儀器測量原理

濕度測量儀器從原理上可分為冷鏡式、完全吸收電解式、Al2O3電容式、薄膜電容式、電阻式、干濕球、機械式。其中完全吸收電解式微水儀、Al2O3電容式露點儀一般用于低濕范圍的測量，而電阻式、干濕球、機械式濕度計只能用于相對濕度的測量，冷鏡式、薄膜電容式（Vaisala公司的**）濕度計則不僅能用于低濕的測量，還能用于中高濕，即相對濕度的測量。上述各種原理的儀器各有其優缺點。其中冷鏡式露點儀是*準確、*可靠、*基本的測量方法，被廣泛地用于標準傳遞，但其缺點是價格比較昂貴，并需要有經驗的人操作及保養。
1.1冷鏡式露點儀
1.1.1 測量原理
被測濕氣進入露點測量室時掠過冷鏡面，當鏡面溫度高于濕氣的露點溫度時，鏡面呈干燥狀態，此時光電檢露裝置中光源發出的光照在鏡面上，幾乎完全反射，由光電傳感器感應到并輸出光電信號，經控制回路比較、放大、驅動熱電泵，對鏡面致冷。當鏡面溫度降至濕氣露點溫度時，鏡面上開始結露（霜），光照在鏡面上出現漫反射，光電傳感器感應到的反射信號隨之減弱，此變化經控制回路比較、放大后調節熱電泵激勵，使其制冷功率適當減小，*后，鏡面溫度保持在樣氣露點溫度上。鏡面溫度由一緊貼在冷鏡面下方的鉑電阻溫度傳感器感應，并顯示在顯示窗上。
 
目前世界上生產冷鏡式露點儀的公司，例如美國的GE、Edgetech、瑞士的MBW等公司均是采用這一原理，英國的MICHELL則是采用雙光路檢測系統，即同時對反射光及散射光進行檢測，芬蘭Vaisala則是利用聲波作檢測系統。

在測量過程中，隨著溫度的降低，被測氣體中的水汽接近飽和狀態，由于引力作用，水分子吸附在鏡面上形成一層薄薄的水膜。這是形成露的**階段。當鏡面溫度繼續下降時，水膜的厚度逐漸增加，這是形成露的**階段。在這一階段內，自由表面對水分子的引力與水膜的表面張力之間的力量對比開始發生變化，后者的影響逐漸起支配作用。此時冷卻表面上的任何不穩定的因素，例如鏡面上的微小傷痕等，都會使水膜縮聚成液滴。隨著鏡面溫度的進一步下降，露滴開始出現，通過顯微鏡可以看到孤立生長而且分布不規則的露滴，然后露層以很快的速度在表面上擴散，此時可以認為液-汽平衡開始，即達到露點。
1.1.2 結構
1.1.2.1 鏡面

　　鏡面應憎水，具有良好的導熱性，還要耐磨、耐腐蝕，光學性能好。在過去曾使用金做鏡面，目前則主要使用銠做鏡面。
1.1.2.2 鏡面致冷

　　在過去曾使用過乙醚蒸發、機械致冷、液化氣體或干冰致冷、壓縮空氣致冷，目前*常用的則是熱電致冷或熱電與機械致冷相結合（露點低于-60℃）。在本文中著重介紹熱電致冷。

