空氣中雜質(zhì)在濕度計(jì)量中的影響

徐慧娟

(杭州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)院，浙江杭州310019)

0 引言

空氣是多種氣體的混合物，其主要成分是氧氣和氮?dú)猓约翱倲?shù)不到1%的稀有氣體和二氧化碳。此外，空氣中還有一種重要的、數(shù)量上經(jīng)常變化的成分——水汽。濕度計(jì)量的對(duì)象即是空氣中以蒸汽形態(tài)存在的水。隨著工業(yè)化和城市化的推進(jìn)，大氣污染問(wèn)題日漸嚴(yán)峻，人類(lèi)的活動(dòng)對(duì)大氣狀態(tài)和大氣過(guò)程產(chǎn)生一定的破壞，工業(yè)排放物使空氣中的二氧化硫、氮氧化物、臭氧、懸浮顆粒物、可吸入顆粒物等成分大量增加，這些成分不但危害人體健康，也對(duì)濕度計(jì)量帶來(lái)了不良影響。應(yīng)是由被測(cè)氣體中的水溶性物質(zhì)造成的，引起提前結(jié)露，使得測(cè)量結(jié)果呈正偏差。當(dāng)污染物為不溶于水的微粒，例如粉塵等，則會(huì)增加鏡面本底散射水平，從而產(chǎn)生零點(diǎn)漂移。

如圖1，當(dāng)一定體積的濕空氣在恒定的總壓力下被均勻降溫時(shí)，在冷卻的過(guò)程中，水的飽和水汽壓隨空氣溫度的下降而逐漸減小，空氣中的水汽壓越來(lái)越接近于低溫時(shí)水的飽和水汽壓。當(dāng)下降到某一臨界溫度時(shí)二者相等，空氣中的水汽開(kāi)始液化而凝結(jié)為液相，此時(shí)的臨界溫度稱(chēng)為露點(diǎn)溫度。在實(shí)踐中我們發(fā)現(xiàn)，往往在達(dá)到真正露點(diǎn)溫度之前有早期冷凝的現(xiàn)象。這主要和拉烏爾效應(yīng)有關(guān)。

1 空氣中雜質(zhì)對(duì)各類(lèi)濕度計(jì)量器具的影響

濕度計(jì)量中使用的計(jì)量器具主要有露點(diǎn)儀、毛發(fā)濕度計(jì)、干濕球濕度計(jì)、濕度傳感器等。其中冷鏡式露點(diǎn)儀和通風(fēng)干濕表用來(lái)作為標(biāo)準(zhǔn)器，而玻璃水銀溫度計(jì)干濕表、毛發(fā)濕度計(jì)、濕度傳感器是作為工作用濕度計(jì)量器具使用。

1.1 空氣雜質(zhì)對(duì)露點(diǎn)儀的影響

冷鏡式露點(diǎn)儀作為露點(diǎn)儀的代表，在溯源或量值傳遞中扮演著重要的角色，在濕度國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)時(shí)作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)。

在露點(diǎn)測(cè)量中，鏡面污染是造成測(cè)量誤差的主要原因。當(dāng)雜質(zhì)污染鏡面時(shí)，產(chǎn)生兩方面的影響:一是拉烏爾效應(yīng);二是改變鏡面本底散射水平。拉烏爾效

圖1 露點(diǎn)儀原理圖

拉烏爾效應(yīng)，指鏡面上存在水溶性物質(zhì)時(shí)，體系的平衡水汽壓低于純水時(shí)的飽和水汽壓。由于水分子是極性分子，因此水是一種極性溶劑，它能溶解某些帶有極性的分子型物質(zhì)和許多帶電荷的離子型物質(zhì)。水溶性物質(zhì)不可避免地或多或少存在于鏡面和被測(cè)氣體中，氣體中的雜質(zhì)還與鏡面上的不溶于水的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或光化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為可溶性物質(zhì)。這種情況在工業(yè)流程氣體的測(cè)量中更為明顯。

根據(jù)拉烏爾定律，溶液平衡水汽壓的降低與溶液濃度成正比，即

Δe=ewX

式中:X 為溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù);Δe 為溶液平衡水汽壓的降低值;ew純水平面的飽和水汽壓。

