簡析儀器的工作原理

　　在冬天，我們會看到一種常見現(xiàn)象，由于室外溫度較低，室內(nèi)較濕熱的空氣會在窗玻璃上結(jié)露，使窗玻璃模糊一片。假如我們再仔細(xì)觀測并研究下去，如果在室內(nèi)開啟除濕器，把室內(nèi)的濕氣逐步去除，那么盡管室外還是同樣的溫度，而我們會發(fā)現(xiàn)窗玻璃上的露水會慢慢消去，窗玻璃重又露出透明光潔的本質(zhì)。假如這時(shí)室外溫度下降了，那么溫度降到一定程度時(shí)，盡管除濕器已使室內(nèi)空氣十分干燥，但在窗玻璃上仍會出現(xiàn)模糊的露層。這一現(xiàn)象說明，玻璃上的結(jié)露溫度與玻璃所在的環(huán)境氣氛的含水量有關(guān)，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，這關(guān)系是一一對應(yīng)關(guān)系，即每一個(gè)結(jié)露溫度（我們稱之為露點(diǎn)溫度）對應(yīng)環(huán)境氣氛的一個(gè)含水量值。露點(diǎn)可以簡單地理解為使氣體中水蒸汽含量達(dá)到飽和狀態(tài)的溫度，是表示氣體絕對濕度的方式之一；由此可見，露點(diǎn)溫度是度量氣體水份含量的一種單位制。露點(diǎn)分析儀就是基于這種單位制而測量氣體中絕對水份含量的儀器。

　　綜上所述，露點(diǎn)儀測量的對象離不開氣體，而相應(yīng)的氣體不外乎三個(gè)用途：動力氣體、介質(zhì)氣體和環(huán)境氣體

　　動力氣體作為一種動力源，供給氣動儀表和氣動設(shè)備，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域和有特殊防爆要求的工業(yè)現(xiàn)場。

　　介質(zhì)氣體作為一種工藝介質(zhì)，或參與工藝反應(yīng)，或作為保護(hù)性氣體，或作為標(biāo)準(zhǔn)氣體，廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)中相應(yīng)的生產(chǎn)過程中

　　環(huán)境氣體作為一種工藝環(huán)境，廣泛地應(yīng)用民用工業(yè)和軍事工業(yè)的相關(guān)工藝環(huán)境中。

　　露點(diǎn)儀為了要得到高質(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、紡織等對濕度測量的要求越來越高，因而，濕度測量已逐漸成為一個(gè)新興的技術(shù)領(lǐng)域，在86年我*正式成立了濕度與水分專業(yè)委員會，并開展了多次學(xué)術(shù)交流會，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)及相對濕度等。習(xí)慣上以露點(diǎn)-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(diǎn)介紹低濕度氣體的測量。

　　不同水份含量的氣體在不同溫度下的鏡面上會結(jié)露。采用光電檢測技術(shù)，檢測出露層并測量結(jié)露時(shí)的溫度，

　　直接顯示露點(diǎn)。鏡面制冷的方法有：半導(dǎo)體制冷、液氮制冷和高壓空氣制冷。鏡面式露點(diǎn)儀采用的是直接測量方法，在保證檢露準(zhǔn)確、鏡面制冷高效率和精密測量結(jié)露溫度前提下，該種露點(diǎn)儀可作為標(biāo)準(zhǔn)露點(diǎn)儀使用。目前*際上高精度達(dá)到±0.1℃(露點(diǎn)溫度)，一般精度可達(dá)到±0.5℃以內(nèi)電傳感器式露點(diǎn)儀

　　采用親水性材料或憎水性材料作為介質(zhì)，構(gòu)成電容或電阻，在含水份的氣體流經(jīng)后，介電常數(shù)或電導(dǎo)率發(fā)生相應(yīng)變化，測出當(dāng)時(shí)的電容值或電阻值，就能知道當(dāng)時(shí)的氣體水份含量。建立在露點(diǎn)單位制上設(shè)計(jì)的該類傳感器，構(gòu)成了電傳感器式露點(diǎn)分析儀。目前*際上高精度達(dá)到±1.0℃(露點(diǎn)溫度)，一般精度可達(dá)到±3℃以內(nèi)。

　　電解法露點(diǎn)儀

　　利用五氧化二磷等材料吸濕后分解成 性分子，從而在電 上積累電荷的特性，設(shè)計(jì)出建立在絕對含濕量單位制上的電解法微水份儀。

　　晶體振蕩式露點(diǎn)儀

　　利用晶體沾濕后振蕩頻率改變的特性，可以設(shè)計(jì)晶體振蕩式露點(diǎn)儀。這是一項(xiàng)較新的技術(shù)，尚處于不十分成熟的階段。*外有相關(guān)產(chǎn)品，但精度較差且成本很高。