熱電致冷又稱半導體致冷，帕爾貼致冷（來自其英文名稱Peltier）。其原理是當有一股直流電通過由兩種不同的金屬組成的NP元件時，熱量會從一種金屬傳遞到另一種金屬，正好與熱電偶測溫相反。因此當將帕爾帖的冷端與鏡面相連，其另一端作為散熱端時，便可將鏡面致冷。為了獲得不同程度的低溫可采用多級疊加的辦法。由美國GE公司給出的資料顯示，一般說來，假如室溫為25℃時，**致冷時，冷熱端溫差可達55℃，二級致冷時冷熱端溫差可達75℃，四級致冷時冷熱端溫差可達105℃，五級致冷時冷熱端溫差可達120℃。不同公司的產品其致冷量也會有稍許的不同。熱端溫度越高，致冷效率越高，冷熱端溫差越大。為了降低冷端的溫度，通常會采用風冷、水冷及機械致冷來降低熱端的溫度。但也不是可以無限制地降低。需要注意的是其致冷能力并不能代表露點儀的測量范圍。露點儀的測量范圍的定義是鏡面上可以獲得穩定的，具有一定厚度的露或霜層時鏡面的溫度，因此在一般的露/霜點下，其測量范圍一般比其致冷能力高5℃，在低霜點的情況下，一般高10℃~12℃。例如瑞士MBW公司生產的DP19露點儀，當室溫為10℃時，其*低測量范圍為-60℃，當室溫為20℃時，其*低測量范圍為-55℃，當室溫為35℃時，其*低測量范圍為-45℃。由于氫氣及氦氣的熱導率較高，因此其測量范圍會縮小幾度。當被測氣體的壓力增大，其測量范圍也會縮小，對于空氣和氮氣來說，在高于常壓的情況下，每增加1個大氣壓，其測量范圍降低0.67℃左右。

1.1.2.3 測溫裝置

目前絕大部分采用四線制鉑電阻測溫。鉑電阻感溫元件在相當寬的溫度范圍內阻值　和溫度近于線性關系，精度高，穩定性好，輸出信號較強，便于數字顯示。

1.1.2.4 檢測系統

目前除芬蘭Vaisala公司*近研制生產的冷鏡式露點儀是采用聲波原理來測量外，其它均是采用光電檢測器來測量及控制。光電檢測技術已有幾十年的歷史，比較成熟，但其缺點是不能區分過冷水和霜。

1.1.3使用注意事項1.1.3.1過冷水與霜
在0~-20℃這一范圍內，鏡面上極易形成過冷水，由于冰面和水面上的飽和水汽壓不同，因此假如在鏡面上形成過冷水，測得的數值要低于霜點，溫度不同，差別也不同。例如霜點為-10℃時，對應的過冷水的溫度為-11.23℃。因此在這一溫度段要非常小心。若儀器配有內窺鏡，可通過內窺鏡進行觀察區分。目前大部分儀器都有test的功能，即測試其*低致冷能力，此時可先使用test功能，使鏡面溫度低于-20℃，確保鏡面上形成霜，然后再進行正式測量。

1.1.3.2 開爾文效應
曲面上的飽和水汽壓與平面上的情況是不同的。當露在金屬表面上形成時，由于表面張力的作用，使平衡水汽壓，即彎曲水面的飽和水汽壓升高，這種影響稱為開爾文效應。由于開爾文效應使得到的露點溫度低于真正的被測氣體的露點溫度。

1.1.3.2拉烏爾效應
是指鏡面上存在水溶性物質時，體系的平衡水汽壓低于純水時的飽和水汽壓。這些水溶性物質可能是鏡面上固有的，或者是被測氣體中含有的。根據拉烏爾定律，溶液平衡水汽壓的降低與溶液濃度成正比，這也是為什么在達到被測氣體的露點溫度之前會有早期冷凝現象發生的原因。

開爾文效應與拉烏爾效應作用剛好相反，因此會抵消一些。但是在露點測量中，拉烏爾效應的影響較開爾文效應更為顯著，因為水溶性物質不可避免地或多或少存在于鏡面和被測氣體中，而且氣體中的雜質有時還可能與鏡面上的不溶于水的物質發生化學反應或光化學反應，轉化為可溶性物質。這種情況在工業流程氣體的水分測量中更為明顯。因此要采用適當的過濾裝置除去氣體中的固體微粒，并且通過反復進行結露和消露的操作，進一步**鏡面上殘留的可溶性物質，這種方法為人們廣泛使用。

在實際工作中，我們常常會發現，鏡面上開始結露時并不是均勻的，露層總是首先在鏡面某個區域上出現，其原因往往是由于鏡面上的劃痕引起的，因為在這些有缺陷的地方，一方面殘留的物質不易**，另一方面缺陷的棱角起“露核”的作用，加速結露過程。因此，在露點儀的使用中，尤其是在清潔鏡面時，一定要小心，避免使鏡面受到機械損傷。

1.1.3.3 鏡面污染
一是拉烏爾效應，二是改變鏡面本底散射水平。拉烏爾效應主要是由水溶性物質造成的。如果被測氣體中這種物質（一般是可溶性鹽類），則鏡面提前結露，使測量結果產生正偏差。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。
1.1.3.4 取樣管路

