英國肖氏露點(diǎn)儀公司關(guān)于露點(diǎn)濕度微量水分析儀各種原理和優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)

儀器測量原理

濕度測量儀器從原理上可分為冷鏡式、*吸收電解式、Al2O3電容式、薄膜電容式、電阻式、干濕球、機(jī)械式。其中*吸收電解式微水儀、Al2O3電容式露點(diǎn)儀一般用于低濕范圍的測量，而電阻式、干濕球、機(jī)械式濕度計(jì)只能用于相對濕度的測量，冷鏡式、薄膜電容式濕度計(jì)則不僅能用于低濕的測量，還能用于中高濕，即相對濕度的測量。上述各種原理的儀器各有其優(yōu)缺點(diǎn)。其中冷鏡式露點(diǎn)儀是*準(zhǔn)確、*可靠、*基本的測量方法，被廣泛地用于標(biāo)準(zhǔn)傳遞，但其缺點(diǎn)是價(jià)格比較昂貴，并需要有經(jīng)驗(yàn)的人操作及保養(yǎng)。

1.1冷鏡式露點(diǎn)儀
1.1.1測量原理英國肖氏露點(diǎn)儀公司關(guān)于露點(diǎn)濕度微量水分析儀各種原理和優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)
被測濕氣進(jìn)入露點(diǎn)測量室時(shí)掠過冷鏡面，當(dāng)鏡面溫度高于濕氣的露點(diǎn)溫度時(shí)，鏡面呈干燥狀態(tài)，此時(shí)光電檢露裝置中光源發(fā)出的光照在鏡面上，幾乎*反射，由光電傳感器感應(yīng)到并輸出光電信號，經(jīng)控制回路比較、放大、驅(qū)動(dòng)熱電泵，對鏡面致冷。當(dāng)鏡面溫度降至濕氣露點(diǎn)溫度時(shí)，鏡面上開始結(jié)露(霜)，光照在鏡面上出現(xiàn)漫反射，光電傳感器感應(yīng)到的反射信號隨之減弱，此變化經(jīng)控制回路比較、放大后調(diào)節(jié)熱電泵激勵(lì)，使其制冷功率適當(dāng)減小，*后，鏡面溫度保持在樣氣露點(diǎn)溫度上。鏡面溫度由一緊貼在冷鏡面下方的鉑電阻溫度傳感器感應(yīng)，并顯示在顯示窗上。

1.1.2結(jié)構(gòu)
1.1.2.1鏡面
鏡面應(yīng)憎水，具有良好的導(dǎo)熱性，還要耐磨、耐腐蝕，光學(xué)性能好。在過去曾使用金做鏡面，目前則主要使用銠做鏡面。
1.1.2.2鏡面致冷
在過去曾使用過乙mi蒸發(fā)、機(jī)械致冷、液化氣體或干冰致冷、壓縮空氣致冷，目前*常用的則是熱電致冷或熱電與機(jī)械致冷相結(jié)合(露點(diǎn)低于-60℃)。在本文中著重介紹熱電致冷。

