空气中杂质在湿度计量中的影响

徐慧娟

(杭州市质量技术监督检测院，浙江杭州310019)

0 引言

空气是多种气体的混合物，其主要成分是氧气和氮气，以及总数不到1%的稀有气体和二氧化碳。此外，空气中还有一种重要的、数量上经常变化的成分——水汽。湿度计量的对象即是空气中以蒸汽形态存在的水。随着工业化和城市化的推进，大气污染问题日渐严峻，人类的活动对大气状态和大气过程产生一定的破坏，工业排放物使空气中的二氧化硫、氮氧化物、臭氧、悬浮颗粒物、可吸入颗粒物等成分大量增加，这些成分不但危害人体健康，也对湿度计量带来了不良影响。应是由被测气体中的水溶性物质造成的，引起提前结露，使得测量结果呈正偏差。当污染物为不溶于水的微粒，例如粉尘等，则会增加镜面本底散射水平，从而产生零点漂移。

如图1，当一定体积的湿空气在恒定的总压力下被均匀降温时，在冷却的过程中，水的饱和水汽压随空气温度的下降而逐渐减小，空气中的水汽压越来越接近于低温时水的饱和水汽压。当下降到某一临界温度时二者相等，空气中的水汽开始液化而凝结为液相，此时的临界温度称为露点温度。在实践中我们发现，往往在达到真正露点温度之前有早期冷凝的现象。这主要和拉乌尔效应有关。

1 空气中杂质对各类湿度计量器具的影响

湿度计量中使用的计量器具主要有露点仪、毛发湿度计、干湿球湿度计、湿度传感器等。其中冷镜式露点仪和通风干湿表用来作为标准器，而玻璃水银温度计干湿表、毛发湿度计、湿度传感器是作为工作用湿度计量器具使用。

1.1 空气杂质对露点仪的影响

冷镜式露点仪作为露点仪的代表，在溯源或量值传递中扮演着重要的角色，在湿度国家标准比对时作为传递标准。

在露点测量中，镜面污染是造成测量误差的主要原因。当杂质污染镜面时，产生两方面的影响:一是拉乌尔效应;二是改变镜面本底散射水平。拉乌尔效

图1 露点仪原理图

拉乌尔效应，指镜面上存在水溶性物质时，体系的平衡水汽压低于纯水时的饱和水汽压。由于水分子是极性分子，因此水是一种极性溶剂，它能溶解某些带有极性的分子型物质和许多带电荷的离子型物质。水溶性物质不可避免地或多或少存在于镜面和被测气体中，气体中的杂质还与镜面上的不溶于水的物质发生化学反应或光化学反应，转化为可溶性物质。这种情况在工业流程气体的测量中更为明显。

根据拉乌尔定律，溶液平衡水汽压的降低与溶液浓度成正比，即

Δe=ewX

式中:X 为溶质的摩尔分数;Δe 为溶液平衡水汽压的降低值;ew纯水平面的饱和水汽压。

由水的蒸发过程原理和露点的产生原理可知，当蒸发速度等于凝结速度时，体系达到动态平衡，此时，露层和气体中的水蒸汽达到两相平衡，即单位时间内从液相蒸发到气相的分子数等于从气相凝结到液相的分子数。当杂质转化为水溶性物质污染镜面时，其表面不均匀地被溶质的粒子占据，所以单位时间从镜面上的溶液中蒸发出的分子数则比纯水中蒸发出的分子数要少，此种情况下若达到两相平衡，镜面上溶液的蒸汽压低于纯水的蒸汽压，这就解释了为什么在达到被测气体的露点温度之前为什么有早期冷凝现象发生［1］。

在作为计量标准使用时，实验室环境好，空气杂质对其影响不大。在制药、石化、钢铁等其他行业，露点测量通常是在高温和有挥发性化学物质蒸汽等条件下进行。为了消除杂质污染的影响，最有效的方法是对被测气体进行过滤，同时根据具体情况定期或随时清洗镜面。通常采用的方法是在每次测量前对镜面进行加热，并通气吹除污染物，在污染比较明显的情况下也可以通过多次重复结露和消露过程来实现。露点仪一般都带有污染自动报警系统。

