VAISALA電容式濕度傳感器測定二氧化碳氣體中微量水分的研究

于　洋，劉鍵夫，單曉萍，宋慶明，趙　敏

(中昊光明化工研究設(shè)計院有限公司 大連光明化學工業(yè)氣體質(zhì)量監(jiān)測中心有限公司，遼寧 大連 116031)

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VAISALA電容式濕度傳感器測定二氧化碳氣體中微量水分的研究

于洋，劉鍵夫，單曉萍，宋慶明，趙敏

(中昊光明化工研究設(shè)計院有限公司 大連光明化學工業(yè)氣體質(zhì)量監(jiān)測中心有限公司，遼寧 大連 116031)

摘要:以自制標準水發(fā)生器發(fā)生的濕氣為測試樣品，利用不同的測試樣品對兩種不同型號的VAISALA電容式濕度傳感器進行大量實驗。結(jié)果表明：正常環(huán)境條件下，兩種傳感器穩(wěn)定性良好，其輸出信號的響應值與水分含量(露點)在特定區(qū)間內(nèi)呈一定的線性關(guān)系；VAISALA DRYCAP DMT 152與242兩種類型傳感器可以分別對露點-80℃和露點-67℃的水分含量給出穩(wěn)定準確的響應值，前者的檢測限要低于后者且適合露點低于-60℃的二氧化碳產(chǎn)品氣的測量；使用VAISALA DRYCAP傳感器可以滿足二氧化碳中微量水分的測定，但需要水標準氣體對其進行定期校準。

關(guān)鍵詞:濕度傳感器；響應值；露點；檢測限；二氧化碳

氣體產(chǎn)品被廣泛應用到各個領(lǐng)域，是一種不可缺少的動力資源，也是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，同時也被稱為工業(yè)的“血液”[1-2]。在氣體產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，由于受到制備工藝的限制，使水分自然的成為氣體中微量雜質(zhì)，其水分含量多少對氣體產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)安全等方面有極其重要的影響[3]。

各種氣體產(chǎn)品中微量水分的測定方法和相應的分析設(shè)備已得到廣泛應用，已形成標準的分析方法為：電解法、露點法、光腔衰蕩光譜法、電子分析法。其中電子分析法中，以電容式濕度傳感器為元件的測試儀，因操作簡便、連續(xù)運行等優(yōu)勢，使其成為工業(yè)上應用最廣泛的微量水分分析設(shè)備[4]。

本文研究的目的是以VAISALA電容式濕度傳感器測量二氧化碳氣體中微量水分時，表現(xiàn)出其測定的準確度、穩(wěn)定性、檢出限，以此確定該類傳感器在二氧化碳產(chǎn)品的質(zhì)量控制過程中的普遍適用性。

1電容式濕度傳感器工作原理

電容式濕度傳感器主要包括由傳導材料制成的上部電極、高分子活性聚合物薄膜、傳導材料和玻璃基底構(gòu)成下部電極。水蒸氣穿過上部電極而被活性聚合物薄膜吸收，水蒸氣的吸收量由相對環(huán)境濕度決定，薄膜因吸收水蒸氣而使其介電常數(shù)發(fā)生變化，進而引起傳感器電容值的改變，測得電容的改變量就可得出相對濕度值[5]。

2實驗材料與流程

2.1實驗材料

實驗儀器具體包括：電容式濕度傳感器(VAISALA DRYCAP DMT152、DMT242)、濕度信號跟隨記錄儀(色譜工作站)、S4000型號精密露點儀(英國米切爾生產(chǎn))、“零點”氣(將高純液氮氣化或?qū)⒏呒兊獨馔ㄟ^5A分子篩干燥獲得)、水含量為0～100×10-6系列的標準二氧化碳氣體(由自主研發(fā)的ZHM-01型轉(zhuǎn)化法標準水發(fā)生器制備)，其中S4000型號精密露點儀的最大允許誤差如表1所示。

表1　精密露點儀的要求

2.2實驗流程

根據(jù)JJG 499—2004《精密露點儀》檢定規(guī)程[6]，以標準水發(fā)生器發(fā)生不同的濕氣為測試樣品，

標準濕度計為參考計量基準，分別將“零點”氣、二氧化碳系列水標準氣體以恒定流量通過電容傳感器，同時使用濕度信號跟隨記錄儀記錄“零點”氣及系列標準氣體各濃度點的響應值。