由于大氣中的水含量都很高，并且水分子為極性分子，極易吸咐在管路內壁或透過管路。因此在測量時氣路系統一定要密封好，管壁厚度至少為1mm，以防止外界環境水分侵入引入滲漏。假如測量環境溫度變化較大時，應再次檢查管路的密封。

如果被測氣體直接排放入大氣，應考慮大氣中的水分向測量系統內部擴散的問題。*常用的辦法是在排氣口接上一段適當長度的管子，其長度和管徑以不影響測量腔的壓力為原則。

取樣管路要盡量短，盡可能減少接頭的數量和避免“死空間”，以減少本底水分的干擾。

取樣管路和測量腔內壁力求干凈，光潔度要好，選用憎水性強的材料。圖2-2是各種材料在飽和吸附狀態下通以干氣時的解吸－時間曲線。從實驗結果我們可以得到如下選材順序：不銹鋼、PTFE、銅、聚乙烯，*差的是尼龍和橡膠管，在低霜點測量中不應使用。另外在低霜點測量時，盡管使用內拋光的不銹鋼管，管子外徑一般為6mm或1/4英寸。

在進行高露點的測量時，一定要注意被測露點低于周圍環境溫度3℃以下，以避免水蒸氣在管路中出現冷凝。

露點儀測量濕度時，流量范圍一般為0.25L/min~1L/min。在這一范圍內，流速的改變不會影響測量結果。

取樣時一般可分為兩種情況，一種是帶壓取樣，此時根據取樣方式的不同，可分為帶壓測量和常壓測量。分別見圖2-3及圖2-4。另一種是在常壓下測量，即用泵抽取樣品。在這種情況下，經常會由于取樣方式的不同，而帶來人為的正壓和負壓，若按圖2-5所示的方式取樣，露點儀是在帶壓的情況下測量，會給測量結果帶來正誤差，若將泵與流量計調換位置，露點儀則是在負壓的狀態下，此時會給測量帶來負誤差。正確的取樣方式見圖2-6。

1.1.4 應用范圍
露點儀的測量范圍較廣，目前英國MICHELL及瑞士MBW公司開發的一系列露點儀的測量范圍已達到-95℃~70℃，可以滿足絕大多數的測量要求。

1.1.5 優缺點
優點：屬基本測量，測量準確，并且儀器比較穩定無漂移，目前準確度*高的儀器可達±0.1℃。

缺點：價格較高，對操作人員的要求較高，并需進行維護。對污染物敏感。在-20℃~0℃范圍內有時會有過冷水存在，因此要特別小心區分過冷水和霜。　
1.2 完全吸收電解法微量水份儀
1.2.1 測量原理
　　用連續取樣的方法，使氣樣流經一個特殊結構的電解池，其水分被作為吸濕劑的五氧化二磷層吸收，并被電解為氫氣和氧氣排出，而五氧化二磷得以再生。反應過程可表示為：
P2O5+H2O=2HPO3
2HPO3=H2+1/2O2+P2O5
合并(1)、(2)得
2H2O=2H2+O2
當吸收和電解達成平衡后，進入電解池的水分全部被五氧化二磷膜層吸收，并全部被電解。若已知環境溫度、環境壓力和氣樣流量，根據法拉第電解定律和氣體定律可推導出水的電解電流與氣樣含水量之間的關系為：
                                        　　　　　　　（公式14）
式中： -水的電解電流，μA；
-氣樣含水量，μL/L（即體積比）；
-氣樣流量，ml/min；
-環境壓力，Pa；
 