1.1.2.3測溫裝置
目前絕大部分采用四線制鉑電阻測溫。鉑電阻感溫元件在相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)阻值和溫度近于線性關(guān)系，精度高，穩(wěn)定性好，輸出信號較強(qiáng)，便于數(shù)字顯示。1.1.2.4檢測系統(tǒng)
光電檢測技術(shù)已有幾十年的歷史，比較成熟，但其缺點(diǎn)是不能區(qū)分過冷水和霜。
1.1.3使用注意事項(xiàng)
       1.1.3.1過冷水與霜
在0~-20℃這一范圍內(nèi)，鏡面上極易形成過冷水，由于冰面和水面上的飽和水汽壓不同，因此假如在鏡面上形成過冷水，測得的數(shù)值要低于霜點(diǎn)，溫度不同，差別也不同。例如霜點(diǎn)為-10℃時(shí)，對應(yīng)的過冷水的溫度為-11.23℃。因此在這一溫度段要非常小心。若儀器配有內(nèi)窺鏡，可通過內(nèi)窺鏡進(jìn)行觀察區(qū)分。目前大部分儀器都有test的功能，即測試其*低致冷能力，此時(shí)可先使用test功能，使鏡面溫度低于-20℃，確保鏡面上形成霜，然后再進(jìn)行正式測量。
1.1.3.2開爾文效應(yīng)
曲面上的飽和水汽壓與平面上的情況是不同的。當(dāng)露在金屬表面上形成時(shí)，由于表面張力的作用，使平衡水汽壓，即彎曲水面的飽和水汽壓升高，這種影響稱為開爾文效應(yīng)。由于開爾文效應(yīng)使得到的露點(diǎn)溫度低于真正的被測氣體的露點(diǎn)溫度。
1.1.3.2拉烏爾效應(yīng)
1.1.3.3鏡面污染
一是拉烏爾效應(yīng)，二是改變鏡面本底散射水平。拉烏爾效應(yīng)主要是由水溶性物質(zhì)造成的。如果被測氣體中這種物質(zhì)(一般是可溶性鹽類)，則鏡面提前結(jié)露，使測量結(jié)果產(chǎn)生正偏差。若污染物是不溶于水的微粒，如灰塵等，則會(huì)增加本底的散射水平，從而使光電露點(diǎn)儀發(fā)生零點(diǎn)漂移。
1.1.4應(yīng)用范圍
露點(diǎn)儀的測量范圍較廣，目前英國MICHELL及瑞士MBW公司開發(fā)的一系列露點(diǎn)儀的測量范圍已達(dá)到-95℃~70℃，可以滿足絕大多數(shù)的測量要求。
1.1.5優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：屬基本測量，測量準(zhǔn)確，并且儀器比較穩(wěn)定無漂移，目前準(zhǔn)確度*高的儀器可達(dá)±0.1℃。
缺點(diǎn)：價(jià)格較高，對操作人員的要求較高，并需進(jìn)行維護(hù)。對污染物敏感。在-20℃~0℃范圍內(nèi)有時(shí)會(huì)有過冷水存在，因此要特別小心區(qū)分過冷水和霜。
1.2*吸收電解法微量水份儀
1.2.1測量原理
用連續(xù)取樣的方法，使氣樣流經(jīng)一個(gè)特殊結(jié)構(gòu)的電解池，其水分被作為吸濕劑的五氧化二磷層吸收，并被電解為氫氣和氧氣排出，而五氧化二磷得以再生。反應(yīng)過程可表示為：
P2O5+H2O=2HPO3
2HPO3=H2+1/2O2+P2O5
合并(1)、(2)得
2H2O=2H2+O2
當(dāng)吸收和電解達(dá)成平衡后，進(jìn)入電解池的水分全部被五氧化二磷膜層吸收，并全部被電解。
由于鉑電極的催化作用，水的電解反應(yīng)系一可逆過程，所以當(dāng)被測氣樣為氫氣、氧氣或含有足量的氫氧時(shí)，平衡向左移動(dòng)，已經(jīng)電解生成的氫和氧中有一部分復(fù)合生成水，繼而又進(jìn)行二次電解，使總的電解電流值偏高，此即“氫效應(yīng)”和“氧效應(yīng)”，或統(tǒng)稱“復(fù)合效應(yīng)”。實(shí)驗(yàn)表明，使用該儀器測定這一類氣樣的含水量時(shí)，讀數(shù)將偏高幾個(gè)至十幾個(gè)ppmv，但此偏差集中反應(yīng)在本底值上，故可以扣除。
1.2.2結(jié)構(gòu)
儀器由氣路系統(tǒng)和電路兩部分組成，氣路系統(tǒng)主要包括電解池和氣路控制部分。英國肖氏露點(diǎn)儀公司關(guān)于露點(diǎn)濕度微量水分析儀各種原理和優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)
1.2.2.1電解池
在玻璃管內(nèi)部，兩根鉑電極繞成雙螺旋形，極間均勻地涂敷五氧化二磷膜作為吸濕劑。在規(guī)定的測量條件下，這種內(nèi)繞式結(jié)構(gòu)可以保證對進(jìn)入池內(nèi)的水分全部吸收和電解。玻璃池壁利于五氧化二磷涂層均勻。由于鉑具有使生成的氫和氧，尤其是富氫的氣體再次發(fā)生反應(yīng)生成水的作用，因此有些公司采用銠來代替鉑。
對于干燥的五氧化二磷涂層，當(dāng)通入“優(yōu)良干燥”的氣樣，并在電極上施加一適當(dāng)?shù)闹绷麟妷簳r(shí)，電路中將產(chǎn)生一個(gè)不大的電流-本底值。本底值的大小僅與電解池結(jié)構(gòu)、涂層狀況、溫度及氣樣種類等因素有關(guān)，而與氣樣含水量無關(guān)。由于本底值總是又能加在氣樣所含水分的電解電流上，故測定時(shí)應(yīng)從儀器讀數(shù)中扣除本底值后方為介質(zhì)的真實(shí)含水量。