　　利用氣體中的水份對紅外光譜吸收的特性，可以設(shè)計(jì)紅外式露點(diǎn)儀。該儀器很難測到低露點(diǎn)，主要是紅外探測器的峰值探測率還不能達(dá)到微量水吸收的量*，還有氣體中其他成份含量對紅外光譜吸收的干擾。但這是一項(xiàng)很新的技術(shù)，對于環(huán)境氣體水份含量的非接觸式在線監(jiān)測具有重要的意義。

　　每個(gè)水分子都具有其自然振動頻率，當(dāng)它進(jìn)入半導(dǎo)體晶格的空隙時(shí)，就和受到充電激勵的晶格產(chǎn)生共振，其共振頻率與水的摩爾數(shù)成正比。水分子的共振能使半導(dǎo)體結(jié)放出自由電子，從而使晶格的導(dǎo)電率增大，阻抗減小。利用這一特性設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體露點(diǎn)儀可測到-100℃露點(diǎn)的微量水份。

　　是一種經(jīng)典的測量方法。讓所測樣氣流經(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，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），這對于低濕度氣體尤其困難，必須加大樣氣流量，結(jié)果會導(dǎo)致測量時(shí)間和誤差增大（測得的濕度不是瞬時(shí)值）。因而該方法只適合于測量露點(diǎn)-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(guān)鍵是怎樣精確測量干燥劑吸收的水分含量，因?yàn)橹苯訙y量比較困難，由此衍生了兩種間接測量吸收水含量的方法。

　　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，通過檢測該電流即可測得樣氣的濕度。該方法彌補(bǔ)了重量法的缺點(diǎn)，測量量程可達(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時(shí)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*Edgetech 公司的1-C型微水儀和杜邦公司的M303及*產(chǎn)的USI系列產(chǎn)品。

　　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。典型代表儀器是英*Michell的QMA系列、美*AMETEK公司的560B。

　　也是一種經(jīng)典的測量方法。讓樣氣流經(jīng)露點(diǎn)冷鏡室的冷凝鏡，通過等壓制冷，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(chǎn)生‘偽結(jié)露’造成測量誤差。該方法的典型廠*代表是及英*Michell公司,美*General Eastern公司及瑞士MBW公司等。

　　是一種不斷完善的濕度測量方法。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?？欤瑥母傻綕耥憫?yīng)一分鐘可達(dá)90%，因而多用于現(xiàn)場和快速測量場合；缺點(diǎn)是精度較差，不確定度多為±2～3℃。老化和漂移嚴(yán)重，使用3~6個(gè)月必須校準(zhǔn)。該方法的典型廠*代表為英*Alpha濕度儀器公司，愛爾蘭的PANAMETRICS公司及美*的XENTAUR公司。但隨著各廠*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(wěn)定度大大提高，通過對傳感器響應(yīng)曲線的補(bǔ)償作到了飽和線性，解決了自動校準(zhǔn)問題。代表產(chǎn)品為英*Michell的Easidew系列，采用陶瓷基底的氧化鋁電容及C2TX微處理器。

　　露點(diǎn)儀（濕度儀器）測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合和所測氣體的種類及腐蝕性等。總體原則如下：

　　1） *濕度基準(zhǔn)：考慮到要求測量準(zhǔn)確度高，樣氣理想，一般應(yīng)選用冷鏡式露點(diǎn)儀，*產(chǎn)的如武漢瑞恒工控的RHD-200,進(jìn)口的如美*Edgetech公司1500，美*GE公司的M3，英*Michell的S4000TRS，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：如果測量準(zhǔn)確度要求較高，可選用冷鏡法儀器，如，美*Edgetech公司的RH-CAL和1500（性價(jià)比很高）；英*Michell公司的S4000系列產(chǎn)品或瑞士MBW公司的DP19；如果量程要求較低（露點(diǎn)-80℃以下）且氣體較清潔，可選用電解法儀器，如美*Edgetech公司的1-C，杜邦公司的M303。

　　3）現(xiàn)場檢測：如果測量準(zhǔn)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，好選用阻容法儀器，如美*菲美特公司的DPT500/600便攜式露點(diǎn)儀；英*Michell的MDM300便攜表、英*Systech、英*Alpha濕度儀器公司的SADPmini手持式露點(diǎn)儀或美*XENTAUR公司的XPDM等。