-環境的**溫度，k；
。
由上式可見，電解電流的大小正比于氣樣中的含水量，因此可通過測量水的電解電流來測量氣樣中的含水量。在標準大氣壓和20℃條件下，一理想氣體以100ml/min的流量流經電解池，當氣樣含水量為1μL/L（ppmv）時，由上式計算出電解電流為13.4μA。這類儀器一般以ppmv為單位，可直接讀取氣樣中水分含量的ppmv值。
由于鉑電極的催化作用，水的電解反應系一可逆過程，所以當被測氣樣為氫氣、氧氣或含有足量的氫氧時，平衡向左移動，已經電解生成的氫和氧中有一部分復合生成水，繼而又進行二次電解，使總的電解電流值偏高，此即“氫效應”和“氧效應”，或統稱“復合效應”。實驗表明，使用該儀器測定這一類氣樣的含水量時，讀數將偏高幾個至十幾個ppmv，但此偏差集中反應在本底值上，故可以扣除。
1.2.2 結構
    儀器由氣路系統和電路兩部分組成，氣路系統主要包括電解池和氣路控制部分。
1.2.2.1 電解池
在玻璃管內部，兩根鉑電極繞成雙螺旋形，極間均勻地涂敷五氧化二磷膜作為吸濕劑。在規定的測量條件下，這種內繞式結構可以保證對進入池內的水分全部吸收和電解。玻璃池壁利于五氧化二磷涂層均勻。由于鉑具有使生成的氫和氧，尤其是富氫的氣體再次發生反應生成水的作用，因此有些公司采用銠來代替鉑。
 
   對于干燥的五氧化二磷涂層，當通入“**干燥”的氣樣，并在電極上施加一適當的直流電壓時，電路中將產生一個不大的電流－本底值。本底值的大小僅與電解池結構、涂層狀況、溫度及氣樣種類等因素有關，而與氣樣含水量無關。由于本底值總是又能加在氣樣所含水分的電解電流上，故測定時應從儀器讀數中扣除本底值后方為介質的真實含水量。
1.2.2.2 氣路控制系統
    氣路系統由控制閥、電解池、流量調節閥和流量計、干燥器等部分組成。氣流路徑的控制由控制閥完成。

1.2.3 使用注意事項
    由公式12可知，測量結果，即氣體的濕度μL/L（ppmv）是根據氣體流量及電解電流計算得出來的，因此氣體的流量必須準確控制與測量。這類儀器一般使用浮子流量計，在20℃，1atm下，用空氣進行標定。假如使用時的條件不是標準條件，例如是在另外的溫度和壓力下，或被測氣體不是空氣，則需針對被測氣體進行重新標定，或根據校正因子進行校正。

1.2.4 應用范圍
測量范圍一般為從幾個μL/L （ppmv）到2000μL/L（ppmv），準確度一般為讀數的5%或滿量程的1%。可以用于多種惰性氣體，某些不與P2O5反應的有機及無機氣體。例如空氣、氮氣、氫氣、氧氣、氬氣、氦氣、氖氣、一氧化碳、二氧化碳、六氟化硫、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、天然氣以及某些氟里昂氣體等。不能用于某些腐蝕性氣體以及能與P2O5發生反應的氣體，例如乙醇、某些酸性氣體、不飽和烴類氣體。

1.2.5 優缺點
優點：屬**測量法，穩定，不漂移。

缺點：電解池壽命有限，需要再生。高濕或低濕（<1ppmv）均會縮短其壽命。低濕時響應慢。對氣體流量要求較高。不能用于某些腐蝕性氣體以及能與P2O5發生反應的氣體。有本底。

1.3 氧化鋁電容式濕度計
1.3.1 測量原理、結構及應用范圍
該儀器形式繁多，例如便攜式電池操作的、帶微處理器可進行數據處理的、顯示多參數的等等。但其本質是一個電容器，通過將一薄層孔狀的氧化鋁沉積在導電的基體上，然后再在氧化鋁薄層上涂敷一層薄金。導電基體和金薄層就形成電容器的電極。水蒸氣穿過金薄層被孔狀的氧化鋁吸收，這個電容器的阻抗與水分子個數，即水汽分壓成一定的比例。通過測量該電容器的阻抗或電容可獲得水汽分壓，通過換算可得到露點值。結構見圖2-7。

位于鋁和金電極之間的氧化鋁薄層在10-3Pa(約相當于-110℃露點)到水的飽和汽壓的整個范圍內都有響應。由于其對水的強烈的親和力，再加上水的較大的介電常數，使得這類儀器對水有高度的選擇性，而對其它普通氣體及有機氣和液體沒有響應。

