露點儀:測露點濕度的儀器-中文百科頻道

簡介

在冬天，我們會看到一種常見現象，由于室外溫度較低，室内較濕熱的空氣會在窗玻璃上結露，使窗玻璃模糊一片。假如我們再仔細觀測并研究下去，如果在室内開啟除濕器，把室内的濕氣逐步去除，那麼盡管室外還是同樣的溫度，而我們會發現窗玻璃上的露水會慢慢消去，窗玻璃重又露出透明光潔的本質。假如這時室外溫度下降了，那麼溫度降到一定程度時，盡管除濕器已使室内空氣十分幹燥，但在窗玻璃上仍會出現模糊的露層。

這一現象說明，玻璃上的結露溫度與玻璃所在的環境氣氛的含水量有關，進一步研究發現，這關系是一一對應關系，即每一個結露溫度（我們稱之為露點溫度）對應環境氣氛的一個含水量值。露點可以簡單地理解為使氣體中水蒸汽含量達到飽和狀态的溫度，是表示氣體絕對濕度的方式之一；由此可見，露點溫度是度量氣體水份含量的一種單位制。露點分析儀就是基于這種單位制而測量氣體中絕對水份含量的儀器。綜上所述，露點儀測量的對象離不開氣體，而相應的氣體不外乎三個用途：動力氣體、介質氣體和環境氣體。

動力氣體作為一種動力源，供給氣動儀表和氣動設備，廣泛應用于工業領域和有特殊防爆要求的工業現場。

介質氣體作為一種工藝介質，或參與工藝反應，或作為保護性氣體，或作為标準氣體，廣泛地應用于現代工業中相應的生産過程。

環境氣體作為一種工藝環境，廣泛地應用民用工業和軍事工業的相關工藝環境中。

露點儀為了要得到高質量的産品或設備正常地運行，許多行業諸如石化、電力、電子、航空航天、冶金、紡織等對濕度測量的要求越來越高，因而，濕度測量已逐漸成為一個新興的技術領域，在86年我國正式成立了濕度與水分專業委員會，并開展了多次學術交流會，濕度的一些計量檢定規程也逐步建立。根據有關規程，濕度被定義為氣體中的水蒸氣含量，常用單位有：克/升，PPM，mmHg，露點及相對濕度等。習慣上以露點-20℃為界把所測氣體分為高濕度氣體與低濕度氣體（即微量水），這裡重點介紹低濕度氣體的測量。

濕度測量

鏡面式

不同水份含量的氣體在不同溫度下的鏡面上會結露。采用光電檢測技術，檢測出露層并測量結露時的溫度，直接顯示露點。鏡面制冷的方法有：半導體制冷、液氮制冷和高壓空氣制冷。鏡面式露點儀采用的是直接測量方法，在保證檢露準确、鏡面制冷高效率和精密測量結露溫度前提下，該種露點儀可作為标準露點儀使用。目前國際上最高精度達到±0.1℃(露點溫度)，一般精度可達到±0.5℃以内電傳感器式露點儀。

采用親水性材料或憎水性材料作為介質，構成電容或電阻，在含水份的氣體流經後，介電常數或電導率發生相應變化，測出當時的電容值或電阻值，就能知道當時的氣體水份含量。建立在露點單位制上設計的該類傳感器，構成了電傳感器式露點分析儀。目前國際上最高精度達到±1.0℃(露點溫度)，一般精度可達到±3℃以内。

電解法露點儀

利用五氧化二磷等材料吸濕後分解成極性分子，從而在電極上積累電荷的特性，設計出建立在絕對含濕量單位制上的電解法微水份儀。

晶體振蕩式露點儀

利用晶體沾濕後振蕩頻率改變的特性，可以設計晶體振蕩式露點儀。這是一項較新的技術，尚處于不十分成熟的階段。國外有相關産品，但精度較差且成本很高。

紅外露點儀

紅外露點儀利用氣體中的水份對紅外光譜吸收的特性，可以設計紅外式露點儀。該儀器很難測到低，主要是紅外探測器的峰值探測率還不能達到微量水吸收的量級，還有氣體中其他成份含量對紅外光譜吸收的幹擾。但這是一項很新的技術，對于環境氣體水份含量的非接觸式在線監測具有重要的意義。

