VAISALA電容式濕度傳感器測定二氧化碳氣體中微量水分的研究

于　洋，劉鍵夫，單曉萍，宋慶明，趙　敏

(中昊光明化工研究設計院有限公司 大連光明化學工業氣體質量監測中心有限公司，遼寧 大連 116031)

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VAISALA電容式濕度傳感器測定二氧化碳氣體中微量水分的研究

于洋，劉鍵夫，單曉萍，宋慶明，趙敏

(中昊光明化工研究設計院有限公司 大連光明化學工業氣體質量監測中心有限公司，遼寧 大連 116031)

摘要:以自制標準水發生器發生的濕氣為測試樣品，利用不同的測試樣品對兩種不同型號的VAISALA電容式濕度傳感器進行大量實驗。結果表明：正常環境條件下，兩種傳感器穩定性良好，其輸出信號的響應值與水分含量(露點)在特定區間內呈一定的線性關系；VAISALA DRYCAP DMT 152與242兩種類型傳感器可以分別對露點-80℃和露點-67℃的水分含量給出穩定準確的響應值，前者的檢測限要低于后者且適合露點低于-60℃的二氧化碳產品氣的測量；使用VAISALA DRYCAP傳感器可以滿足二氧化碳中微量水分的測定，但需要水標準氣體對其進行定期校準。

關鍵詞:濕度傳感器；響應值；露點；檢測限；二氧化碳

氣體產品被廣泛應用到各個領域，是一種不可缺少的動力資源，也是現代化工業生產的基礎，同時也被稱為工業的“血液”[1-2]。在氣體產品生產過程中，由于受到制備工藝的限制，使水分自然的成為氣體中微量雜質，其水分含量多少對氣體產品質量、生產安全等方面有極其重要的影響[3]。

各種氣體產品中微量水分的測定方法和相應的分析設備已得到廣泛應用，已形成標準的分析方法為：電解法、露點法、光腔衰蕩光譜法、電子分析法。其中電子分析法中，以電容式濕度傳感器為元件的測試儀，因操作簡便、連續運行等優勢，使其成為工業上應用最廣泛的微量水分分析設備[4]。

本文研究的目的是以VAISALA電容式濕度傳感器測量二氧化碳氣體中微量水分時，表現出其測定的準確度、穩定性、檢出限，以此確定該類傳感器在二氧化碳產品的質量控制過程中的普遍適用性。

1電容式濕度傳感器工作原理

電容式濕度傳感器主要包括由傳導材料制成的上部電極、高分子活性聚合物薄膜、傳導材料和玻璃基底構成下部電極。水蒸氣穿過上部電極而被活性聚合物薄膜吸收，水蒸氣的吸收量由相對環境濕度決定，薄膜因吸收水蒸氣而使其介電常數發生變化，進而引起傳感器電容值的改變，測得電容的改變量就可得出相對濕度值[5]。

2實驗材料與流程

2.1實驗材料

實驗儀器具體包括：電容式濕度傳感器(VAISALA DRYCAP DMT152、DMT242)、濕度信號跟隨記錄儀(色譜工作站)、S4000型號精密露點儀(英國米切爾生產)、“零點”氣(將高純液氮氣化或將高純氮氣通過5A分子篩干燥獲得)、水含量為0～100×10-6系列的標準二氧化碳氣體(由自主研發的ZHM-01型轉化法標準水發生器制備)，其中S4000型號精密露點儀的最大允許誤差如表1所示。

表1　精密露點儀的要求

2.2實驗流程

根據JJG 499—2004《精密露點儀》檢定規程[6]，以標準水發生器發生不同的濕氣為測試樣品，

標準濕度計為參考計量基準，分別將“零點”氣、二氧化碳系列水標準氣體以恒定流量通過電容傳感器，同時使用濕度信號跟隨記錄儀記錄“零點”氣及系列標準氣體各濃度點的響應值。

3結果與討論

3.1零點氣和標準氣的記錄譜圖

將零點氣與二氧化碳系列水標準氣分別通過VAISALA DRYCAP DMT152、DMT242傳感器，濕度信號跟隨記錄儀獲得的譜圖如圖1、圖2所示。

圖1　DMT152譜圖

圖2　DMT242譜圖

圖1和圖2(短期噪聲均取平均值)毫伏數所對應的露點和水含量(由S4000型號精密露點儀)如表2所示。

表2　不同露點對應的響應值

結合圖1、圖2、表2可以看出在相應的時間段內，前者較后者更成平穩的直線,噪聲也遠小于后者，相應的檢出限要低于后者，表明DMT152傳感器的性能優于后者。當二氧化碳氣體的露點為-80℃(水含量0.5×10-6)時，DMT152能夠給出相應的準確、穩定的響應值，其分辨率小于0.5×10-6。當二氧化碳氣體的露點為-67℃(水含量4.0×10-6)時，DMT242也可以給出相對的響應值，其分辨率大于2×10-6，對于DMT242傳感器在-67℃時其信噪比為2.9，在-74℃時其信噪比為0.42，隨著露點變低,其噪聲相應變大。因此可以判斷出該傳感器適合露點高于-67℃(水含量4.0×10-6)的二氧化碳氣體測量。對于工業二氧化碳氣體、食品添加劑液體二氧化碳等無特殊說明時，DMT242傳感器可以滿足一般氣體水分含量的測量。

