微量水的测量及仪器选型

曹明哲

(山西易高煤层气有限公司，山西 晋城 048204)

一 湿度测量

湿度是用来表示水蒸气在气体中含量多少的物理量，湿度测量在气体分析中有着重要的地位，现代工业如制药、化工、医药、半导体、气体干燥等对湿度的测量要求越来越高。常用的湿度方法有电解法、露点法、电容法、光腔衰荡光谱法、电阻法、压电晶体法、微波法、声波法、红外法、干湿球法、烘干法、声波法等等。露点是指水蒸气分压不变时气体湿度达到饱和时的温度。下面对目前常用的几种湿度测量方法简单介绍如下:

1.电解法:样品中的水分通过电解池时由五氧化二磷吸收变成磷酸，水分通过电解池电解放出氢气及氧气，同时使五氧化二磷复原，通过测出电解电流的大小即可测得样气的湿度。该方法属于绝对测量法，因此仪器一般无需标定，电解池结构简单，可以反复使用;缺点是气路需要在使用前干燥较长时间，且不适合在电解条件下可以与五氧化二磷发生反应的气体测量。该方法不适用于含有乙醇、不饱和烃(芳烃除外)、胺、腐蚀性气体的湿度测定。

2.压电晶体法:压电晶体法是将石英晶体和一种敏感的吸湿材料做成的薄片做在传感器，当传感器通电后石英晶体就会产生有规律的高频振动，当气流通过时镀在表面上的吸湿材料吸附或解吸水分会使石英晶体振荡频率发生变化。水分浓度通过测量晶体振荡频率的变化而被检测出来。该仪器主要为AMETEK生产的3050、5800系列在线露点仪。主要特点:?1)精度高;?2)采用石英晶体微平衡技术，对气体水分增大或变小时的水分浓度响应都很快;?3)内置水分发生器，产生一定水分浓度的气体，可以自动进行在线标定;

3.冷镜法:

被测气体流经镜面，通过制冷使镜面温度不断下降，当气体中的水分达到饱和浓度时就会在镜面析出露滴。通过采用光电检测技术，检测出露层并测量结露时的温度就可以得到露点。该种露点仪可作为标准露点仪使用校准其他露点仪器，精度可以达到±0.1℃。该方法的缺点是响应速度较慢，而且此方法对样气的清洁性和腐蚀性要求也较高，气体中若含有可与水分一起冷凝析出的物质则会严重影响测量的准确性，因为此时得到的是水和该冷凝物的混合露点。

4.阻容法:

阻容法探头目前主要有三种:陶瓷电容探头、氧化铝电容探头、高分子薄膜电容探头。以氧化铝电容法为例:传感器是由一根涂有Al2O3吸湿层且外有金膜的铝棒组成，金膜和铝棒构成电容器，金膜能使气体中水分子透过被Al2O3吸湿层吸收，因为水的电解常数比其它物质大得多，所以探头的介电值会有明显的变化，从而使元件电容改变。利用电容与相对湿度的对应关系即可测量湿度。此种方法主要优点是测量速度快，缺点是精度较差，不确定度多为±3℃。探头会产生老化漂移必须定期进行校准，探头易受温度影响。由于探头的特性决定了该方法不适用于含有腐蚀性物质的气体湿度测量，。该方法的典型厂家代表为英国MICHELL公司、英国SHAW公司，美国GE公司、美国XENTAUR公司、芬兰Vaisala公司等。

5.光腔衰荡光谱法

在光腔衰荡光谱法中，一束单波长激光进入光腔并由高度反射镜面光束在腔镜之间反复多次反射。当切断光源后，其能量就会随时间而衰减，衰减的速度与光腔自身的损耗和腔内被测组分的吸收有关。光能量衰减的速度与被测组分的含量有关。因此可以通过测量光腔衰荡时间来测量样品中的水分含量。该方法最低检测限可达2ppt，可以快速准确地分析气体中水分含量，而且不需要标准样气，可以用于腐蚀性和有毒气体(如PH3、NH3等)中微量水分的检测。该种仪器昂贵的价格限制了其使用，目前在半导体行业应用较广泛。主要产品为TigerOptics公司生产的Lasertrace激光震荡衰减水分分析仪。

二 如何选择仪器

湿度测量选用仪器时要综合考虑，不但要考虑仪器的性能及价格，还应该考虑到仪器使用的场合、所测气体的种类及腐蚀性、对准确度的要求、对测量时间的要求。总体原则如下:

1.湿度基准测量:一般选用冷镜式露点仪，如美国GE公司的Optica冷镜式露点仪，美国 Edgetech公司 M300、美国Edgetech公司的2000系列，瑞士MBW公司的DP19等。

2.现场检测:要求快速测量或气体中含有重烃类组分一般多选用便携式阻容法仪器，如GE的PM880便携式露点、Teledyne8800P便携式露点仪、英国SHAW公司的SADP系列便携式露点仪、芬兰Vaisala公司的DM系列便携式露点仪、英国Michell公司的MDM系列便携式露点仪。

3.连续在线监测:精度要求不高一般多采用阻容法仪器，如英国SHAW的DS在线露点仪、美国XENTAUR公司的XDT;如果精度要求高可选用美国AMETEK公司的3050、5800。

三 露点测定注意事项

露点测定是一个系统工程，测量准确度除和仪器本身准确度有关还和采样系统设计有直接关系。下面给出了露点测量时的注意事项:

1)低露点测量取样管线最好采用内壁电解抛光的316L不锈钢，不锈钢管连接接头建议使用VCR接头或全程焊接。低压系统露点测量也可采用聚四氟乙烯管，但不宜采用铜管及橡胶管，管外径以6mm为宜，这样可以加快样品流动速度并减少管壁的吸附效应。

2)取样管线及管线接头在可能的情况下越短越好，尤其对于-65度以下露点测定由于管线及接头均不可避免存在死体积及对水分的吸附效应，在温度高时管线会释放吸附水引起测量结果偏高。系统设计中应尽量缩短取样管线长度。

3)取样管线最好设计保温伴热以减轻对水分的吸附效应。

4)取样管线应杜绝即便是微小的泄漏，对于测定ppm级的水分，即便是微小的泄漏也会引起环境中的水分渗透，虽然取样管线中的压力高于环境压力，但其水蒸气分压远远低于环境中水蒸气分压。

5)采样系统最好设计旁路加快样品流动速度，取样流量计流量应参考厂家仪器使用说明设定。

6)采样系统应设计精密过滤器去除气体中携带的粉尘、油污等杂质。

7)仪器需定期校准。对于阻容法仪器，推荐每年校准一到二。