半導體傳感器

每個水分子都具有其自然振動頻率，當它進入半導體晶格的空隙時，就和受到充電激勵的晶格産生共振，其共振頻率與水的摩爾數成正比。水分子的共振能使半導體結放出自由電子，從而使晶格的導電率增大，阻抗減小。利用這一特性設計的半導體露點儀可測到-100℃露點的微量水份。

重量法

是一種經典的測量方法。讓所測樣氣流經某一幹燥劑，其所含水分被幹燥劑吸收，精确稱取幹燥劑吸收的水分含量，與樣氣體積之比即為樣氣的濕度。該方法的優點是精度高，最大允許誤差可達0.1%；缺點是具體操作比較困難，尤其是必須得到足夠量的吸收水質量（一般不小于0.6克），這對于低濕度氣體尤其困難，必須加大樣氣流量，結果會導緻測量時間和誤差增大（測得的濕度不是瞬時值）。因而該方法隻适合于測量露點-32℃以上的氣體，可以說市場上純粹利用該方法測濕度的儀器較少。由以上分析可知，重量法的關鍵是怎樣精确測量幹燥劑吸收的水分含量，因為直接測量比較困難，由此衍生了兩種間接測量吸收水含量的方法。

電解法

就是将幹燥劑吸收的水分經電解池電解成氫氣和氧氣排出，電解電流的大小與水分含量成正比，通過檢測該電流即可測得樣氣的濕度。該方法彌補了重量法的缺點，測量量程可達-80℃以下，且精度較好，價格便宜；缺點是電解池氣路需要在使用前幹燥很長時間，且對氣體的腐蝕性及清潔性要求較高。采用該方法的儀器較多，典型的是美國Edgetech 公司的1-C型微水儀和杜邦公司的M303及國産的USI系列産品。

振動頻率法

就是将重量法中的幹燥劑換用一種吸濕性的石英晶體，根據該晶體吸收水分質量不同時振動頻率不同的特點，讓樣氣和标準幹燥氣流經該晶體，因而産生不同的振動頻率差△f1和△f2，計算兩頻率之差即可得到樣氣的濕度。該方法具有電解法一樣的優點，且使用前勿須幹燥。典型代表儀器是英國Michell的QMA系列、美國AMETEK公司的560B。

冷鏡法

也是一種經典的測量方法。讓樣氣流經露點冷鏡室的冷凝鏡，通過等壓制冷，使得樣氣達到飽和結露狀态（冷凝鏡上有液滴析出），測量冷凝鏡此時的溫度即是樣氣的露點。該方法的主要優點是精度高，尤其在采用半導體制冷和光電檢測技術後，不确定度甚至可達0.1℃；缺點是響應速度較慢，尤其在露點-60℃以下，平衡時間甚至達幾個小時，而且此方法對樣氣的清潔性和腐蝕性要求也較高，否則會影響光電檢測效果或産生‘僞結露’造成測量誤差。該方法的典型廠家代表是及英國Michell公司,美國General Eastern公司及瑞士MBW公司等。

阻容法

是一種不斷完善的濕度測量方法。利用一個高純鋁棒，表面氧化成一層超薄的氧化鋁薄膜，其外鍍一層多空的網狀金膜，金膜與鋁棒之間形成電容，由于氧化鋁薄膜的吸水特性，導緻電容值随樣氣水分的多少而改變，測量該電容值即可得到樣氣的濕度。該方法的主要優點是測量量程可更低，甚至達-100℃，另一突出優點是響應速度非常快，從幹到濕響應一分鐘可達90%，因而多用于現場和快速測量場合；缺點是精度較差，不确定度多為±2～3℃。

老化和漂移嚴重，使用3~6個月必須校準。該方法的典型廠家代表為英國Alpha濕度儀器公司，愛爾蘭的PANAMETRICS公司及美國的XENTAUR公司。但随着各廠家的不斷努力，該方法正在逐漸得到完善，例如，通過改變材料和提高工藝使得傳感器穩定度大大提高，通過對傳感器響應曲線的補償作到了飽和線性，解決了自動校準問題。代表産品為英國Michell的Easidew系列，采用陶瓷基底的氧化鋁電容及C2TX微處理器。

