微量水的測量及儀器選型

曹明哲

(山西易高煤層氣有限公司，山西 晉城 048204)

一 濕度測量

濕度是用來表示水蒸氣在氣體中含量多少的物理量，濕度測量在氣體分析中有著重要的地位，現代工業(yè)如制藥、化工、醫(yī)藥、半導體、氣體干燥等對濕度的測量要求越來越高。常用的濕度方法有電解法、露點法、電容法、光腔衰蕩光譜法、電阻法、壓電晶體法、微波法、聲波法、紅外法、干濕球法、烘干法、聲波法等等。露點是指水蒸氣分壓不變時氣體濕度達到飽和時的溫度。下面對目前常用的幾種濕度測量方法簡單介紹如下:

1.電解法:樣品中的水分通過電解池時由五氧化二磷吸收變成磷酸，水分通過電解池電解放出氫氣及氧氣，同時使五氧化二磷復原，通過測出電解電流的大小即可測得樣氣的濕度。該方法屬于絕對測量法，因此儀器一般無需標定，電解池結構簡單，可以反復使用;缺點是氣路需要在使用前干燥較長時間，且不適合在電解條件下可以與五氧化二磷發(fā)生反應的氣體測量。該方法不適用于含有乙醇、不飽和烴(芳烴除外)、胺、腐蝕性氣體的濕度測定。

2.壓電晶體法:壓電晶體法是將石英晶體和一種敏感的吸濕材料做成的薄片做在傳感器，當傳感器通電后石英晶體就會產生有規(guī)律的高頻振動，當氣流通過時鍍在表面上的吸濕材料吸附或解吸水分會使石英晶體振蕩頻率發(fā)生變化。水分濃度通過測量晶體振蕩頻率的變化而被檢測出來。該儀器主要為AMETEK生產的3050、5800系列在線露點儀。主要特點:?1)精度高;?2)采用石英晶體微平衡技術，對氣體水分增大或變小時的水分濃度響應都很快;?3)內置水分發(fā)生器，產生一定水分濃度的氣體，可以自動進行在線標定;

3.冷鏡法:

被測氣體流經鏡面，通過制冷使鏡面溫度不斷下降，當氣體中的水分達到飽和濃度時就會在鏡面析出露滴。通過采用光電檢測技術，檢測出露層并測量結露時的溫度就可以得到露點。該種露點儀可作為標準露點儀使用校準其他露點儀器，精度可以達到±0.1℃。該方法的缺點是響應速度較慢，而且此方法對樣氣的清潔性和腐蝕性要求也較高，氣體中若含有可與水分一起冷凝析出的物質則會嚴重影響測量的準確性，因為此時得到的是水和該冷凝物的混合露點。

4.阻容法:

阻容法探頭目前主要有三種:陶瓷電容探頭、氧化鋁電容探頭、高分子薄膜電容探頭。以氧化鋁電容法為例:傳感器是由一根涂有Al2O3吸濕層且外有金膜的鋁棒組成，金膜和鋁棒構成電容器，金膜能使氣體中水分子透過被Al2O3吸濕層吸收，因為水的電解常數比其它物質大得多，所以探頭的介電值會有明顯的變化，從而使元件電容改變。利用電容與相對濕度的對應關系即可測量濕度。此種方法主要優(yōu)點是測量速度快，缺點是精度較差，不確定度多為±3℃。探頭會產生老化漂移必須定期進行校準，探頭易受溫度影響。由于探頭的特性決定了該方法不適用于含有腐蝕性物質的氣體濕度測量，。該方法的典型廠家代表為英國MICHELL公司、英國SHAW公司，美國GE公司、美國XENTAUR公司、芬蘭Vaisala公司等。

5.光腔衰蕩光譜法

在光腔衰蕩光譜法中，一束單波長激光進入光腔并由高度反射鏡面光束在腔鏡之間反復多次反射。當切斷光源后，其能量就會隨時間而衰減，衰減的速度與光腔自身的損耗和腔內被測組分的吸收有關。光能量衰減的速度與被測組分的含量有關。因此可以通過測量光腔衰蕩時間來測量樣品中的水分含量。該方法最低檢測限可達2ppt，可以快速準確地分析氣體中水分含量，而且不需要標準樣氣，可以用于腐蝕性和有毒氣體(如PH3、NH3等)中微量水分的檢測。該種儀器昂貴的價格限制了其使用，目前在半導體行業(yè)應用較廣泛。主要產品為TigerOptics公司生產的Lasertrace激光震蕩衰減水分分析儀。

二 如何選擇儀器

濕度測量選用儀器時要綜合考慮，不但要考慮儀器的性能及價格，還應該考慮到儀器使用的場合、所測氣體的種類及腐蝕性、對準確度的要求、對測量時間的要求。總體原則如下:

1.濕度基準測量:一般選用冷鏡式露點儀，如美國GE公司的Optica冷鏡式露點儀，美國 Edgetech公司 M300、美國Edgetech公司的2000系列，瑞士MBW公司的DP19等。

2.現場檢測:要求快速測量或氣體中含有重烴類組分一般多選用便攜式阻容法儀器，如GE的PM880便攜式露點、Teledyne8800P便攜式露點儀、英國SHAW公司的SADP系列便攜式露點儀、芬蘭Vaisala公司的DM系列便攜式露點儀、英國Michell公司的MDM系列便攜式露點儀。

3.連續(xù)在線監(jiān)測:精度要求不高一般多采用阻容法儀器，如英國SHAW的DS在線露點儀、美國XENTAUR公司的XDT;如果精度要求高可選用美國AMETEK公司的3050、5800。

三 露點測定注意事項

露點測定是一個系統(tǒng)工程，測量準確度除和儀器本身準確度有關還和采樣系統(tǒng)設計有直接關系。下面給出了露點測量時的注意事項:

1)低露點測量取樣管線最好采用內壁電解拋光的316L不銹鋼，不銹鋼管連接接頭建議使用VCR接頭或全程焊接。低壓系統(tǒng)露點測量也可采用聚四氟乙烯管，但不宜采用銅管及橡膠管，管外徑以6mm為宜，這樣可以加快樣品流動速度并減少管壁的吸附效應。

2)取樣管線及管線接頭在可能的情況下越短越好，尤其對于-65度以下露點測定由于管線及接頭均不可避免存在死體積及對水分的吸附效應，在溫度高時管線會釋放吸附水引起測量結果偏高。系統(tǒng)設計中應盡量縮短取樣管線長度。

3)取樣管線最好設計保溫伴熱以減輕對水分的吸附效應。

4)取樣管線應杜絕即便是微小的泄漏，對于測定ppm級的水分，即便是微小的泄漏也會引起環(huán)境中的水分滲透，雖然取樣管線中的壓力高于環(huán)境壓力，但其水蒸氣分壓遠遠低于環(huán)境中水蒸氣分壓。

5)采樣系統(tǒng)最好設計旁路加快樣品流動速度，取樣流量計流量應參考廠家儀器使用說明設定。

6)采樣系統(tǒng)應設計精密過濾器去除氣體中攜帶的粉塵、油污等雜質。

7)儀器需定期校準。對于阻容法儀器，推薦每年校準一到二。