VAISALA电容式湿度传感器测定二氧化碳气体中微量水分的研究

于　洋，刘键夫，单晓萍，宋庆明，赵　敏

(中昊光明化工研究设计院有限公司 大连光明化学工业气体质量监测中心有限公司，辽宁 大连 116031)



VAISALA电容式湿度传感器测定二氧化碳气体中微量水分的研究

于洋，刘键夫，单晓萍，宋庆明，赵敏

(中昊光明化工研究设计院有限公司 大连光明化学工业气体质量监测中心有限公司，辽宁 大连 116031)

摘要:以自制标准水发生器发生的湿气为测试样品，利用不同的测试样品对两种不同型号的VAISALA电容式湿度传感器进行大量实验。结果表明：正常环境条件下，两种传感器稳定性良好，其输出信号的响应值与水分含量(露点)在特定区间内呈一定的线性关系；VAISALA DRYCAP DMT 152与242两种类型传感器可以分别对露点-80℃和露点-67℃的水分含量给出稳定准确的响应值，前者的检测限要低于后者且适合露点低于-60℃的二氧化碳产品气的测量；使用VAISALA DRYCAP传感器可以满足二氧化碳中微量水分的测定，但需要水标准气体对其进行定期校准。

关键词:湿度传感器；响应值；露点；检测限；二氧化碳

气体产品被广泛应用到各个领域，是一种不可缺少的动力资源，也是现代化工业生产的基础，同时也被称为工业的“血液”[1-2]。在气体产品生产过程中，由于受到制备工艺的限制，使水分自然的成为气体中微量杂质，其水分含量多少对气体产品质量、生产安全等方面有极其重要的影响[3]。

各种气体产品中微量水分的测定方法和相应的分析设备已得到广泛应用，已形成标准的分析方法为：电解法、露点法、光腔衰荡光谱法、电子分析法。其中电子分析法中，以电容式湿度传感器为元件的测试仪，因操作简便、连续运行等优势，使其成为工业上应用最广泛的微量水分分析设备[4]。

本文研究的目的是以VAISALA电容式湿度传感器测量二氧化碳气体中微量水分时，表现出其测定的准确度、稳定性、检出限，以此确定该类传感器在二氧化碳产品的质量控制过程中的普遍适用性。

1电容式湿度传感器工作原理

电容式湿度传感器主要包括由传导材料制成的上部电极、高分子活性聚合物薄膜、传导材料和玻璃基底构成下部电极。水蒸气穿过上部电极而被活性聚合物薄膜吸收，水蒸气的吸收量由相对环境湿度决定，薄膜因吸收水蒸气而使其介电常数发生变化，进而引起传感器电容值的改变，测得电容的改变量就可得出相对湿度值[5]。

2实验材料与流程

2.1实验材料

实验仪器具体包括：电容式湿度传感器(VAISALA DRYCAP DMT152、DMT242)、湿度信号跟随记录仪(色谱工作站)、S4000型号精密露点仪(英国米切尔生产)、“零点”气(将高纯液氮气化或将高纯氮气通过5A分子筛干燥获得)、水含量为0～100×10-6系列的标准二氧化碳气体(由自主研发的ZHM-01型转化法标准水发生器制备)，其中S4000型号精密露点仪的最大允许误差如表1所示。

表1　精密露点仪的要求

2.2实验流程

根据JJG 499—2004《精密露点仪》检定规程[6]，以标准水发生器发生不同的湿气为测试样品，

标准湿度计为参考计量基准，分别将“零点”气、二氧化碳系列水标准气体以恒定流量通过电容传感器，同时使用湿度信号跟随记录仪记录“零点”气及系列标准气体各浓度点的响应值。

