微量水的測(cè)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(cè)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(cè)量在氣體分析中有著重要的地位，現(xiàn)代工業(yè)如制藥、化工、醫(yī)藥、半導(dǎo)體、氣體干燥等對(duì)濕度的測(cè)量要求越來越高。常用的濕度方法有電解法、露點(diǎn)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(diǎn)是指水蒸氣分壓不變時(shí)氣體濕度達(dá)到飽和時(shí)的溫度。下面對(duì)目前常用的幾種濕度測(cè)量方法簡(jiǎn)單介紹如下:

1.電解法:樣品中的水分通過電解池時(shí)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(shí)使五氧化二磷復(fù)原，通過測(cè)出電解電流的大小即可測(cè)得樣氣的濕度。該方法屬于絕對(duì)測(cè)量法，因此儀器一般無需標(biāo)定，電解池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以反復(fù)使用;缺點(diǎn)是氣路需要在使用前干燥較長(zhǎng)時(shí)間，且不適合在電解條件下可以與五氧化二磷發(fā)生反應(yīng)的氣體測(cè)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(cè)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(dāng)傳感器通電后石英晶體就會(huì)產(chǎn)生有規(guī)律的高頻振動(dòng)，當(dāng)氣流通過時(shí)鍍?cè)诒砻嫔系奈鼭癫牧衔交蚪馕謺?huì)使石英晶體振蕩頻率發(fā)生變化。水分濃度通過測(cè)量晶體振蕩頻率的變化而被檢測(cè)出來。該儀器主要為AMETEK生產(chǎn)的3050、5800系列在線露點(diǎn)儀。主要特點(diǎn):?1)精度高;?2)采用石英晶體微平衡技術(shù)，對(duì)氣體水分增大或變小時(shí)的水分濃度響應(yīng)都很快;?3)內(nèi)置水分發(fā)生器，產(chǎn)生一定水分濃度的氣體，可以自動(dòng)進(jìn)行在線標(biāo)定;

3.冷鏡法:

被測(cè)氣體流經(jīng)鏡面，通過制冷使鏡面溫度不斷下降，當(dāng)氣體中的水分達(dá)到飽和濃度時(shí)就會(huì)在鏡面析出露滴。通過采用光電檢測(cè)技術(shù)，檢測(cè)出露層并測(cè)量結(jié)露時(shí)的溫度就可以得到露點(diǎn)。該種露點(diǎn)儀可作為標(biāo)準(zhǔn)露點(diǎn)儀使用校準(zhǔn)其他露點(diǎn)儀器，精度可以達(dá)到±0.1℃。該方法的缺點(diǎn)是響應(yīng)速度較慢，而且此方法對(duì)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(zhì)則會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量的準(zhǔn)確性，因?yàn)榇藭r(shí)得到的是水和該冷凝物的混合露點(diǎn)。

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(gòu)成電容器，金膜能使氣體中水分子透過被Al2O3吸濕層吸收，因?yàn)樗碾娊獬?shù)比其它物質(zhì)大得多，所以探頭的介電值會(huì)有明顯的變化，從而使元件電容改變。利用電容與相對(duì)濕度的對(duì)應(yīng)關(guān)系即可測(cè)量濕度。此種方法主要優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量速度快，缺點(diǎn)是精度較差，不確定度多為±3℃。探頭會(huì)產(chǎn)生老化漂移必須定期進(jìn)行校準(zhǔn)，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(zhì)的氣體濕度測(cè)量，。該方法的典型廠家代表為英國(guó)MICHELL公司、英國(guó)SHAW公司，美國(guó)GE公司、美國(guó)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(zhǎng)激光進(jìn)入光腔并由高度反射鏡面光束在腔鏡之間反復(fù)多次反射。當(dāng)切斷光源后，其能量就會(huì)隨時(shí)間而衰減，衰減的速度與光腔自身的損耗和腔內(nèi)被測(cè)組分的吸收有關(guān)。光能量衰減的速度與被測(cè)組分的含量有關(guān)。因此可以通過測(cè)量光腔衰蕩時(shí)間來測(cè)量樣品中的水分含量。該方法最低檢測(cè)限可達(dá)2ppt，可以快速準(zhǔn)確地分析氣體中水分含量，而且不需要標(biāo)準(zhǔn)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(cè)。該種儀器昂貴的價(jià)格限制了其使用，目前在半導(dǎo)體行業(yè)應(yīng)用較廣泛。主要產(chǎn)品為TigerOptics公司生產(chǎn)的Lasertrace激光震蕩衰減水分分析儀。

二 如何選擇儀器

濕度測(cè)量選用儀器時(shí)要綜合考慮，不但要考慮儀器的性能及價(jià)格，還應(yīng)該考慮到儀器使用的場(chǎng)合、所測(cè)氣體的種類及腐蝕性、對(duì)準(zhǔn)確度的要求、對(duì)測(cè)量時(shí)間的要求。總體原則如下:

1.濕度基準(zhǔn)測(cè)量:一般選用冷鏡式露點(diǎn)儀，如美國(guó)GE公司的Optica冷鏡式露點(diǎn)儀，美國(guó) Edgetech公司 M300、美國(guó)Edgetech公司的2000系列，瑞士MBW公司的DP19等。

2.現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè):要求快速測(cè)量或氣體中含有重?zé)N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(diǎn)、Teledyne8800P便攜式露點(diǎn)儀、英國(guó)SHAW公司的SADP系列便攜式露點(diǎn)儀、芬蘭Vaisala公司的DM系列便攜式露點(diǎn)儀、英國(guó)Michell公司的MDM系列便攜式露點(diǎn)儀。

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

三 露點(diǎn)測(cè)定注意事項(xiàng)

露點(diǎn)測(cè)定是一個(gè)系統(tǒng)工程，測(cè)量準(zhǔn)確度除和儀器本身準(zhǔn)確度有關(guān)還和采樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)有直接關(guān)系。下面給出了露點(diǎn)測(cè)量時(shí)的注意事項(xiàng):

1)低露點(diǎn)測(cè)量取樣管線最好采用內(nèi)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(diǎn)測(cè)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(dòng)速度并減少管壁的吸附效應(yīng)。

2)取樣管線及管線接頭在可能的情況下越短越好，尤其對(duì)于-65度以下露點(diǎn)測(cè)定由于管線及接頭均不可避免存在死體積及對(duì)水分的吸附效應(yīng)，在溫度高時(shí)管線會(huì)釋放吸附水引起測(cè)量結(jié)果偏高。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量縮短取樣管線長(zhǎng)度。

3)取樣管線最好設(shè)計(jì)保溫伴熱以減輕對(duì)水分的吸附效應(yīng)。

4)取樣管線應(yīng)杜絕即便是微小的泄漏，對(duì)于測(cè)定ppm級(jí)的水分，即便是微小的泄漏也會(huì)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(yuǎn)遠(yuǎn)低于環(huán)境中水蒸氣分壓。

5)采樣系統(tǒng)最好設(shè)計(jì)旁路加快樣品流動(dòng)速度，取樣流量計(jì)流量應(yīng)參考廠家儀器使用說明設(shè)定。

6)采樣系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)精密過濾器去除氣體中攜帶的粉塵、油污等雜質(zhì)。

7)儀器需定期校準(zhǔn)。對(duì)于阻容法儀器，推薦每年校準(zhǔn)一到二。