露点仪的湿度测量

　　露点仪是能直接测出露点温度的仪器。使一个镜面处在样品湿空气中降温，直到镜面上隐现露滴（或冰晶）的瞬间，测出镜面平均温度，即为露（霜）点温度。它测湿精度高，但需光洁度很高的镜面，精度很高的温控系统，以及灵敏度很高的露滴（冰晶）的光学探测系统。使用时必须使吸入样本空气的管道保持清洁，否则管道内的杂质将吸收或放出水分造成测量误差。
　　
　　简介
　　
　　在冬天，我们会看到一种常见现象，由于室外温度较低，室内较湿热的空气会在窗玻璃上结露，使窗玻璃模糊一片。假如我们再仔细观测并研究下去，如果在室内开启除湿器，把室内的湿气逐步去除，那么尽管室外还是同样的温度，而我们会发现窗玻璃上的露水会慢慢消去，窗玻璃重又露出透明光洁的本质。假如这时室外温度下降了，那么温度降到一定程度时，尽管除湿器已使室内空气十分干燥，但在窗玻璃上仍会出现模糊的露层。这一现象说明，玻璃上的结露温度与玻璃所在的环境气氛的含水量有关，进一步研究发现，这关系是一一对应关系，即每一个结露温度（我们称之为露点温度）对应环境气氛的一个含水量值。露点可以简单地理解为使气体中水蒸汽含量达到饱和状态的温度，是表示气体湿度的方式之一；由此可见，露点温度是度量气体水份含量的一种单位制。露点分析仪就是基于这种单位制而测量气体中水份含量的仪器。
　　
　　综上所述，露点仪测量的对象离不开气体，而相应的气体不外乎三个用途：动力气体、介质气体和环境气体
　　
　　动力气体作为一种动力源，供给气动仪表和气动设备，广泛应用于工业领域和有特殊防爆要求的工业现场。
　　
　　介质气体作为一种工艺介质，或参与工艺反应，或作为保护性气体，或作为标准气体，广泛地应用于现代工业中相应的生产过程中
　　
　　环境气体作为一种工艺环境，广泛地应用民用工业和军事工业的相关工艺环境中。
　　
　　露点仪为了要得到高质量的产品或设备正常地运行，许多行业诸如石化、电力、电子、航空航天、冶金、纺织等对湿度测量的要求越来越高，因而，湿度测量已逐渐成为一个新兴的技术领域，在86年我国正式成立了湿度与水分专业委员会，并开展了多次学术交流会，湿度的一些计量检定规程也逐步建立。根据有关规程，湿度被定义为气体中的水蒸气含量，常用单位有：克/升，PPM，mmHg，露点及相对湿度等。习惯上以露点-20℃为界把所测气体分为高湿度气体与低湿度气体（即微量水），这里重点介绍低湿度气体的测量。
　　
　　湿度测量
　　
　　镜面式
　　
　　不同水份含量的气体在不同温度下的镜面上会结露。采用光电检测技术，检测出露层并测量结露时的温度，冷镜式露点仪直接显示露点。镜面制冷的方法有：半导体制冷、液氮制冷和高压空气制冷。镜面式露点仪采用的是直接测量方法，在保证检露准确、镜面制冷率和精密测量结露温度前提下，该种露点仪可作为标准露点仪使用。目前上zui高精度达到±0.1℃(露点温度)，一般精度可达到±0.5℃以内电传感器式露点仪
　　
　　采用亲水性材料或憎水性材料作为介质，构成电容或电阻，在含水份的气体流经后，介电常数或电导率发生相应变化，测出当时的电容值或电阻值，就能知道当时的气体水份含量。建立在露点单位制上设计的该类传感器，构成了电传感器式露点分析仪。目前上zui高精度达到±1.0℃(露点温度)，一般精度可达到±3℃以内。
　　
　　电解法露点仪
　　
　　利用五氧化二磷等材料吸湿后分解成极性分子，从而在电极上积累电荷的特性，设计出建立在含湿量单位制上的电解法微水份仪。
　　
　　晶体振荡式露点仪
　　
　　利用晶体沾湿后振荡频率改变的特性，可以设计晶体振荡式露点仪。这是一项较新的技术，尚处于不十分成熟的阶段。国外有相关产品，但精度较差且成本很高。
　　
　　红外露点仪
　　
　　利用气体中的水份对红外光谱吸收的特性，可以设计红外式露点仪。该仪器很难测到低露点，主要是红外探测器的峰值探测率还不能达到微量水吸收的量级，还有气体中其他成份含量对红外光谱吸收的干扰。但这是一项很新的技术，对于环境气体水份含量的非接触式在线监测具有重要的意义。
