儀器使用的場合和所測氣體的種類及腐蝕性等。總體原則如下：
1）國家級濕度基準：考慮到要求測量準確度高，樣氣理想，一般應選用冷鏡式露點儀，如美國GE公司的M3，美國Edgetech公司M300或瑞士MBW公司DP30等露點儀，用戶應根據實際量程和精度選用合適的產品。
2）企業基準或實驗室分析：如果測量準確度要求較高，可選用冷鏡法儀器，如美國Edgetech公司的2000系列，瑞士MBW公司的DP19或英國PROTIMETER公司的系列產品；如果量程要求較低（露點-60℃以下）且氣體較清潔，可選用電解法儀器，如美國Edgetech公司的1-C，杜邦公司的M303。
3）現場檢測：如果測量準確度要求較高，可選用冷鏡法儀器（同上）；如果要求測量速度快或氣體污染較重，最好選用阻容法儀器，如英國Alpha濕度儀器公司的SADPmini手持式露點儀，或美國XENTAUR公司的XPDM等。
連續在線監測：如果精度要求不太高，可選用阻容法儀器，如英國Alpha濕度儀器公司的DS-1000在線露點儀或新型的DS-2000在線露點儀，以及美國XENTAUR公司的XDT型，它們共同具有價格低且安裝調試方便的特點；如果精度要求較高，可選用美國AMETEK公司的560B或冷鏡式儀表。

四．附表：市場上部分進口微水儀資料對照表

廠 家	型 號	原 理	量 程	精 度	性價比	應用場合
英國 Alpha公司	SADPminiEx	阻容法(電容法)	-110～+20℃	±2℃	價格適中方便快速	實驗室或現場 本安防爆
	SADPu SADPu-D	同上			價格較低方便快速	實驗室或現場 本安防爆
	DSP-FCI	同上			價格適中方便快速	實驗室或現場 尤其適用電力SF6測量
	P35	阻容法(電容法)	-80～0℃ 標準可擴展	±2℃	價格適中方便快速	實驗室或現場 尤其適用電力SF6測量
	DS-1000 DS-2000	阻容法(電容法)	-80～0℃ 標準可擴展	±2℃	價格較低	在線測量
美國GE公司	M3，M4	冷鏡法	-80～+80℃	±0.15℃	價格高	標準計量
美國 Edgetech公司	M300	冷鏡法	-75～+75℃	0.15℃	價格高	標準計量
	2000系列		-50～+80℃		價格高	實驗室或現場
	V-系列		-50～+80℃		價格較高	在線測量
	1-C	電解法	0～500ppm	±5%	價格較高	實驗室或現場
瑞士MBW公司	DP19	冷鏡法	-60～+20℃	±0.2℃	價格昂貴	實驗室或現場
	DP30		-100～+20℃	±0.1℃	價格昂貴	標準計量
美國杜邦公司	M303	電解法	0～1000ppm	±5%	價格較高	實驗室或現場
美國 AMTEK公司	560B	振動 頻率法	0～1000ppm	±5%	價格較高	在線測量
愛爾蘭 PANAMETRICS	SYSTE	阻容法	-80～0℃	±3℃	價格適中	現場測量
美國 Xautaur公司	XPDM	阻容法	-100～+20℃	±3℃	價格較高	現場或實驗室
	CDT					在線測量