3結(jié)果與討論

3.1零點氣和標準氣的記錄譜圖

將零點氣與二氧化碳系列水標準氣分別通過VAISALA DRYCAP DMT152、DMT242傳感器，濕度信號跟隨記錄儀獲得的譜圖如圖1、圖2所示。

圖1　DMT152譜圖

圖2　DMT242譜圖

圖1和圖2(短期噪聲均取平均值)毫伏數(shù)所對應的露點和水含量(由S4000型號精密露點儀)如表2所示。

表2　不同露點對應的響應值

結(jié)合圖1、圖2、表2可以看出在相應的時間段內(nèi)，前者較后者更成平穩(wěn)的直線,噪聲也遠小于后者，相應的檢出限要低于后者，表明DMT152傳感器的性能優(yōu)于后者。當二氧化碳氣體的露點為-80℃(水含量0.5×10-6)時，DMT152能夠給出相應的準確、穩(wěn)定的響應值，其分辨率小于0.5×10-6。當二氧化碳氣體的露點為-67℃(水含量4.0×10-6)時，DMT242也可以給出相對的響應值，其分辨率大于2×10-6，對于DMT242傳感器在-67℃時其信噪比為2.9，在-74℃時其信噪比為0.42，隨著露點變低,其噪聲相應變大。因此可以判斷出該傳感器適合露點高于-67℃(水含量4.0×10-6)的二氧化碳氣體測量。對于工業(yè)二氧化碳氣體、食品添加劑液體二氧化碳等無特殊說明時，DMT242傳感器可以滿足一般氣體水分含量的測量。

3.2響應值與水分含量關(guān)系

利用表2中的數(shù)據(jù)可以獲得兩種濕度傳感器的響應值分別與水含量、露點之間的關(guān)系曲線，如圖3、圖4所示。

圖3　響應值與水分含量的關(guān)系

圖4　響應值與露點的關(guān)系

由圖3、4可以判斷出傳感器DMT152在氣體露點低于-60℃時，其測量值更接近線性。傳感器DMT242在氣體露點高于-67℃時，其測量值呈一定線性。兩種傳感器的響應值與露點、水分在整個區(qū)間內(nèi)(尤其兩個極端點)不是呈完全的線性關(guān)系，因此需要定期對其在各自適宜的露點范圍內(nèi)進行多點、分段校準，提高其線性相關(guān)系數(shù)。

3.3DMT242傳感器的穩(wěn)定性與重復性

在正常環(huán)境條件下，將各濃度二氧化碳水標準氣進行如下切換并通入到DMT242傳感器獲得譜圖如圖5所示。

圖5　不同水標氣之間的切換

圖5中的a、b、c、d可以看出由低濃度到高濃度達到穩(wěn)定時，所需要的響應速度要快于其相反過程(測量時要求由低露點逐漸過渡到高露點)，a與c反映出測量露點時，至少待值穩(wěn)定3 min后才能讀數(shù)，也反映出DMT242傳感器具有良好的時間穩(wěn)定性。其次由a與b、c與d可以看出，無論怎樣切換，0.5×10-6、40×10-6所對應的毫伏數(shù)前后相差不大，表明該傳感器具有一定重復性。

3.4二氧化碳氣體樣品實測

使用GB/T 5832.2—2008《氣體中微量水分的測定 第二部分 露點法》與本傳感器法對二氧化碳樣品進行測量，對比結(jié)果見表3。由表3可以知道采用傳感器法測量結(jié)果與露點法相差不大，并且檢測水含量的下限要小于露點法。表明采用濕度傳感器可以滿足對二氧化碳氣體進行露點測量。

表3　測量結(jié)果對比

4結(jié)論

1. DMT152傳感器的各露點對應的噪聲信號遠小于DMT242傳感器,其前者的性能優(yōu)于后者，兩者傳感器具有一定的穩(wěn)定性和重復性；

2. DMT152傳感器適合檢測露點低于-60℃的氣體，對于露點為-80℃的二氧化碳給出穩(wěn)定、準確的響應值；

3. DMT242傳感器適合檢測露點高于-67℃的氣體，該傳感器的噪聲隨露點溫度降低而升高，對于工業(yè)二氧化碳氣體、食品添加劑液體二氧化碳等無特殊說明時，DMT242傳感器可以滿足一般氣體水分含量的測量；

4. 兩種傳感器的響應值與露點、水分在整個區(qū)間內(nèi)(尤其兩個極端點)不是呈完全的線性關(guān)系，需要定期在各自的露點范圍內(nèi)進行分段、多點校準，提高其線性相關(guān)系數(shù)；

5. 使用兩種傳感器對二氧化碳產(chǎn)品露點測量與國標露點法測量結(jié)果相差不大，滿足測量要求。

參考文獻：

[1] 叢繼信. 便攜式濕度發(fā)生器研制[J]. 化學分析計量, 2007, 16(4): 61-63.

[2] 易洪. 濕度測量的新進展[J]. 計測技術(shù), 2008, 28(s1): 1-3.

[3] 駱如枋，陸玉萍. Al2O3濕度傳感器露點儀及其應用[J]. 電子與儀表, 1995(1): 30-32.

[4] 張文東. 濕度計量技術(shù)的發(fā)展[J]. 上海計量測試, 2011(1): 3-6.

[5] 李英干，范金鵬. 濕度測量[M]. 北京：氣象出版社, 1990.

[6] JJG 499—2004精密露點儀檢定規(guī)程[S].

于洋(1986)，男，大連工業(yè)大學碩士研究生。現(xiàn)于大連光明化學工業(yè)氣體質(zhì)量監(jiān)測中心有限公司從事氣體分析工作。

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

作者簡介：

doi:10.3969/j.issn.1007-7804.2016.02.012

中圖分類號：TQ117

文獻標志碼：A

文章編號：1007-7804(2016)02-0042-04

收稿日期：2016-02-16