   在中高濕范圍其準確度一般為±1~±2℃，低濕范圍，比如-100℃時，準確度一般為±2~±3℃。該類傳感器不與烴類氣體、CO、CO2、含氯氟烴氣體發生反應，但對于不同的氣體其漂移不同。對于某些腐蝕性氣體，例如氨、SO3以及氯，則會損壞傳感器，因此應盡量避免。

1.3.2 使用注意事項
這類儀器通常的測量范圍為-110℃~+20℃。當被測露點較高時，會使得儀器產生較大的漂移。同時還需注意溫度系數。由于其對水汽分壓產生響應，因此應注意測量時氣體總壓的變化。

應避免灰塵、油污，測量時氣體流量較大，一般為3~5（L/min），甚至更大。
1.3.3 優缺點
優點：較寬的響應范圍，從1μL/L（ppmv）到80%RH，可以遠程安裝，可以現場使用，相對穩定，響應較快，溫度系數較小，與流量變化無關，對水分有較高的選擇性，可以在較寬的溫度和壓力范圍內使用，日常維護量較小，體積小。
缺點：該方法是間接測量，在較高的溫度下操作或某些氣體會引起漂移，受腐蝕性氣體的影響，必須定期校準以克服老化、滯后及污染。由于響應值非線性，因此需對每只傳感器進行校準，不能通用。

1.4 薄膜電容式濕度計
1.4.1 測量原理、結構及應用范圍
是使用沉積在兩個導電電極上的聚胺鹽或醋酸纖維聚合物薄膜。當薄膜吸水或失水后，會改變兩個電極間的介電常數。目前還有一種技術是使用耐高溫的熱固性聚合物，可使得這類傳感器在高于100℃的情況下進行連續測量。目前采用高分子薄膜的就是維薩拉

1.      基體，一般為玻璃，主要作用是支撐傳感器的其它部分。
2.       電極中的一個，由導電材料做成。
3.      薄膜層。是傳感器的心臟，薄膜吸水的數量與周圍環境的相對濕度有關。這層膜的厚度一般為1~10(μm)。
4.      上部電極，對于傳感器的性能同樣起著重要作用。為了得到快速響應，必須有較高的水的滲透性。同時也是導電性材料。
5.      上部電極的接觸墊。由于對上部電極的設計有較多的限制條件，因此為了接觸良好，需加上一塊單獨的金屬。
其測量范圍較廣，從-50℃~100℃露點。可用于較廣的溫度范圍內，有時不需要溫度補償。耐高溫的熱固性樹脂允許這類電容式濕度傳感器可以在溫度185℃下進行連續測量，*高使用溫度取決于傳感器的包裝材料。對于熱固性樹脂的傳感器來說，其另一個優點是在-50℃~100℃溫度范圍內，溫度系數較小，因此可以很容易地在很寬的范圍內達到準確測量。
所有的相對濕度傳感器都對溫度敏感，假如在一個溫度下進行校準，在另外溫度下使用時會帶來誤差。聚合物傳感器的一個優點就是它們對溫度的依賴性較小，即溫度系數較小。因此當使用溫度與校準溫度不同時，其誤差較小。如果在極限溫度下使用，或對準確度要求較高，則需進行電子溫度補償。當溫度跨度小于50℃時，進行溫度補償較容易。當溫度范圍再寬時，進行溫度補償則有些困難。但是現代的聚合物傳感器可以在很窄的范圍內準確度達到±1%RH，在很寬的溫度和濕度范圍內可以達到±3%RH。使用一段時間后，或被污染后，需進行重新校準。
1.4.2 優缺點
優點：響應快，溫度及濕度測量范圍寬，線性好，幾乎沒有滯后，穩定性及重復性較好，溫度系數低，成本低。
缺點：基本無。

1.5 電阻式濕度計
1.5.1 測量原理及結構
其敏感材料是以季銨鹽的聚合物溶液作基體，將這種功能基與樹脂聚合物進行反應，可以產生具有立體三維的熱固性樹脂，具有較好的穩定性。相對濕度的變化可以導致陰極與陽極之間的電阻發生變化。

1.5.2 優缺點
優點：基本上沒有滯后和老化，溫度系數較低，便宜，能耗小。溫度范圍-10℃~80℃，重復性優于0.5%RH，準確度較高，一般為±2%RH，在很窄的范圍內可達±1%RH。

