露点仪(湿度测量仪器)的测量原理及正确选型

北京久恒隆仪表技术开发有限责任公司 空分工程部


【摘要】本文从湿度测量的几种基本方法入手，分析了各自的优缺点和主要有代表性露点仪，重点从性能、价格、适用条件和操作的方便程度上向用户介绍如何选用合适的露点仪(湿度测量仪器)

叙词：露点仪，微量水，露点，重量法，冷镜法，阻容法（电容法）

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

随着我国经济的高速发展，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。

二．湿度测量方法

根据国标GB11605-89《湿度测量方法》所著，湿度测量共有七种方法，这里不一一赘述。笔者重点对市场上流行的几种微量水测量方法及露点仪选型重新归类并简单介绍如下：
1．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，精确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，最大允许误差可达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精确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。
A.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。
B.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。典型代表仪器是美国AMETEK公司的560B。
2．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美国的General Eastern公司和Edgetech公司，瑞士的MBW公司以及英国的PROTIMETER公司等。
3．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℃。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。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。

三．如何选择仪器

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）国家级湿度基准：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，如美国GE公司的M3，美国Edgetech公司M300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2000系列，瑞士MBW公司的DP19或英国PROTIMETER公司的系列产品；如果量程要求较低（露点-60℃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，最好选用阻容法仪器，如英国Alpha湿度仪器公司的SADPmini手持式露点仪，或美国XENTAUR公司的XPDM等。
连续在线监测：如果精度要求不太高，可选用阻容法仪器，如英国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。

四．附表：市场上部分进口微水仪资料对照表

厂 家	型 号	原 理	量 程	精 度	性价比	应用场合
英国 Alpha公司	SADPminiEx	阻容法(电容法)	-110～+20℃	±2℃	价格适中方便快速	实验室或现场 本安防爆
	SADPu SADPu-D	同上			价格较低方便快速	实验室或现场 本安防爆
	DSP-FCI	同上			价格适中方便快速	实验室或现场 尤其适用电力SF6测量
	P35	阻容法(电容法)	-80～0℃ 标准可扩展	±2℃	价格适中方便快速	实验室或现场 尤其适用电力SF6测量
	DS-1000 DS-2000	阻容法(电容法)	-80～0℃ 标准可扩展	±2℃	价格较低	在线测量
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	SYSTE	阻容法	-80～0℃	±3℃	价格适中	现场测量
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