　　
　　半导体传感器
　　
　　每个水分子都具有其自然振动频率，当它进入半导体晶格的空隙时，就和受到充电激励的晶格产生共振，其共振频率与水的摩尔数成正比。水分子的共振能使半导体结放出自由电子，从而使晶格的导电率增大，阻抗减小。利用这一特性设计的半导体露点仪可测到-100℃露点的微量水份。
　　
　　重量法
　　
　　是一种经典的测量方法。让所测样气流经某一干燥剂，其所含水分被干燥剂吸收，称取干燥剂吸收的水分含量，与样气体积之比即为样气的湿度。该方法的优点是精度高，zui大允许误差可达0.1%；缺点是具体操作比较困难，尤其是必须得到足够量的吸收水质量（一般不小于0.6克），这对于低湿度气体尤其困难，必须加大样气流量，结果会导致测量时间和误差增大（测得的湿度不是瞬时值）。因而该方法只适合于测量露点-32℃以上的气体，可以说市场上纯粹利用该方法测湿度的仪器较少。
　　
　　由以上分析可知，重量法的关键是怎样测量干燥剂吸收的水分含量，因为直接测量比较困难，由此衍生了两种间接测量吸收水含量的方法。
　　
　　电解法
　　
　　就是将干燥剂吸收的水分经电解池电解成氢气和氧气排出，电解电流的大小与水分含量成正比，通过检测该电流即可测得样气的湿度。该方法弥补了重量法的缺点，测量量程可达-80℃以下，且精度较好，价格便宜；缺点是电解池气路需要在使用前干燥很长时间，且对气体的腐蚀性及清洁性要求较高。采用该方法的仪器较多，典型的是美国Edgetech公司的1-C型微水仪和杜邦公司的M303及国产的USI系列产品。
　　
　　振动频率法
　　
　　就是将重量法中的干燥剂换用一种吸湿性的石英晶体，根据该晶体吸收水分质量不同时振动频率不同的特点，让样气和标准干燥气流经该晶体，因而产生不同的振动频率差△f1和△f2，计算两频率之差即可得到样气的湿度。该方法具有电解法一样的优点，且使用前勿须干燥。典型代表仪器是英国Michell的QMA系列、美国AMETEK公司的560B。
　　
　　冷镜法
　　
　　也是一种经典的测量方法。让样气流经露点冷镜室的冷凝镜，通过等压制冷，使得样气达到饱和结露状态（冷凝镜上有液滴析出），测量冷凝镜此时的温度即是样气的露点。该方法的主要优点是精度高，尤其在采用半导体制冷和光电检测技术后，不确定度甚至可达0.1℃；缺点是响应速度较慢，尤其在露点-60℃以下，平衡时间甚至达几个小时，而且此方法对样气的清洁性和腐蚀性要求也较高，否则会影响光电检测效果或产生‘伪结露’造成测量误差。该方法的典型厂家代表是及英国Michell公司,美国GeneralEastern公司及瑞士MBW公司等。
　　
　　阻容法
　　
　　是一种不断完善的湿度测量方法。利用一个高纯铝棒，表面氧化成一层超薄的氧化铝薄膜，其外镀一层多空的网状金膜，金膜与铝棒之间形成电容，由于氧化铝薄膜的吸水特性，导致电容值随样气水分的多少而改变，测量该电容值即可得到样气的湿度。该方法的主要优点是测量量程可更低，甚至达-100℃，另一突出优点是响应速度非常快，从干到湿响应一分钟可达90%，因而多用于现场和快速测量场合；缺点是精度较差，不确定度多为±2～3℃。老化和漂移严重，使用3~6个月必须校准。该方法的典型厂家代表为英国Alpha湿度仪器公司，爱尔兰的PANAMETRICS公司及美国的XENTAUR公司。但随着各厂家的不断努力，该方法正在逐渐得到完善，例如，通过改变材料和提高工艺使得传感器稳定度大大提高，通过对传感器响应曲线的补偿作到了饱和线性，解决了自动校准问题。代表产品为英国Michell的Easidew系列，采用陶瓷基底的氧化铝电容及C2TX微处理器。
　　
　　选择仪器
　　
　　露点仪（湿度仪器）测量的方法可谓五花八门，其性能与价格也相差悬殊，这就要求我们选用仪器时要谨慎小心，不但要考虑到性能和价格，还应该考虑到仪器使用的场合和所测气体的种类及腐蚀性等。总体原则如下：
