如何改进干燥环境中的湿度测量

　　流程工业高纯气体案例
 

　　纯气体生产或半导体制造等某些要求严苛的工业流程，需要非常准确地测量微量水分含量。
 

　　通常认为，在实验室环境中才能实现理想测量。但是，采样时会引入某些不确定因素，如污染、平均值、管道等。在本文中，我们将展示与在线测量相比，实验室环境中存在哪些会造成不确定性的采样相关因素。
 

　　人们通常认为，实现高准确度的理想方法是购买具有高规格的测量仪表。对于湿度测量而言，这意味着要购买分析仪类型的仪表，因为这类仪表理论上准确度高。然而，相较于更坚固耐用的工业仪表，分析仪价格昂贵，且对环境的影响异常敏感，因此需要特定且稳定的使用条件。
 

　　通常，分析仪并不直接在流程中进行测量，而是要先行采集气体样本，将其导入分析仪，然后将样本遗弃。在所有测量中，气体样本通常都存在以下问题：
 

　　样本可能无法代表实际的工艺条件。
 

　　样本还可能受到采样和分析中外部因素的影响。
 

　　样本可能会受到泄漏的影响，甚至成为泄漏的源头。
 

　　举例来说，想象要称量一些粉末。如果在采样和称量之间的过程中，粉末被雨水打湿，样本将无法反映粉末的真实重量和成分。同样，水气也能轻易改变气体样本的湿度，即使使用先进的全新仪表，结果也会不准确。
 

　　如何改进干燥环境中的湿度测量
 

　　实验
 

　　为了展示该问题并研究其影响，我们构建了一个测试装置(如图 1 所示)。该装置的基本思路是保持恒定的湿度，然后通过在 20 °C 至 27 °C 范围内改变管道温度来干扰湿度。理论上，这会导致吸附/解吸效应，从而影响排出加热室的水气总量。同样，在从现场转至测量实验室的过程中，采样管可能会暴露在室外天气下，进而受到温度变化的影响。在较小的范围内，不同的室内温度也可能产生类似的影响。实验过程中，气压保持在 1 bar(a) 至 2 bar(a) 范围内，流速始终小于 1 l/min，与分析仪的流速一致。
 

　　该装置由一台湿度发生器、两台维萨拉 DMT152 露点仪表、一个带有 6.7 m 电抛光钢管的加热室和一台 CRDS 分析仪组成。两台 DMT152 露点仪表分别放置在加热室之前和之后(图 1)。从二台 DMT152 到分析仪的管道尽可能短，以尽量降低 DMT152 和分析仪之间的环境影响。使用两个温度传感器监测加热室的温度。
 

　　结果
 

　　在不同的压力、流速和湿度下进行了多次测量。每次实验中都以相同的方式控制加热室。(见图 2)
 

　　在图 2 中，随着温度(黑色)的干扰增强，出口处的 DMT152 检测到的噪声湿度越来越多，而入口湿度在测量过程中保持恒定。测量结束后，温度稳定至实验室温度，两台 DMT152 仪表再次稳定并指示相同的霜点温度。该图清晰展示了采样管温度的稳定性对输出湿度的影响，因而会影响湿度的测量结果。
 

　　图 3 绘制了另一次测量的结果。该图中，入口湿度不像图 2 中那样稳定，但 DMT152 仪表和 CRDS 分析仪都呈现出类似的趋势。然而，在图 3 中，与 CRDS 分析仪或出口处的 DMT152 相比，入口湿度的噪声要小得多。事实上，出口处的湿度变化过大，以至于 DMT152 和 CRDS 分析仪都无法正确指示入口湿度，并且二者的误差实际都超出了其规格。然而，此处使用的仪表功能完好，并且性能符合其规格要求，问题出在采样管上。温度的变化会引起吸附/解吸现象，从而导致采样管出口的湿度发生变化。
 

该测量活动的结果表明：
 

　　吸附/解吸引起的最大霜点温度变化超过 4 °C。
 

　　流量的影响：流量越大，噪声越大。
 

　　温度变化越大，管内的吸附/解吸效应越剧烈。
 

　　湿度越低，相对影响越大。
 

　　关键要点
 

　　在本文中，我们测试了环境对采样的影响。如果测量环境或采样不理想，可能会对测量结果产生重大影响。如图 2 和图 3 所示，由于其在线过程测量的结果更具代表性，位于入口处的 DMT152 价格更加实惠，且表现优于价格更高的分析仪。因此，建议直接在想要关注的位置进行测量，并尽可能减少采样管的使用。由于测量装置和测量原理更加简单，这种方法也具有更为显著的成本效益。