1.2.4應(yīng)用范圍
測量范圍一般為從幾個(gè)μL/L(ppmv)到2000μL/L(ppmv)，準(zhǔn)確度一般為讀數(shù)的5%或滿量程的1%?？梢杂糜诙喾N惰性氣體，某些不與P2O5反應(yīng)的有機(jī)及無機(jī)氣體。例如空氣、氮?dú)?、氫氣、氧氣、氬氣、氦氣、氖氣、一氧化碳、二氧化碳、六氟化硫、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、天然氣以及某些氟里昂氣體等。不能用于某些腐蝕性氣體以及能與P2O5發(fā)生反應(yīng)的氣體，例如乙醇、某些酸性氣體、不飽和烴類氣體。
1.2.5優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：屬優(yōu)良測量法，穩(wěn)定，不漂移。
缺點(diǎn)：電解池壽命有限，需要再生。高濕或低濕(<1ppmv)均會(huì)縮短其壽命。低濕時(shí)響應(yīng)慢。對氣體流量要求較高。不能用于某些腐蝕性氣體以及能與P2O5發(fā)生反應(yīng)的氣體。有本底。
1.3氧化鋁電容式濕度計(jì)
1.3.1測量原理、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用范圍
該儀器形式繁多，例如便攜式電池操作的、帶微處理器可進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的、顯示多參數(shù)的等等。但其本質(zhì)是一個(gè)電容器，通過將一薄層孔狀的氧化鋁沉積在導(dǎo)電的基體上，然后再在氧化鋁薄層上涂敷一層薄金。導(dǎo)電基體和金薄層就形成電容器的電極。水蒸氣穿過金薄層被孔狀的氧化鋁吸收，這個(gè)電容器的阻抗與水分子個(gè)數(shù)，即水汽分壓成一定的比例。通過測量該電容器的阻抗或電容可獲得水汽分壓，通過換算可得到露點(diǎn)值。結(jié)構(gòu)見圖2-7。
位于鋁和金電極之間的氧化鋁薄層在10-3Pa(約相當(dāng)于-110℃露點(diǎn))到水的飽和汽壓的整個(gè)范圍內(nèi)都有響應(yīng)。由于其對水的強(qiáng)烈的親和力，再加上水的較大的介電常數(shù)，使得這類儀器對水有高度的選擇性，而對其它普通氣體及有機(jī)氣和液體沒有響應(yīng)。
在中高濕范圍其準(zhǔn)確度一般為±1~±2℃，低濕范圍，比如-100℃時(shí)，準(zhǔn)確度一般為±2~±3℃。該類傳感器不與烴類氣體、CO、CO2、含氯氟烴氣體發(fā)生反應(yīng)，但對于不同的氣體其漂移不同。對于某些腐蝕性氣體，例如氨、SO3以及氯，則會(huì)損壞傳感器，因此應(yīng)盡量避免。
1.3.2使用注意事項(xiàng)
這類儀器通常的測量范圍為-100℃~+20℃。當(dāng)被測露點(diǎn)較高時(shí)，會(huì)使得儀器產(chǎn)生較大的漂移。同時(shí)還需注意溫度系數(shù)。由于其對水汽分壓產(chǎn)生響應(yīng)，因此應(yīng)注意測量時(shí)氣體總壓的變化。
避免灰塵、油污，測量時(shí)氣體流量較大，一般為3~5(L/min)，甚至更大。
1.4薄膜電容式濕度計(jì)
1.4.1測量原理、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用范圍
是使用沉積在兩個(gè)導(dǎo)電電極上的聚胺鹽或醋酸纖維聚合物薄膜。當(dāng)薄膜吸水或失水后，會(huì)改變兩個(gè)電極間的介電常數(shù)。目前還有一種技術(shù)是使用耐高溫的熱固性聚合物，可使得這類傳感器在高于100℃的情況下進(jìn)行連續(xù)測量。
1.基體，一般為玻璃，主要作用是支撐傳感器的其它部分。
2.電極中的一個(gè)，由導(dǎo)電材料做成。
3.薄膜層。是傳感器的心臟，薄膜吸水的數(shù)量與周圍環(huán)境的相對濕度有關(guān)。這層膜的厚度一般為1~10(µm)。
4.上部電極，對于傳感器的性能同樣起著重要作用。為了得到快速響應(yīng)，必須有較高的水的滲透性。同時(shí)也是導(dǎo)電性材料。
5.上部電極的接觸墊。由于對上部電極的設(shè)計(jì)有較多的限制條件，因此為了接觸良好，需加上一塊單獨(dú)的金屬。
其測量范圍較廣，從-50℃~100℃露點(diǎn)。可用于較廣的溫度范圍內(nèi)，有時(shí)不需要溫度補(bǔ)償。耐高溫的熱固性樹脂允許這類電容式濕度傳感器可以在溫度185℃下進(jìn)行連續(xù)測量，*高使用溫度取決于傳感器的包裝材料。對于熱固性樹脂的傳感器來說，其另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在-50℃~100℃溫度范圍內(nèi)，溫度系數(shù)較小，因此可以很容易地在很寬的范圍內(nèi)達(dá)到準(zhǔn)確測量。