　　
　　1）*湿度基准：考虑到要求测量准确度高，样气理想，一般应选用冷镜式露点仪，国产的如武汉瑞恒工控的RHD-200,进口的如美国Edgetech公司1500，美国GE公司的M3，英国Michell的S4000TRS，或瑞士MBW公司DP30等露点仪，用户应根据实际量程和精度选用合适的产品。
　　
　　2）企业基准或实验室分析：如果测量准确度要求较高，可选用冷镜法仪器，如，美国Edgetech公司的RH-CAL和1500（性价比很高）；英国Michell公司的S4000系列产品或瑞士MBW公司的DP19；如果量程要求较低（露点-80℃以下）且气体较清洁，可选用电解法仪器，如美国Edgetech公司的1-C，杜邦公司的M303。
　　
　　3）现场检测：如果测量准确度要求较高，可选用冷镜法仪器（同上）；如果要求测量速度快或气体污染较重，选用阻容法仪器，如美国菲美特公司的DPT500/600便携式露点仪；英国Michell的MDM300便携表、英国Systech、英国Alpha湿度仪器公司的SADPmini手持式露点仪或美国XENTAUR公司的XPDM等。
　　
　　4）连续在线监测：如果精度要求不太高，可选用阻容法仪器，如美国菲美特公司的DPT810系列；英国Michell的Easidew系列、英国Systech、英国Alpha湿度仪器公司的DS-1000在线露点仪或新型的DS-2000在线露点仪，以及美国XENTAUR公司的XDT型，它们共同具有价格低且安装调试方便的特点；如果精度要求较高，可选用美国AMETEK公司的560B或冷镜式仪表。如果需要精度高且贴近中国市场价格需求的有原中科院上海冶金所的LJ系列露点仪，系我国*掌握核心部件氧化铝阻容探头技术的机构。
　　
　　5）天然气防爆测量：在石化和天然气行业，我们都要求防爆处理，所以需要有特定本安防爆的露点仪，比如美国菲美特公司的DPT900及DPT910（天然气在线分析系统）；GE的PM8800系列露点仪、Michell的DM系列等等，他们都是针对石化天然气的解决方案。
　　
　　6）气体空分行业露点测量：我们知道空分行业，一般要求水分含量很低，露点在-70℃以下（1ppm级别），原理上来说冷镜式露点仪、电解法露点仪、薄膜露点仪都没法对低于-80℃的气体进行测量，所以还是选择电容法原理的露点仪比较合适，目前做的比较好的如美国菲美特的DPT500/600系列露点仪（纳米技术）、Michell的DM系列露点仪，其他如SHAW和国产品牌的在低湿度环境下面就不太适用了。
　　
　　微水仪
　　
　　英国SYSTECH公司SYSTECH-ILLINOISINSTRUMENTS
　　
　　MM400阻容法-80～0℃±3℃价格适中现场测量
　　
　　MM300电解法-100~20℃价格适中在线测试
　　
　　英国MICHELL公司
　　
　　Easidew陶瓷基底阻容法-100～+20℃±2℃价格适低方便快速实验室或现场苯胺防爆
　　
　　EPR-IS同上价格适中方便快速实验室或现场本安防爆
　　
　　MDM300同上价格适中方便快速实验室或现场
　　
　　OptidewVision冷镜法-24～+90℃价格适中相对湿度标准标准计量
　　
　　S4000TRS冷镜法-100～+20℃价格高低露点标准标准计量
　　
　　QMA2030晶体振荡技术0.5～1000ppm（V）显示，价格适中，实验室分析等
　　
　　美国MEECO公司
　　
　　AQUAVOLT露点仪
　　
　　Waterboy2便携式湿度分析仪
　　
　　日本神荣镜面冷却式DewStar系列露点仪-35～+50℃±0.2℃价格较高标准计量
　　
　　MBW公司DP19露点仪
　　
　　美国GE公司
　　
　　M3，M4冷镜法-80～+80℃±0.15℃价格高标准计量