　　4）連續(xù)在線監(jiān)測：如果精度要求不太高，可選用阻容法儀器，如美*菲美特公司的DPT810系列；英*Michell的Easidew系列、英*Systech、英*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*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*AMETEK公司的560B或冷鏡式儀表。如果需要精度高且貼近中*市場價(jià)格需求的有原中科院上海冶金所的LJ系列露點(diǎn)儀，系我*唯一掌握核心部件氧化鋁阻容探頭技術(shù)的機(jī)構(gòu)。

　　5）天然氣防爆測量：在石化和天然氣行業(yè)，我們都要求防爆處理，所以需要有特定本安防爆的露點(diǎn)儀，比如美*菲美特公司的DPT900及DPT910（天然氣在線分析系統(tǒng)）；GE的PM8800系列露點(diǎn)儀、Michell的DM系列等等，他們都露點(diǎn)儀是針對石化天然氣的解決方案。

　　6）氣體空分行業(yè)露點(diǎn)測量：我們知道空分行業(yè)，一般要求水分含量很低，露點(diǎn)在-70℃以下（1ppm*別），原理上來說冷鏡式露點(diǎn)儀、電解法露點(diǎn)儀、薄膜露點(diǎn)儀都沒法對低于-80℃的氣體進(jìn)行測量，所以還是選擇電容法原理的露點(diǎn)儀比較合適，目前做的比較好的如美*菲美特的DPT500/600系列露點(diǎn)儀（納米技術(shù)）、Michell的DM系列露點(diǎn)儀，其他如SHAW和*產(chǎn)品牌的在低濕度環(huán)境下面就不太適用了。

　　英*SYSTECH公司 SYSTECH-ILLINOIS INSTRUMENTS

　　MM400 阻容法 -80～0℃ ±3℃ 價(jià)格適中 現(xiàn)場測量

　　MM300 電解法 -100~20℃ 價(jià)格適中 在線測試

　　英*MICHELL公司

　　Easidew 陶瓷基底阻容法-100～+20℃ ±2℃ 價(jià)露點(diǎn)儀格適低 方便快速 實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場苯胺防爆

　　EPR-IS 同上 價(jià)格適中 方便快速 實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場 本安防爆

　　MDM300 同上 價(jià)格適中 方便快速 實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場

　　Optidew Vision 冷鏡法 -24～+90℃ 價(jià)格適中 相對濕度標(biāo)準(zhǔn) 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量

　　S4000 TRS 冷鏡法 - 100～+20℃ 價(jià)格高 低露點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn) 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量

　　QMA2030 晶體振蕩技術(shù) 0.5～1000ppm（V）顯示，價(jià)格適中，實(shí)驗(yàn)室分析等

　　美*MEECO公司

　　AQUAVOLT露點(diǎn)儀

　　Waterboy 2 便攜式濕度分析儀

　　日本神榮鏡面冷卻式Dew Star系列露點(diǎn)儀 -35～+50℃ ±0.2℃ 價(jià)格較高 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量

　　MBW公司DP19露點(diǎn)儀

　　美*GE公司

　　M3，M4 冷鏡法 -80～+80℃ ±0.15℃ 價(jià)格高 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量

　　美*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

　　V-系列 -50～+80℃ 價(jià)格較高 在線測量

　　1-C 電解法 0～500ppm ±5% 價(jià)格較高 實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場

　　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

　　DP30 -100～+20℃ ±0.1℃ 價(jià)格昂貴 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量

　　美*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

　　美*AMTEK公司

　　560B 振動頻率法 0～1000ppm ±5% 價(jià)格較高 在線測量

　　愛爾蘭PANAMETRICS

　　美*Xautaur公司

　　XPDM 阻容法 -100～+20℃ ±3℃ 價(jià)格較高 現(xiàn)場或?qū)嶒?yàn)室CDT 露點(diǎn)儀 在線測量

　　鏡面污染對露點(diǎn)測量的影響

　　在露點(diǎn)測量中，鏡面污染是一個(gè)突出的問題，其影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面；一是拉烏爾效應(yīng)，二是改變鏡面本底放射水平。拉烏爾效應(yīng)是由水溶性物質(zhì)造成的。如果被測氣體中攜帶這種物質(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。此外，一些沸點(diǎn)比水低的容易冷凝的物質(zhì)(例如有機(jī)物)的蒸氣，不言而喻將對露點(diǎn)的測量產(chǎn)生干擾。因此，無論任何一種類型的露點(diǎn)儀都應(yīng)防止污染鏡面。一般說來，工業(yè)流程氣體分析污染的影響是比較嚴(yán)重的。但即使是在純氣的測量中鏡面的污染亦會隨時(shí)間增加而積累。