1.4.2優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)快，溫度及濕度測量范圍寬，線性好，幾乎沒有滯后，穩(wěn)定性及重復(fù)性較好，溫度系數(shù)低，成本低。
缺點(diǎn)：基本無。
1.5電阻式濕度計(jì)
1.5.1測量原理及結(jié)構(gòu)
其敏感材料是以季銨鹽的聚合物溶液作基體，將這種功能基與樹脂聚合物進(jìn)行反應(yīng)，可以產(chǎn)生具有立體三維的熱固性樹脂，具有較好的穩(wěn)定性。相對濕度的變化可以導(dǎo)致陰極與陽極之間的電阻發(fā)生變化。英國肖氏露點(diǎn)儀公司關(guān)于露點(diǎn)濕度微量水分析儀各種原理和優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)
1.5.2優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：基本上沒有滯后和老化，溫度系數(shù)較低，便宜，能耗小。溫度范圍-10℃~80℃，重復(fù)性優(yōu)于0.5%RH，準(zhǔn)確度較高，一般為±2%RH，在很窄的范圍內(nèi)可達(dá)±1%RH。

1.6機(jī)械式濕度計(jì)
1.6.1測量原理及結(jié)構(gòu)
毛發(fā)、腸膜、尼龍和聚酰亞胺等有機(jī)高分子材料的長度都會(huì)隨著相對濕度的變化而發(fā)生變化。機(jī)械式濕度計(jì)就是利用這一特性，將上述材料制成線狀、帶狀感濕元件或涂覆在彈性材料上卷成游絲狀感濕元件，然后通過機(jī)械放大裝置將由濕度改變引起的幾何量變化用指針指示出來或用記錄筆記錄下來，從而直接指示相對濕度。適用于實(shí)驗(yàn)室、機(jī)房、倉庫、廠房等室內(nèi)環(huán)境溫濕度的測量。
1.6.2優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：便宜，對大多數(shù)污染物不敏感，不需要電源，可以做長久記錄。缺點(diǎn)：漂移，如果在某一濕度下使用較長的時(shí)間會(huì)喪失其靈敏度，不能用于0℃以下，響應(yīng)慢，運(yùn)輸或振動(dòng)搖擺會(huì)破壞其性能。
1.7干濕球濕度計(jì)
1.7.2優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)相對濕度接近100%RH時(shí)，可以得到較高的準(zhǔn)確度。盡管若濕球溫度計(jì)被污染或使用不當(dāng)時(shí)會(huì)帶來誤差，但由于該裝置比較簡單，使得維修費(fèi)用非常低?？梢杂糜谑覝馗哂?00℃的場合，是基本測量，穩(wěn)定性好，簡單，便宜，成本低。

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