　　
　　美国Edgetech公司
　　
　　M300冷镜法-75～+75℃0.15℃价格高标准计量
　　
　　2000系列-50～+80℃价格高实验室或现场
　　
　　V-系列-50～+80℃价格较高在线测量
　　
　　1-C电解法0～500ppm±5%价格较高实验室或现场
　　
　　瑞士MBW公司
　　
　　DP19冷镜法-60～+20℃±0.2℃价格昂贵实验室或现场
　　
　　DP30-100～+20℃±0.1℃价格昂贵标准计量
　　
　　美国杜邦公司
　　
　　M303电解法0～1000ppm±5%价格较高实验室或现场
　　
　　美国AMTEK公司
　　
　　560B振动频率法0～1000ppm±5%价格较高在线测量
　　
　　爱尔兰PANAMETRICS
　　
　　美国Xautaur公司
　　
　　XPDM阻容法-100～+20℃±3℃价格较高现场或实验室CDT在线测量
　　
　　测量注意
　　
　　镜面污染对露点测量的影响
　　
　　在露点测量中，镜面污染是一个突出的问题，其影响主要表现在两个方面；一是拉乌尔效应，二是改变镜面本底放射水平。拉乌尔效应是由水溶性物质造成的。如果被测气体中携带这种物质(一般是可溶性盐类)则镜面提前结露，使测量结果产生正偏差。若污染物是不溶于水的微粒，如灰尘等，则会增加本底的散射水平，从而使光电露点仪发生零点漂移。此外，一些沸点比水低的容易冷凝的物质(例如有机物)的蒸气，不言而喻将对露点的测量产生干扰。因此，无论任何一种类型的露点仪都应防止污染镜面。一般说来，工业流程气体分析污染的影响是比较严重的。但即使是在纯气的测量中镜面的污染亦会随时间增加而积累。
　　
　　测量条件的选择
　　
　　在露点仪的设计中要着重考虑直接影响结露过程热质交换的各种因素，这个原则同样适用于自动化程度不太高的露点仪器操作条件的选择。这里主要讨论镜面降温速度和样气流速问题。
　　
　　1.被测气体的温度通常都是室温。因此当气流通过露点室时必然要影响体系的传热和传质过程。当其它条件固定时，加大流速将有利于气流和镜面之间的传质。特别是在进行低霜点测量时，流速应适当提高，以加快露层形成速度，但是流速不能太大，否则会造成过热问题。这对制冷功率比较小的热电制冷露点仪尤为明显。流速太大还会导致露点室压力降低而流速的改变又将影响体系的热平衡。所以在露点测量中选择适当的流速是必要的，流速的选择应视制冷方法和露点室的结构而定。一般的流速范围在0.4~0.7L﹒min-1之间。为了减小传热的影响，可考虑在被测气体进入露点室之前进行预冷处理。
　　
　　2.在露点测量中镜面降温速度的控制是一个重要问题，对于自动光电露点仪是由设计决定的，而对于手控制冷量的露点仪则是操作中的问题。因为冷源的冷却点、测温点和镜面间的热传导有一个过程并存在一定的温度梯度。所以热惯性将影响结露(霜)的过程和速度，给测量结果带来误差。这种情况又随使用的测温元件不同而异，例如由于结构关系，铂电阻感温元件的测量点与镜面之间的温度梯度比较大，热传导速度也比较慢，从而使测温和结露不能同步进行。而且导致露层的厚度无法控制。这对目视检露来说将产生负误差。
　　
　　3.另一个问题是降温速度太快可能造成“过冷”。我们知道，在一定条件下，水汽达到饱和状态时，液相仍然不出现，或者水在零度以下时仍不结冰，这种现象称为过饱和或“过冷”。对于结露(或霜)过程来说，这种现象往往是由于被测气体和镜面非常干净，乃至缺少足够数量的凝结核心而引起的。Suomi在实验中发现，如果一个高度抛光的镜面并且其干净程度合乎化学要求，则露的形成温度要比真实的露点温度低几度。过冷现象是短暂的，共时间长短和露点或霜点温度有关。这种现象可以通过显微镜观察出来。解决的办法之一是重复加热和冷却镜面的操作，直到这种现象消除为止。另一个解决办法是直接利用过冷水的水汽压数据。并且这样作恰恰与气象系统低于零度时的相对湿度定义相吻合。