1.2 空气杂质对毛发湿度计的影响

1882年，斯列兹尼夫斯基提出微孔感湿理论，从毛发微孔结构阐明了毛发的工作原理。从显微镜下看，毛发表面有许多微孔，这些微孔充满空气、水和色素。这些充满空气或水的微孔对毛发的吸湿特性起着主要作用。没有充满色素的孔，在毛发的吸湿特性中作用最大。在除去外面的油脂后，这些孔便与外面的空气相通。当空气中的水汽未达到饱和状态时，微孔吸附空气中的水汽并使之凝结。由于表面张力的作用，孔中的水形成一个弯月面。当空气中的水汽达到饱和时，微孔中的水的弯月面就变成平面，即曲率半径趋于无穷大。液体表面上的饱和水汽压随着液面的曲率而变化，任何引起曲率改变的因素，如空气湿度的变化，都将引起微孔弹性壁的形变。

由毛发的感湿原理可知，毛发中的微孔保持畅通对其感湿特性起关键作用。因此毛发湿度计使用的毛发一定要进行脱脂处理。当空气中含有不溶于水的杂质时，例如灰尘、油脂等，日积月累在毛发上沉积，堵塞毛发中的微孔，影响了毛发原有的感湿特性，使其灵敏度下降，从而产生较大的示值误差。受污染的毛发一般会出现低湿段示值偏高、高湿段示值偏低的情况。高湿时受污染的微孔不能充分吸附水汽，导致示值偏低。而低湿时微孔中吸附的水汽不能充分蒸发，导致示值偏高。对于受杂质污染的毛发，根据笔者从事湿度计量多年经验，通过清洗毛发可恢复毛发的感湿特性，如表1。

表1 2005 ～2012年毛发湿度计初次检定与清洗后再次检定情况

清洗后的毛发湿度计，需重新进行零位调整。调整过程一般在湿度计的检定过程中进行。

1.3 空气杂质对干湿球湿度计的影响

干湿球湿度计由两支规格完全相同的温度计组成，一支称为干球温度计，测量环境温度。另一支称为湿球温度计，其温泡包有保持浸透蒸馏水的脱脂纱布，通过上水芯子与盛有纯水的容器相连。当湿球周围空气未达到饱和状态时，湿球纱套上的水分不断蒸发。由于消耗蒸发潜热(Q1)使湿球温度下降低于空气温度，周围空气以对流方式向湿球输送热量(Q2)，当Q1=Q2 时，达到平衡，湿球温度维持稳定不再下降。空气的湿度与干球温度和湿球温度之间呈一定的函数关系。

由此可见，干湿球湿度计的稳定湿球温度是对流换热、辐射传热与蒸发吸热之间建立热平衡的结果，而包裹在湿球外部的纱布套从很大程度上影响着湿球的水分蒸发，这种影响往往都是由于空气中的灰尘、可溶性盐类等污染物附着在湿球纱布套上使其变质造成的。另外，在安装纱布套时，人手接触纱布套所形成的油脂膜也会影响水分的蒸发。

在湿球理论中，都是假设纱布上水套为平面形状，而且其周围表面的水汽压与湿球温度下纯水的饱和水汽压相同，此时有如下关系:

式中:t 为干球温度;tw为湿球温度;A 为干湿表系数;P 为大气压;e 为空气的水汽压;etw为湿球温度tw所对应的纯水平液面的饱和水汽压，当湿球结冰时，即为纯水平冰面的饱和水汽压。

当湿球外纱布套被可溶性盐类所污染时，由于拉乌尔效应，纱布套表面上的饱和水汽压力就不再是纯水的平衡水汽压etw了，而是稀释盐溶液的平衡水汽压ec，干湿球公式变为

这时，ec代替etw，t'w为新的湿球温度。在大多数情况下，可溶性盐类的饱和水汽压的数值随着溶液浓度的增加而减小，干湿差因此相应的变小，由干湿球方程计算的e 值将明显增大。因空气中的可溶性盐类因地点变化而异，干湿差随每种盐类的浓度的变化而变化。即使被微量的盐所污染，亦会造成干湿差的明显改变，而且随着浓度的增加，误差将急剧增大。在ec＜e 的特殊情况下，t-t'w是负值，这时会出现湿球温度高于干球温度的反常现象［2］。