3结果与讨论

3.1零点气和标准气的记录谱图

将零点气与二氧化碳系列水标准气分别通过VAISALA DRYCAP DMT152、DMT242传感器，湿度信号跟随记录仪获得的谱图如图1、图2所示。

图1　DMT152谱图

图2　DMT242谱图

图1和图2(短期噪声均取平均值)毫伏数所对应的露点和水含量(由S4000型号精密露点仪)如表2所示。

表2　不同露点对应的响应值

结合图1、图2、表2可以看出在相应的时间段内，前者较后者更成平稳的直线,噪声也远小于后者，相应的检出限要低于后者，表明DMT152传感器的性能优于后者。当二氧化碳气体的露点为-80℃(水含量0.5×10-6)时，DMT152能够给出相应的准确、稳定的响应值，其分辨率小于0.5×10-6。当二氧化碳气体的露点为-67℃(水含量4.0×10-6)时，DMT242也可以给出相对的响应值，其分辨率大于2×10-6，对于DMT242传感器在-67℃时其信噪比为2.9，在-74℃时其信噪比为0.42，随着露点变低,其噪声相应变大。因此可以判断出该传感器适合露点高于-67℃(水含量4.0×10-6)的二氧化碳气体测量。对于工业二氧化碳气体、食品添加剂液体二氧化碳等无特殊说明时，DMT242传感器可以满足一般气体水分含量的测量。

3.2响应值与水分含量关系

利用表2中的数据可以获得两种湿度传感器的响应值分别与水含量、露点之间的关系曲线，如图3、图4所示。

图3　响应值与水分含量的关系

图4　响应值与露点的关系

由图3、4可以判断出传感器DMT152在气体露点低于-60℃时，其测量值更接近线性。传感器DMT242在气体露点高于-67℃时，其测量值呈一定线性。两种传感器的响应值与露点、水分在整个区间内(尤其两个极端点)不是呈完全的线性关系，因此需要定期对其在各自适宜的露点范围内进行多点、分段校准，提高其线性相关系数。

3.3DMT242传感器的稳定性与重复性

在正常环境条件下，将各浓度二氧化碳水标准气进行如下切换并通入到DMT242传感器获得谱图如图5所示。

图5　不同水标气之间的切换

图5中的a、b、c、d可以看出由低浓度到高浓度达到稳定时，所需要的响应速度要快于其相反过程(测量时要求由低露点逐渐过渡到高露点)，a与c反映出测量露点时，至少待值稳定3 min后才能读数，也反映出DMT242传感器具有良好的时间稳定性。其次由a与b、c与d可以看出，无论怎样切换，0.5×10-6、40×10-6所对应的毫伏数前后相差不大，表明该传感器具有一定重复性。

3.4二氧化碳气体样品实测

使用GB/T 5832.2—2008《气体中微量水分的测定 第二部分 露点法》与本传感器法对二氧化碳样品进行测量，对比结果见表3。由表3可以知道采用传感器法测量结果与露点法相差不大，并且检测水含量的下限要小于露点法。表明采用湿度传感器可以满足对二氧化碳气体进行露点测量。

表3　测量结果对比

4结论

1. DMT152传感器的各露点对应的噪声信号远小于DMT242传感器,其前者的性能优于后者，两者传感器具有一定的稳定性和重复性；

2. DMT152传感器适合检测露点低于-60℃的气体，对于露点为-80℃的二氧化碳给出稳定、准确的响应值；

3. DMT242传感器适合检测露点高于-67℃的气体，该传感器的噪声随露点温度降低而升高，对于工业二氧化碳气体、食品添加剂液体二氧化碳等无特殊说明时，DMT242传感器可以满足一般气体水分含量的测量；

4. 两种传感器的响应值与露点、水分在整个区间内(尤其两个极端点)不是呈完全的线性关系，需要定期在各自的露点范围内进行分段、多点校准，提高其线性相关系数；

5. 使用两种传感器对二氧化碳产品露点测量与国标露点法测量结果相差不大，满足测量要求。

参考文献：

[1] 丛继信. 便携式湿度发生器研制[J]. 化学分析计量, 2007, 16(4): 61-63.

[2] 易洪. 湿度测量的新进展[J]. 计测技术, 2008, 28(s1): 1-3.

[3] 骆如枋，陆玉萍. Al2O3湿度传感器露点仪及其应用[J]. 电子与仪表, 1995(1): 30-32.

[4] 张文东. 湿度计量技术的发展[J]. 上海计量测试, 2011(1): 3-6.

[5] 李英干，范金鹏. 湿度测量[M]. 北京：气象出版社, 1990.

[6] JJG 499—2004精密露点仪检定规程[S].

于洋(1986)，男，大连工业大学硕士研究生。现于大连光明化学工业气体质量监测中心有限公司从事气体分析工作。

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

作者简介：

doi:10.3969/j.issn.1007-7804.2016.02.012

中图分类号：TQ117

文献标志码：A

文章编号：1007-7804(2016)02-0042-04

收稿日期：2016-02-16