3.2響應值與水分含量關系

利用表2中的數據可以獲得兩種濕度傳感器的響應值分別與水含量、露點之間的關系曲線，如圖3、圖4所示。

圖3　響應值與水分含量的關系

圖4　響應值與露點的關系

由圖3、4可以判斷出傳感器DMT152在氣體露點低于-60℃時，其測量值更接近線性。傳感器DMT242在氣體露點高于-67℃時，其測量值呈一定線性。兩種傳感器的響應值與露點、水分在整個區間內(尤其兩個極端點)不是呈完全的線性關系，因此需要定期對其在各自適宜的露點范圍內進行多點、分段校準，提高其線性相關系數。

3.3DMT242傳感器的穩定性與重復性

在正常環境條件下，將各濃度二氧化碳水標準氣進行如下切換并通入到DMT242傳感器獲得譜圖如圖5所示。

圖5　不同水標氣之間的切換

圖5中的a、b、c、d可以看出由低濃度到高濃度達到穩定時，所需要的響應速度要快于其相反過程(測量時要求由低露點逐漸過渡到高露點)，a與c反映出測量露點時，至少待值穩定3 min后才能讀數，也反映出DMT242傳感器具有良好的時間穩定性。其次由a與b、c與d可以看出，無論怎樣切換，0.5×10-6、40×10-6所對應的毫伏數前后相差不大，表明該傳感器具有一定重復性。

3.4二氧化碳氣體樣品實測

使用GB/T 5832.2—2008《氣體中微量水分的測定 第二部分 露點法》與本傳感器法對二氧化碳樣品進行測量，對比結果見表3。由表3可以知道采用傳感器法測量結果與露點法相差不大，并且檢測水含量的下限要小于露點法。表明采用濕度傳感器可以滿足對二氧化碳氣體進行露點測量。

表3　測量結果對比

4結論

1. DMT152傳感器的各露點對應的噪聲信號遠小于DMT242傳感器,其前者的性能優于后者，兩者傳感器具有一定的穩定性和重復性；

2. DMT152傳感器適合檢測露點低于-60℃的氣體，對于露點為-80℃的二氧化碳給出穩定、準確的響應值；

3. DMT242傳感器適合檢測露點高于-67℃的氣體，該傳感器的噪聲隨露點溫度降低而升高，對于工業二氧化碳氣體、食品添加劑液體二氧化碳等無特殊說明時，DMT242傳感器可以滿足一般氣體水分含量的測量；

4. 兩種傳感器的響應值與露點、水分在整個區間內(尤其兩個極端點)不是呈完全的線性關系，需要定期在各自的露點范圍內進行分段、多點校準，提高其線性相關系數；

5. 使用兩種傳感器對二氧化碳產品露點測量與國標露點法測量結果相差不大，滿足測量要求。

參考文獻：

[1] 叢繼信. 便攜式濕度發生器研制[J]. 化學分析計量, 2007, 16(4): 61-63.

[2] 易洪. 濕度測量的新進展[J]. 計測技術, 2008, 28(s1): 1-3.

[3] 駱如枋，陸玉萍. Al2O3濕度傳感器露點儀及其應用[J]. 電子與儀表, 1995(1): 30-32.

[4] 張文東. 濕度計量技術的發展[J]. 上海計量測試, 2011(1): 3-6.

[5] 李英干，范金鵬. 濕度測量[M]. 北京：氣象出版社, 1990.

[6] JJG 499—2004精密露點儀檢定規程[S].

于洋(1986)，男，大連工業大學碩士研究生。現于大連光明化學工業氣體質量監測中心有限公司從事氣體分析工作。

Research on Test of Moisture Contained in Carbon Dioxide By VAISALA Capacitive Humidity Sensor

YU Yang, LIU JianFu, SHAN Xiaoping, SONG Qingming, ZHAO Min

( Dalian Guangming Gas Quality Supervision and Inspection Center of Chemical Industry Co., Ltd.,Zhonghao Guangming Research & Design Institute of Chemical Industry Co., Ltd., Dalian 116031, China)

Abstract:Large numbers of experiments were done with different test samples by using two types of VAISALA capacitive humidity sensors ,and the test sample was moisture which was generated by self-made standard generator, The results showed that the two types sensors had good stability under normal environment condition, the response of the output signal (dew point) was a linear relationship with water content in a specific interval, sensors of VAISALA DRYCAP DMT 152 and 242 could give stable and accurate responses value of moisture content for -60℃ and -80℃, The detection limit in the former was lower than that in the latter. The former was fit for the carbon dioxide gas which dew point is lower-65℃. and content of moisture in carbon dioxide could be measured accurately by VAISALA DRYCAP sensor, but needed to be calibrated by standard gas regularly.

Key words:humidity sensor; response value; dew point; detection limit; carbon dioxide

作者簡介：

doi:10.3969/j.issn.1007-7804.2016.02.012

中圖分類號：TQ117

文獻標志碼：A

文章編號：1007-7804(2016)02-0042-04

收稿日期：2016-02-16