由水的蒸發(fā)過(guò)程原理和露點(diǎn)的產(chǎn)生原理可知，當(dāng)蒸發(fā)速度等于凝結(jié)速度時(shí)，體系達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)，露層和氣體中的水蒸汽達(dá)到兩相平衡，即單位時(shí)間內(nèi)從液相蒸發(fā)到氣相的分子數(shù)等于從氣相凝結(jié)到液相的分子數(shù)。當(dāng)雜質(zhì)轉(zhuǎn)化為水溶性物質(zhì)污染鏡面時(shí)，其表面不均勻地被溶質(zhì)的粒子占據(jù)，所以單位時(shí)間從鏡面上的溶液中蒸發(fā)出的分子數(shù)則比純水中蒸發(fā)出的分子數(shù)要少，此種情況下若達(dá)到兩相平衡，鏡面上溶液的蒸汽壓低于純水的蒸汽壓，這就解釋了為什么在達(dá)到被測(cè)氣體的露點(diǎn)溫度之前為什么有早期冷凝現(xiàn)象發(fā)生［1］。

在作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)使用時(shí)，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境好，空氣雜質(zhì)對(duì)其影響不大。在制藥、石化、鋼鐵等其他行業(yè)，露點(diǎn)測(cè)量通常是在高溫和有揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)蒸汽等條件下進(jìn)行。為了消除雜質(zhì)污染的影響，最有效的方法是對(duì)被測(cè)氣體進(jìn)行過(guò)濾，同時(shí)根據(jù)具體情況定期或隨時(shí)清洗鏡面。通常采用的方法是在每次測(cè)量前對(duì)鏡面進(jìn)行加熱，并通氣吹除污染物，在污染比較明顯的情況下也可以通過(guò)多次重復(fù)結(jié)露和消露過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)。露點(diǎn)儀一般都帶有污染自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。

1.2 空氣雜質(zhì)對(duì)毛發(fā)濕度計(jì)的影響

1882年，斯列茲尼夫斯基提出微孔感濕理論，從毛發(fā)微孔結(jié)構(gòu)闡明了毛發(fā)的工作原理。從顯微鏡下看，毛發(fā)表面有許多微孔，這些微孔充滿空氣、水和色素。這些充滿空氣或水的微孔對(duì)毛發(fā)的吸濕特性起著主要作用。沒(méi)有充滿色素的孔，在毛發(fā)的吸濕特性中作用最大。在除去外面的油脂后，這些孔便與外面的空氣相通。當(dāng)空氣中的水汽未達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，微孔吸附空氣中的水汽并使之凝結(jié)。由于表面張力的作用，孔中的水形成一個(gè)彎月面。當(dāng)空氣中的水汽達(dá)到飽和時(shí)，微孔中的水的彎月面就變成平面，即曲率半徑趨于無(wú)窮大。液體表面上的飽和水汽壓隨著液面的曲率而變化，任何引起曲率改變的因素，如空氣濕度的變化，都將引起微孔彈性壁的形變。

由毛發(fā)的感濕原理可知，毛發(fā)中的微孔保持暢通對(duì)其感濕特性起關(guān)鍵作用。因此毛發(fā)濕度計(jì)使用的毛發(fā)一定要進(jìn)行脫脂處理。當(dāng)空氣中含有不溶于水的雜質(zhì)時(shí)，例如灰塵、油脂等，日積月累在毛發(fā)上沉積，堵塞毛發(fā)中的微孔，影響了毛發(fā)原有的感濕特性，使其靈敏度下降，從而產(chǎn)生較大的示值誤差。受污染的毛發(fā)一般會(huì)出現(xiàn)低濕段示值偏高、高濕段示值偏低的情況。高濕時(shí)受污染的微孔不能充分吸附水汽，導(dǎo)致示值偏低。而低濕時(shí)微孔中吸附的水汽不能充分蒸發(fā)，導(dǎo)致示值偏高。對(duì)于受雜質(zhì)污染的毛發(fā)，根據(jù)筆者從事濕度計(jì)量多年經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)清洗毛發(fā)可恢復(fù)毛發(fā)的感濕特性，如表1。

表1 2005 ～2012年毛發(fā)濕度計(jì)初次檢定與清洗后再次檢定情況

清洗后的毛發(fā)濕度計(jì)，需重新進(jìn)行零位調(diào)整。調(diào)整過(guò)程一般在濕度計(jì)的檢定過(guò)程中進(jìn)行。