　　測量條件的選擇

　　在露點(diǎn)儀的設(shè)計(jì)中要著重考慮直接影響結(jié)露過程熱質(zhì)交換的各種因素，這個(gè)原則同樣適用于自動化程度不太高的露點(diǎn)儀器操作條件的選擇。這里主要討論鏡面降溫速度和樣氣流速問題。

　　1.被測氣體的溫度通常都是室溫。因此當(dāng)氣流通過露點(diǎn)室時(shí)必然要影響體系的傳熱和傳質(zhì)過程。當(dāng)其它條件固定時(shí)，加大流速將有利于氣流和鏡面之間的傳質(zhì)。特別是在進(jìn)行低霜點(diǎn)測量時(shí)，流速應(yīng)適當(dāng)提高，以加快露層形成速度，但是流速不能太大，否則會造成過熱問題。這對制冷功率比較小的熱電制冷露點(diǎn)儀尤為明顯。流速太大還會導(dǎo)致露點(diǎn)室壓力降低而流速的改變又將影響體系的熱平衡。所以在露點(diǎn)測量中選擇適當(dāng)?shù)牧魉偈潜匾?，流速的選擇應(yīng)視制冷方法和露點(diǎn)室的結(jié)構(gòu)而定。一般的流速范圍在0.4~0.7L﹒min-1之間。為了減小傳熱的影響，可考慮在被測氣體進(jìn)入露點(diǎn)室之前進(jìn)行預(yù)冷處理。

　　2.在露點(diǎn)測量中鏡面降溫速度的控制是一個(gè)重要問題，對于自動光電露點(diǎn)儀是由設(shè)計(jì)決定的，而對于手控制冷量的露點(diǎn)儀則是操作中的問題。因?yàn)槔湓吹睦鋮s點(diǎn)、測溫點(diǎn)和鏡面間的熱傳導(dǎo)有一個(gè)過程并存在一定的溫度梯度。所以熱慣性將影響結(jié)露(霜)的過程和速度，給測量結(jié)果帶來誤差。這種情況又隨使用的測溫元件不同而異，例如由于結(jié)構(gòu)關(guān)系，鉑電阻感溫元件的測量點(diǎn)與鏡面之間的溫度梯度比較大，熱傳導(dǎo)速度也比較慢，從而使測溫和結(jié)露不能同步進(jìn)行。而且導(dǎo)致露層的厚度無法控制。這對目視檢露來說將產(chǎn)生負(fù)誤差。

　　3.另一個(gè)問題是降溫速度太快可能造成“過冷”。我們知道，在一定條件下，水汽達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，液相仍然不出現(xiàn)，或者水在零度以下時(shí)仍不結(jié)冰，這種現(xiàn)象稱為過飽和或“過冷”。對于結(jié)露 (或霜)過程來說，這種現(xiàn)象往往是由于被測氣體和鏡面非常干凈，乃至缺少足夠數(shù)量的凝結(jié)核心而引起的。Suomi在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，如果一個(gè)高度拋光的鏡面并且其干凈程度合乎化學(xué)要求，則露的形成溫度要比真實(shí)的露點(diǎn)溫度低幾度。過冷現(xiàn)象是短暫的，共時(shí)間長短和露點(diǎn)或霜點(diǎn)溫度有關(guān)。這種現(xiàn)象可以通過顯微鏡觀察出來。解決的辦法之一是重復(fù)加熱和冷卻鏡面的操作，直到這種現(xiàn)象消除為止。另一個(gè)解決辦法是直接利用過冷水的水汽壓數(shù)據(jù)。并且這樣作恰恰與氣象系統(tǒng)低于零度時(shí)的相對濕度定義相吻合。

　　1、多種輸出參數(shù):顯示多種濕度參數(shù)，比如露點(diǎn)/霜點(diǎn)溫度、相對濕度、ppmv(濕氣體積/干氣體積)和環(huán)境溫度

　　2、測量數(shù)據(jù)在LCD顯示屏上以數(shù)字或圖形的方式顯示，通過一個(gè)按鍵就能把輸出的讀數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)榧磿r(shí)的圖形

　　3、易于使用的用戶界面，固定鍵指的是圖形、保持/儲存和記錄鍵

　　4、可以記錄現(xiàn)場數(shù)據(jù)，多可達(dá) 2700 點(diǎn)，可配有尖端的MI70聯(lián)接Windows軟件程序

　　5、結(jié)構(gòu)輕巧而堅(jiān)固，有防水和防塵的外殼保護(hù)，能在 端惡劣的環(huán)境穩(wěn)定地使用，適合各種場合

　　6、電池能使儀表長時(shí)間在戶外使用。