選擇儀器

露點儀（濕度儀器）測量的方法可謂五花八門，其性能與價格也相差懸殊，這就要求我們選用儀器時要謹慎小心，不但要考慮到性能和價格，還應該考慮到儀器使用的場合和所測氣體的種類及腐蝕性等。總體原則如下：

1）國家級濕度基準：考慮到要求測量準确度高，樣氣理想，一般應選用冷鏡式露點儀，國産的如武漢瑞恒工控的RHD-200,進口的如美國Edgetech公司1500，美國GE公司的M3，英國Michell的S4000TRS，或瑞士MBW公司DP30等露點儀，用戶應根據實際量程和精度選用合适的産品。

2）企業基準或實驗室分析：如果測量準确度要求較高，可選用冷鏡法儀器，如，美國Edgetech公司的RH-CAL和1500（性價比很高）；英國Michell公司的S4000系列産品或瑞士MBW公司的DP19；如果量程要求較低（露點-80℃以下）且氣體較清潔，可選用電解法儀器，如美國Edgetech公司的1-C，杜邦公司的M303。

3）現場檢測：如果測量準确度要求較高，可選用冷鏡法儀器（同上）；如果要求測量速度快或氣體污染較重，最好選用阻容法儀器，如美國菲美特公司的DPT500/600便攜式露點儀；英國Michell的MDM300便攜表、英國Systech、英國Alpha濕度儀器公司的SADPmini手持式露點儀或美國XENTAUR公司的XPDM等。

4）連續在線監測：如果精度要求不太高，可選用阻容法儀器，如美國菲美特公司的DPT810系列；英國Michell的Easidew系列、英國Systech、英國Alpha濕度儀器公司的DS-1000在線露點儀或新型的DS-2000在線露點儀，以及美國XENTAUR公司的XDT型，它們共同具有價格低且安裝調試方便的特點；如果精度要求較高，可選用美國AMETEK公司的560B或冷鏡式儀表。如果需要精度高且貼近中國市場價格需求的有原中科院上海冶金所的LJ系列露點儀，系我國唯一掌握核心部件氧化鋁阻容探頭技術的機構。

5）天然氣防爆測量：在石化和天然氣行業，我們都要求防爆處理，所以需要有特定本安防爆的露點儀，比如美國菲美特公司的DPT900及DPT910（天然氣在線分析系統）；GE的PM8800系列露點儀、Michell的DM系列等等，他們都是針對石化天然氣的解決方案。

6）氣體空分行業露點測量：我們知道空分行業，一般要求水分含量很低，露點在-70℃以下（1ppm級别），原理上來說冷鏡式露點儀、電解法露點儀、薄膜露點儀都沒法對低于-80℃的氣體進行測量，所以還是選擇電容法原理的露點儀比較合适，目前做的比較好的如美國菲美特的DPT500/600系列露點儀（納米技術）、Michell的DM系列露點儀，其他如SHAW和國産品牌的在低濕度環境下面就不太适用了。