1.3 空氣雜質(zhì)對(duì)干濕球濕度計(jì)的影響

干濕球濕度計(jì)由兩支規(guī)格完全相同的溫度計(jì)組成，一支稱(chēng)為干球溫度計(jì)，測(cè)量環(huán)境溫度。另一支稱(chēng)為濕球溫度計(jì)，其溫泡包有保持浸透蒸餾水的脫脂紗布，通過(guò)上水芯子與盛有純水的容器相連。當(dāng)濕球周?chē)諝馕催_(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，濕球紗套上的水分不斷蒸發(fā)。由于消耗蒸發(fā)潛熱(Q1)使?jié)袂驕囟认陆档陀诳諝鉁囟?，周?chē)諝庖詫?duì)流方式向濕球輸送熱量(Q2)，當(dāng)Q1=Q2 時(shí)，達(dá)到平衡，濕球溫度維持穩(wěn)定不再下降?？諝獾臐穸扰c干球溫度和濕球溫度之間呈一定的函數(shù)關(guān)系。

由此可見(jiàn)，干濕球濕度計(jì)的穩(wěn)定濕球溫度是對(duì)流換熱、輻射傳熱與蒸發(fā)吸熱之間建立熱平衡的結(jié)果，而包裹在濕球外部的紗布套從很大程度上影響著濕球的水分蒸發(fā)，這種影響往往都是由于空氣中的灰塵、可溶性鹽類(lèi)等污染物附著在濕球紗布套上使其變質(zhì)造成的。另外，在安裝紗布套時(shí)，人手接觸紗布套所形成的油脂膜也會(huì)影響水分的蒸發(fā)。

在濕球理論中，都是假設(shè)紗布上水套為平面形狀，而且其周?chē)砻娴乃麎号c濕球溫度下純水的飽和水汽壓相同，此時(shí)有如下關(guān)系:

式中:t 為干球溫度;tw為濕球溫度;A 為干濕表系數(shù);P 為大氣壓;e 為空氣的水汽壓;etw為濕球溫度tw所對(duì)應(yīng)的純水平液面的飽和水汽壓，當(dāng)濕球結(jié)冰時(shí)，即為純水平冰面的飽和水汽壓。

當(dāng)濕球外紗布套被可溶性鹽類(lèi)所污染時(shí)，由于拉烏爾效應(yīng)，紗布套表面上的飽和水汽壓力就不再是純水的平衡水汽壓etw了，而是稀釋鹽溶液的平衡水汽壓ec，干濕球公式變?yōu)?/p>

這時(shí)，ec代替etw，t'w為新的濕球溫度。在大多數(shù)情況下，可溶性鹽類(lèi)的飽和水汽壓的數(shù)值隨著溶液濃度的增加而減小，干濕差因此相應(yīng)的變小，由干濕球方程計(jì)算的e 值將明顯增大。因空氣中的可溶性鹽類(lèi)因地點(diǎn)變化而異，干濕差隨每種鹽類(lèi)的濃度的變化而變化。即使被微量的鹽所污染，亦會(huì)造成干濕差的明顯改變，而且隨著濃度的增加，誤差將急劇增大。在ec＜e 的特殊情況下，t-t'w是負(fù)值，這時(shí)會(huì)出現(xiàn)濕球溫度高于干球溫度的反?，F(xiàn)象［2］。

因此，紗布套的潔凈程度對(duì)干濕球測(cè)量有很大影響。在使用干濕球濕度計(jì)測(cè)量環(huán)境濕度時(shí)，要注意定期更換干凈紗布套。

1.4 空氣雜質(zhì)對(duì)濕度傳感器的影響

濕度傳感器是目前使用最廣泛的濕度計(jì)量器具。與傳統(tǒng)的機(jī)械式濕度計(jì)相比，濕度傳感器具有測(cè)量范圍寬、準(zhǔn)確度高、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。

濕度傳感器是由濕敏電容、濕敏電阻或濕敏諧振器等濕敏元件及其變化電路組成的，能直接顯示相對(duì)濕度的濕度計(jì)，或者能輸出電壓、電流、頻率等數(shù)字量可測(cè)信號(hào)的傳感器［3］。

濕度傳感器的種類(lèi)大體上可分為三大類(lèi):電解質(zhì)濕度傳感器、陶瓷濕度傳感器、和高分子濕度傳感器。

根據(jù)電學(xué)結(jié)構(gòu)，高分子濕度傳感器分為電阻式高分子濕度傳感器和電容式高分子濕度傳感器。電阻式濕度傳感器的濕敏元件為濕敏電阻。濕敏電阻的特點(diǎn)是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當(dāng)空氣中的水蒸汽吸附在感濕膜上時(shí)，元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可測(cè)量濕度。在極高極濕的濕度環(huán)境下，電阻式濕度傳感器并不適用。