缺點：是間接測量儀器，需定期校準，不適用于某些污染物，如果在較寬的溫度范圍內使用需進行溫度補償，比電容式傳感器響應慢，對污染物敏感。不適用于低濕，相對濕度低于15%RH時喪失靈敏度，但當相對濕度接近100%RH時仍具有較好的性能，但冷凝有時會損壞傳感器。

有些污染物對電阻式傳感器影響較大，有些則對電容式傳感器影響較大，因此選擇傳感器時主要是根據污染物的性質。

1.6 機械式濕度計
1.6.1 測量原理及結構
毛發、腸膜、尼龍和聚酰亞胺等有機高分子材料的長度都會隨著相對濕度的變化而發生變化。機械式濕度計就是利用這一特性，將上述材料制成線狀、帶狀感濕元件或涂覆在彈性材料上卷成游絲狀感濕元件，然后通過機械放大裝置將由濕度改變引起的幾何量變化用指針指示出來或用記錄筆記錄下來，從而直接指示相對濕度。適用于實驗室、機房、倉庫、廠房等室內環境溫濕度的測量。
1.6.2 優缺點
優點：便宜，對大多數污染物不敏感，不需要電源，可以做長久記錄。

缺點：漂移，如果在某一濕度下使用較長的時間會喪失其靈敏度，不能用于0℃以下，響應慢，運輸或振動搖擺會破壞其性能。
1.7 干濕球濕度計
1.7.1 原理
干濕球濕度計由兩支規格完全相同的溫度計組成，一支稱為干球溫度計，溫泡暴露在被測氣體中，用以測量環境溫度，示值用Ta(ta)表示。另一支為濕球溫度計，其溫泡用特制紗布包裹，紗布套要保持濕潤。當濕球周圍的空氣處于不飽和狀態時，濕球紗布套上的水分就會不斷蒸發，由于水分蒸發需要吸收熱量，從而使濕球的溫度下降，其示值用Tw(tw)表示。濕球水分蒸發的速度與其周圍氣體的水分含量有關，當氣體濕度越低時，水分蒸發越快，濕球溫度亦越低，反之亦然。獲得準確的干、濕球溫度后，借助于濕球方程換算出濕度值。   
由于其簡單及低成本，在過去相當長的一段時間內，干濕球濕度計是使用*多的一種類型。
一個設計及維護較好的濕度計，在溫度5℃~80℃范圍內，若溫度準確度為±0.2℃，相對濕度的準確度約為±3%RH。這種原理的濕度計的準確度依賴于溫度計的準確度。對于某些**的測量，經常使用鉑電阻溫度計。總起來說，干濕球濕度計是基本測量法，如果使用經過校準的溫度計，并且正確操作，例如阿斯曼濕度計，可以得到準確的、可靠的、可重復的測量結果。因此在過去這種濕度計經常被用做標準。但是許多操作者，特別是在工業領域，沒有足夠的精力和時間，因此得到的結果是不準確的，也是不可靠的，目前干濕球濕度計正逐漸被現代儀器所代替。
1.7.2 優缺點
優點：當相對濕度接近100%RH時，可以得到較高的準確度。盡管若濕球溫度計被污染或使用不當時會帶來誤差，但由于該裝置比較簡單，使得維修費用非常低。可以用于室溫高于100℃的場合，是基本測量，穩定性好，簡單，便宜，成本低。
缺點：需要某些技巧以得到準確的測量結果，并需要進行計算才能得到*終結果。要求大量的氣體樣品，并且氣體樣品有可能被濕紗布加濕。當被測氣體的相對濕度低于15%RH時，要想使濕球溫度得到足夠的降低很困難。當濕球溫度低于0℃時，很難得到可靠的結果。由于要不斷地給濕球溫度計補充水，因此體積不可能太小。由于灰塵、油性物質或其它污染物會污染紗布，或者水流動不足，都會導致濕球溫度偏高，*終導致的相對濕度結果偏高。另外對結果產生影響的因素還有溫度測量誤差、風速、輻射誤差等。在20℃時，干濕球溫度差的誤差為0.1℃時，相對濕度的誤差為1%RH。