露点仪(微量水分析仪)的选型与使用注意事项

【关键词】露点仪原理分类正确选型测量注意问题测量条件选择

湿度被定义为气体中水蒸气的含量，是一个重要的环境参数。大气中的水蒸气影响着自然界的物理、化学和生物过程。湿度影响气体的热、电、光和传递方面的特性。环境湿度还影响固体和液体材料中的水分含量，引起材料的尺寸变化，金属材料的腐蚀，甚至决定生物体的存亡。湿度测量和控制广泛应用于航空航天、微电子、原子能、石油化工、电力、气象、仓储等领域。

测量气体湿度的基本量是混合比，即水蒸气质量和干气质量之比，用重量法湿度计得以实现。在重量法湿度计中，气流中的水蒸气和载气被分离，并且被分别收集和称量（或间接测量干气的体积和密度）。但用重量法测量混合比技术难度大、操作繁琐。实际测量湿度量值大多数采用露点，尽管露点不是最基本的湿度单位量。如果把混合比与湿度的关系比喻为热力学温标与温度的关系，则露点与湿度的关系类似于实用温标（ITS-90）与温度的关系。

露点湿度计的原理可以通过一个简单的实验来说明。若将一个光洁的金属表面放到相对湿度低于100%的空气中并使之冷却，当温度降到某一数值时，靠近该表面的相对湿度达到100%，这时将有露在表面上形成。因为在这个温度下空气中的水汽达到了饱和，冷表面附着的水膜和空气中的水份处于动态平衡，也就是说，在单位时间内离开和返回到表面上的水分子数相同，这就是Regnault原理。该原理可以叙述为：当一定体积的湿空气在恒定的总压力下被均匀降温，直到空气中的水汽达到饱和状态，该状态叫做露点。

在冷却的过程中，气体和水汽两者的分压力保持不变。如果空气的温度是Ta，露点生成的温度为Td，则湿空气的相对湿度可以通过下式算出，U=[(在露点温度Td时的饱和水气压)/(在原来温度Ta时的饱和水气压)]*100%式中饱和水汽压的数值可以通过查表（露点、体积比、绝对水含量对照表）得到。在0℃以下，水汽达到饱和时，水在镜面上结冰，此时的温度又叫做霜点。

一、露点仪分类：

1.1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、镜面制冷高效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。目前国际上最高精度达到±0.1℃(露点温度)，一般精度可达到±0.5℃以内。

1.2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。目前国际上最高精度达到±1.0℃(露点温度)，一般精度可达到±3℃以内。

1.3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，设计出建立在绝对含湿量单位制上的电解法微水份仪。目前国际上最高精度达到±1.0℃(露点温度)，一般精度可达到±3℃以内。

1.4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，目前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。

1.5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。目前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。

1.6半导体传感器露点仪

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。

1.7阻容法露点仪

其原理是利用一个高纯铝棒，表面氧化成一层超薄的氧化铝薄膜，其外镀一层多空的 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。

二、露点仪的选型：

露点仪（微量水分析仪）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：

2.1如果测量准确度要求较高，可选用冷镜式露点仪；

2.2如果量程较宽（露点-80℃以下）且气体较清洁，可选用电解法仪器。

2.3如果测量准确度要求不高，可选用阻容法；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。

2.3连续在线监测：如果精度要求一般，可选用阻容法露点仪。

2.4天然气等易燃易爆气体测量，需要防爆处理，所以需要有特定本安防爆的露点仪。

2.5空分行业露点测量，一般空分行业要求水分含量很低，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。

露点仪测量中应注意的问题：

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。

下面讲讲露点仪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。

l 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。

l 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。

l 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。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。