英國(guó)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(cè)量原理

濕度測(cè)量?jī)x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(cè)量，而電阻式、干濕球、機(jī)械式濕度計(jì)只能用于相對(duì)濕度的測(cè)量，冷鏡式、薄膜電容式濕度計(jì)則不僅能用于低濕的測(cè)量，還能用于中高濕，即相對(duì)濕度的測(cè)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(cè)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(cè)量原理英國(guó)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(cè)濕氣進(jìn)入露點(diǎn)測(cè)量室時(shí)掠過(guò)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(hào)，經(jīng)控制回路比較、放大、驅(qū)動(dòng)熱電泵，對(duì)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(kāi)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(hào)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(guò)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(guò)去曾使用過(guò)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(cè)溫裝置
目前絕大部分采用四線(xiàn)制鉑電阻測(cè)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(xiàn)性關(guān)系，精度高，穩(wěn)定性好，輸出信號(hào)較強(qiáng)，便于數(shù)字顯示。1.1.2.4檢測(cè)系統(tǒng)
光電檢測(cè)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(guò)冷水和霜。
1.1.3使用注意事項(xiàng)
       1.1.3.1過(guò)冷水與霜
在0~-20℃這一范圍內(nèi)，鏡面上極易形成過(guò)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(guò)冷水，測(cè)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(duì)應(yīng)的過(guò)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(guò)內(nèi)窺鏡進(jìn)行觀(guān)察區(qū)分。目前大部分儀器都有test的功能，即測(cè)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(cè)量。
1.1.3.2開(kāi)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(chēng)為開(kāi)爾文效應(yīng)。由于開(kāi)爾文效應(yīng)使得到的露點(diǎn)溫度低于真正的被測(cè)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(cè)氣體中這種物質(zhì)(一般是可溶性鹽類(lèi))，則鏡面提前結(jié)露，使測(cè)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(cè)量范圍較廣，目前英國(guó)MICHELL及瑞士MBW公司開(kāi)發(fā)的一系列露點(diǎn)儀的測(cè)量范圍已達(dá)到-95℃~70℃，可以滿(mǎn)足絕大多數(shù)的測(cè)量要求。
1.1.5優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：屬基本測(cè)量，測(cè)量準(zhǔn)確，并且儀器比較穩(wěn)定無(wú)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(duì)操作人員的要求較高，并需進(jìn)行維護(hù)。對(duì)污染物敏感。在-20℃~0℃范圍內(nèi)有時(shí)會(huì)有過(guò)冷水存在，因此要特別小心區(qū)分過(guò)冷水和霜。
1.2*吸收電解法微量水份儀
1.2.1測(cè)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(guò)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(guò)程，所以當(dāng)被測(cè)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(chēng)“復(fù)合效應(yīng)”。實(shí)驗(yàn)表明，使用該儀器測(cè)定這一類(lèi)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(guó)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(cè)量條件下，這種內(nèi)繞式結(jié)構(gòu)可以保證對(duì)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(lái)代替鉑。
對(duì)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(lèi)等因素有關(guān)，而與氣樣含水量無(wú)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(cè)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(cè)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(mǎn)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(wú)機(jī)氣體。例如空氣、氮?dú)狻錃?、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(lèi)氣體。
1.2.5優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：屬優(yōu)良測(cè)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(duì)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(cè)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(guò)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(guò)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(guò)測(cè)量該電容器的阻抗或電容可獲得水汽分壓，通過(guò)換算可得到露點(diǎn)值。結(jié)構(gòu)見(jiàn)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(duì)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(lèi)儀器對(duì)水有高度的選擇性，而對(duì)其它普通氣體及有機(jī)氣和液體沒(méi)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(lèi)傳感器不與烴類(lèi)氣體、CO、CO2、含氯氟烴氣體發(fā)生反應(yīng)，但對(duì)于不同的氣體其漂移不同。對(duì)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(lèi)儀器通常的測(cè)量范圍為-100℃~+20℃。當(dāng)被測(cè)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(duì)水汽分壓產(chǎn)生響應(yīng)，因此應(yīng)注意測(cè)量時(shí)氣體總壓的變化。
避免灰塵、油污，測(cè)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(cè)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(lèi)傳感器在高于100℃的情況下進(jìn)行連續(xù)測(cè)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?chē)h(huán)境的相對(duì)濕度有關(guān)。這層膜的厚度一般為1~10(µm)。
4.上部電極，對(duì)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(duì)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(cè)量范圍較廣，從-50℃~100℃露點(diǎn)?？捎糜谳^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(shù)脂允許這類(lèi)電容式濕度傳感器可以在溫度185℃下進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，*高使用溫度取決于傳感器的包裝材料。對(duì)于熱固性樹(shù)脂的傳感器來(lái)說(shuō)，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(cè)量。

1.4.2優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)快，溫度及濕度測(cè)量范圍寬，線(xiàn)性好，幾乎沒(méi)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(wú)。
1.5電阻式濕度計(jì)
1.5.1測(cè)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(shù)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(shù)脂，具有較好的穩(wěn)定性。相對(duì)濕度的變化可以導(dǎo)致陰極與陽(yáng)極之間的電阻發(fā)生變化。英國(guó)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(méi)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?xún)?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(cè)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(zhǎng)度都會(huì)隨著相對(duì)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(xiàn)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(guò)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(lái)或用記錄筆記錄下來(lái)，從而直接指示相對(duì)濕度。適用于實(shí)驗(yàn)室、機(jī)房、倉(cāng)庫(kù)、廠(chǎng)房等室內(nèi)環(huán)境溫濕度的測(cè)量。
1.6.2優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：便宜，對(duì)大多數(shù)污染物不敏感，不需要電源，可以做長(zhǎng)久記錄。缺點(diǎn)：漂移，如果在某一濕度下使用較長(zhǎng)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(duì)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(lái)誤差，但由于該裝置比較簡(jiǎn)單，使得維修費(fèi)用非常低。可以用于室溫高于100℃的場(chǎng)合，是基本測(cè)量，穩(wěn)定性好，簡(jiǎn)單，便宜，成本低。

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