因此，纱布套的洁净程度对干湿球测量有很大影响。在使用干湿球湿度计测量环境湿度时，要注意定期更换干净纱布套。

1.4 空气杂质对湿度传感器的影响

湿度传感器是目前使用最广泛的湿度计量器具。与传统的机械式湿度计相比，湿度传感器具有测量范围宽、准确度高、长期稳定性好、响应速度快等优点。

湿度传感器是由湿敏电容、湿敏电阻或湿敏谐振器等湿敏元件及其变化电路组成的，能直接显示相对湿度的湿度计，或者能输出电压、电流、频率等数字量可测信号的传感器［3］。

湿度传感器的种类大体上可分为三大类:电解质湿度传感器、陶瓷湿度传感器、和高分子湿度传感器。

根据电学结构，高分子湿度传感器分为电阻式高分子湿度传感器和电容式高分子湿度传感器。电阻式湿度传感器的湿敏元件为湿敏电阻。湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸汽吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。在极高极湿的湿度环境下，电阻式湿度传感器并不适用。

空气中的某些小分子杂质，如碳水化合物，会缓慢渗透入湿敏材料内部，产生长期漂移。而当杂质为气态化学污染物并达一定浓度时，如表2所示，会在短时间内破坏感湿膜，损坏湿度传感器。

制药行业经常使用过氧化氢即双氧水进行日常环境消毒，湿度传感器的探头在安装时是暴露在环境空气中的，因此，双氧水的喷雾会通过过滤器渗入感湿膜。双氧水是一种强氧化剂，会损害湿度传感器的感湿膜，甚至腐蚀湿敏元件的金属引线，在高倍显微镜下观察，破坏后的感湿膜与正常感湿膜颜色有所不同。

表2 对湿度传感器有影响的污染物最大恒定浓度

为保护其湿敏层，在湿敏元件外面加上过滤器，或在湿敏元件上覆盖一层保护膜，可以防止或减轻灰尘、烟雾、油类以及有害气体对元件性能的不利影响。但是这种外部结构将会影响气流速度，从而影响元件的加热功率，与环境的热交换性质、响应速度等。有些用户在使用时，为单方面追求测量速度，往往把过滤器去除，以求得最快响应，这样很容易损坏湿度传感器。当风速大于3 m/s 时，一定要使用过滤器。过滤器滤芯有不同材质，如丝网、烧结钢、特氟隆等，孔径尺寸有5，10，20 μm 和20 ～25 μm 等不同规格。在测量环境中含有气态污染物的情况下，必须视具体应用情况选择适当的过滤器。在恶劣的环境下，必须频繁检查和更换过滤器。如果过滤器脏了，则会造成传感器与周围环境气体交换不足，进而导致在传感器周围出现一个独立于周围大环境湿度条件的小环境。因此，过滤器应视使用情况而定期清洗和更换。

2 小结

湿度计量器具平时应在干燥和清洁的环境中保存。如果在有灰尘、烟雾、油脂、可溶性盐类、有机物蒸汽等空气污染严重的环境中使用及测量工业流程气体时，会在一定程度上影响湿度计量器具的工作性能，大大降低计量器具的使用寿命。目前，湿度计量器具的检定校准周期都为一年，实际检定中我们发现，有相当一部分湿度计量器具在未到检定周期时已经出现示值超差的现象。这与湿度计量器具受空气中杂质污染有一定关系。我们在日常使用中注意定期维护、清洁清洗、在测量工业流程气体时，对被测气体进行过滤，可以减轻或消除污染对计量器具的影响。

［1］马延平，陈振林，蒋志忠，等.影响冷镜式露点仪测量准确度因素分析及解决方法研究［J］.仪表技术与传感器，2006(6):17-18.

［2］李英干，范金鹏.湿度测量［M］.北京:气象出版社，1990.

［3］中国计量科学研究院.湿度传感器校准规范［S］.北京:中国计量出版社，2001.