空氣中的某些小分子雜質(zhì)，如碳水化合物，會(huì)緩慢滲透入濕敏材料內(nèi)部，產(chǎn)生長(zhǎng)期漂移。而當(dāng)雜質(zhì)為氣態(tài)化學(xué)污染物并達(dá)一定濃度時(shí)，如表2所示，會(huì)在短時(shí)間內(nèi)破壞感濕膜，損壞濕度傳感器。

制藥行業(yè)經(jīng)常使用過(guò)氧化氫即雙氧水進(jìn)行日常環(huán)境消毒，濕度傳感器的探頭在安裝時(shí)是暴露在環(huán)境空氣中的，因此，雙氧水的噴霧會(huì)通過(guò)過(guò)濾器滲入感濕膜。雙氧水是一種強(qiáng)氧化劑，會(huì)損害濕度傳感器的感濕膜，甚至腐蝕濕敏元件的金屬引線，在高倍顯微鏡下觀察，破壞后的感濕膜與正常感濕膜顏色有所不同。

表2 對(duì)濕度傳感器有影響的污染物最大恒定濃度

為保護(hù)其濕敏層，在濕敏元件外面加上過(guò)濾器，或在濕敏元件上覆蓋一層保護(hù)膜，可以防止或減輕灰塵、煙霧、油類(lèi)以及有害氣體對(duì)元件性能的不利影響。但是這種外部結(jié)構(gòu)將會(huì)影響氣流速度，從而影響元件的加熱功率，與環(huán)境的熱交換性質(zhì)、響應(yīng)速度等。有些用戶在使用時(shí)，為單方面追求測(cè)量速度，往往把過(guò)濾器去除，以求得最快響應(yīng)，這樣很容易損壞濕度傳感器。當(dāng)風(fēng)速大于3 m/s 時(shí)，一定要使用過(guò)濾器。過(guò)濾器濾芯有不同材質(zhì)，如絲網(wǎng)、燒結(jié)鋼、特氟隆等，孔徑尺寸有5，10，20 μm 和20 ～25 μm 等不同規(guī)格。在測(cè)量環(huán)境中含有氣態(tài)污染物的情況下，必須視具體應(yīng)用情況選擇適當(dāng)?shù)倪^(guò)濾器。在惡劣的環(huán)境下，必須頻繁檢查和更換過(guò)濾器。如果過(guò)濾器臟了，則會(huì)造成傳感器與周?chē)h(huán)境氣體交換不足，進(jìn)而導(dǎo)致在傳感器周?chē)霈F(xiàn)一個(gè)獨(dú)立于周?chē)蟓h(huán)境濕度條件的小環(huán)境。因此，過(guò)濾器應(yīng)視使用情況而定期清洗和更換。

2 小結(jié)

濕度計(jì)量器具平時(shí)應(yīng)在干燥和清潔的環(huán)境中保存。如果在有灰塵、煙霧、油脂、可溶性鹽類(lèi)、有機(jī)物蒸汽等空氣污染嚴(yán)重的環(huán)境中使用及測(cè)量工業(yè)流程氣體時(shí)，會(huì)在一定程度上影響濕度計(jì)量器具的工作性能，大大降低計(jì)量器具的使用壽命。目前，濕度計(jì)量器具的檢定校準(zhǔn)周期都為一年，實(shí)際檢定中我們發(fā)現(xiàn)，有相當(dāng)一部分濕度計(jì)量器具在未到檢定周期時(shí)已經(jīng)出現(xiàn)示值超差的現(xiàn)象。這與濕度計(jì)量器具受空氣中雜質(zhì)污染有一定關(guān)系。我們?cè)谌粘Ｊ褂弥凶⒁舛ㄆ诰S護(hù)、清潔清洗、在測(cè)量工業(yè)流程氣體時(shí)，對(duì)被測(cè)氣體進(jìn)行過(guò)濾，可以減輕或消除污染對(duì)計(jì)量器具的影響。

［1］馬延平，陳振林，蔣志忠，等.影響冷鏡式露點(diǎn)儀測(cè)量準(zhǔn)確度因素分析及解決方法研究［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2006(6):17-18.

［2］李英干，范金鵬.濕度測(cè)量［M］.北京:氣象出版社，1990.

［3］中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院.濕度傳感器校準(zhǔn)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，2001.