微水儀

英國SYSTECH公司 SYSTECH-ILLINOIS INSTRUMENTS

MM400 阻容法 -80～0℃ ±3℃ 價格适中現場測量

MM300 電解法 -100~20℃ 價格适中在線測試

英國MICHELL公司

Easidew 陶瓷基底阻容法-100～+20℃ ±2℃ 價格适低方便快速實驗室或現場苯胺防爆

EPR-IS 同上價格适中方便快速實驗室或現場本安防爆

MDM300 同上價格适中方便快速實驗室或現場

Optidew Vision 冷鏡法 -24～+90℃ 價格适中相對濕度标準标準計量

S4000 TRS 冷鏡法 - 100～+20℃ 價格高低露點标準标準計量

QMA2030 晶體振蕩技術 0.5～1000ppm（V）顯示，價格适中，實驗室分析等

美國MEECO公司

AQUAVOLT露點儀

Waterboy 2 便攜式濕度分析儀

日本神榮鏡面冷卻式Dew Star系列露點儀 -35～+50℃ ±0.2℃ 價格較高标準計量

MBW公司DP19露點儀

美國GE公司

M3，M4 冷鏡法 -80～+80℃ ±0.15℃ 價格高标準計量

美國Edgetech公司

M300 冷鏡法 -75～+75℃ 0.15℃ 價格高标準計量

2000系列 -50～+80℃ 價格高實驗室或現場

V-系列 -50～+80℃ 價格較高在線測量

1-C 電解法 0～500ppm ±5% 價格較高實驗室或現場

瑞士MBW公司

DP19 冷鏡法 -60～+20℃ ±0.2℃ 價格昂貴實驗室或現場

DP30 -100～+20℃ ±0.1℃ 價格昂貴标準計量

美國杜邦公司

M303 電解法 0～1000ppm ±5% 價格較高實驗室或現場

美國AMTEK公司

560B 振動頻率法 0～1000ppm ±5% 價格較高在線測量

愛爾蘭PANAMETRICS

美國Xautaur公司

XPDM 阻容法 -100～+20℃ ±3℃ 價格較高現場或實驗室CDT 在線測量

測量注意

鏡面污染對露點測量的影響

在露點測量中，鏡面污染是一個突出的問題，其影響主要表現在兩個方面；一是拉烏爾效應，二是改變鏡面本底放射水平。拉烏爾效應是由水溶性物質造成的。如果被測氣體中攜帶這種物質(一般是可溶性鹽類)則鏡面提前結露，使測量結果産生正偏差。若污染物是不溶于水的微粒，如灰塵等，則會增加本底的散射水平，從而使光電露點儀發生零點漂移。此外，一些沸點比水低的容易冷凝的物質(例如有機物)的蒸氣，不言而喻将對露點的測量産生幹擾。因此，無論任何一種類型的露點儀都應防止污染鏡面。一般說來，工業流程氣體分析污染的影響是比較嚴重的。但即使是在純氣的測量中鏡面的污染亦會随時間增加而積累。

測量條件的選擇

在露點儀的設計中要着重考慮直接影響結露過程熱質交換的各種因素，這個原則同樣适用于自動化程度不太高的露點儀器操作條件的選擇。這裡主要讨論鏡面降溫速度和樣氣流速問題。

1.被測氣體的溫度通常都是室溫。因此當氣流通過露點室時必然要影響體系的傳熱和傳質過程。當其它條件固定時，加大流速将有利于氣流和鏡面之間的傳質。特别是在進行低霜點測量時，流速應适當提高，以加快露層形成速度，但是流速不能太大，否則會造成過熱問題。這對制冷功率比較小的熱電制冷露點儀尤為明顯。流速太大還會導緻露點室壓力降低而流速的改變又将影響體系的熱平衡。所以在露點測量中選擇适當的流速是必要的，流速的選擇應視制冷方法和露點室的結構而定。一般的流速範圍在0.4~0.7L﹒min-1之間。為了減小傳熱的影響，可考慮在被測氣體進入露點室之前進行預冷處理。

2.在露點測量中鏡面降溫速度的控制是一個重要問題，對于自動光電露點儀是由設計決定的，而對于手控制冷量的露點儀則是操作中的問題。因為冷源的冷卻點、測溫點和鏡面間的熱傳導有一個過程并存在一定的溫度梯度。所以熱慣性将影響結露(霜)的過程和速度，給測量結果帶來誤差。這種情況又随使用的測溫元件不同而異，例如由于結構關系，鉑電阻感溫元件的測量點與鏡面之間的溫度梯度比較大，熱傳導速度也比較慢，從而使測溫和結露不能同步進行。而且導緻露層的厚度無法控制。這對目視檢露來說将産生負誤差。

3.另一個問題是降溫速度太快可能造成“過冷”。我們知道，在一定條件下，水汽達到飽和狀态時，液相仍然不出現，或者水在零度以下時仍不結冰，這種現象稱為過飽和或“過冷”。對于結露 (或霜)過程來說，這種現象往往是由于被測氣體和鏡面非常幹淨，乃至缺少足夠數量的凝結核心而引起的。Suomi在實驗中發現，如果一個高度抛光的鏡面并且其幹淨程度合乎化學要求，則露的形成溫度要比真實的露點溫度低幾度。過冷現象是短暫的，共時間長短和露點或霜點溫度有關。這種現象可以通過顯微鏡觀察出來。解決的辦法之一是重複加熱和冷卻鏡面的操作，直到這種現象消除為止。另一個解決辦法是直接利用過冷水的水汽壓數據。并且這樣作恰恰與氣象系統低于零度時的相對濕度定義相吻合。