如何改進(jìn)惡劣干燥環(huán)境中的濕度測量

　　流程工業(yè)高純氣體案例：

　　純氣體生產(chǎn)或半導(dǎo)體制造等某些要求嚴(yán)苛的工業(yè)流程，需要非常精確地測量微量水分含量。

　　通常認(rèn)為，在實驗室環(huán)境中才能實現(xiàn)理想測量。但是，采樣時會引入某些不確定因素，如污染、平均值、管道等。在本文中，我們將展示與在線測量相比，實驗室環(huán)境中存在哪些會造成不確定性的采樣相關(guān)因素。

　　人們通常認(rèn)為，實現(xiàn)高準(zhǔn)確度的理想方法是購買具有高規(guī)格的測量儀表。對于濕度測量而言，這意味著要購買分析儀類型的儀表，因為這類儀表理論上準(zhǔn)確度高。然而，相較于更堅固耐用的工業(yè)儀表，分析儀價格昂貴，且對環(huán)境的影響異常敏感，因此需要特定且穩(wěn)定的使用條件。

　　通常，分析儀并不直接在流程中進(jìn)行測量，而是要先行采集氣體樣本，將其導(dǎo)入分析儀，然后將樣本遺棄。在所有測量中，氣體樣本通常都存在以下問題：

　　1.樣本可能無法代表實際的工藝條件。

　　2.樣本還可能受到采樣和分析中外部因素的影響。

　　3.樣本可能會受到泄漏的影響，甚至成為泄漏的源頭。

　　舉例來說，想象要稱量一些粉末。如果在采樣和稱量之間的過程中，粉末被雨水打濕，樣本將無法反映粉末的真實重量和成分。同樣，水氣也能輕易改變氣體樣本的濕度，即使使用先進(jìn)的全新儀表，結(jié)果也會不準(zhǔn)確。

　　實驗：

　　為了展示該問題并研究其影響，我們構(gòu)建了一個測試裝置（如圖1所示）。該裝置的基本思路是保持恒定的濕度，然后通過在20°C至27°C范圍內(nèi)改變管道溫度來干擾濕度。理論上，這會導(dǎo)致吸附/解吸效應(yīng)，從而影響排出加熱室的水氣總量。同樣，在從現(xiàn)場轉(zhuǎn)至測量實驗室的過程中，采樣管可能會暴露在室外天氣下，進(jìn)而受到溫度變化的影響。在較小的范圍內(nèi)，不同的室內(nèi)溫度也可能產(chǎn)生類似的影響。實驗過程中，氣壓保持在1 bar(a)至2 bar(a)范圍內(nèi)，流速始終小于1 l/min，與分析儀的流速一致。

　　該裝置由一臺濕度發(fā)生器、兩臺維薩拉DMT152露點儀表、一個帶有6.7 m電拋光鋼管的加熱室和一臺CRDS分析儀組成。兩臺DMT152露點儀表分別放置在加熱室之前和之后（圖1）。從第二臺DMT152到分析儀的管道盡可能短，以盡量降低DMT152和分析儀之間的環(huán)境影響。使用兩個溫度傳感器監(jiān)測加熱室的溫度。

　　結(jié)果：

　　在不同的壓力、流速和濕度下進(jìn)行了多次測量。每次實驗中都以相同的方式控制加熱室。（見圖2）

　　在圖2中，隨著溫度（黑色）的干擾增強(qiáng)，出口處的DMT152檢測到的噪聲濕度越來越多，而入口濕度在測量過程中保持恒定。測量結(jié)束后，溫度穩(wěn)定至實驗室溫度，兩臺DMT152儀表再次穩(wěn)定并指示相同的霜點溫度。該圖清晰展示了采樣管溫度的穩(wěn)定性對輸出濕度的影響，因而會影響濕度的測量結(jié)果。

　　圖3繪制了另一次測量的結(jié)果。該圖中，入口濕度不像圖2中那樣穩(wěn)定，但DMT152儀表和CRDS分析儀都呈現(xiàn)出類似的趨勢。然而，在圖3中，與CRDS分析儀或出口處的DMT152相比，入口濕度的噪聲要小得多。事實上，出口處的濕度變化過大，以至于DMT152和CRDS分析儀都無法正確指示入口濕度，并且二者的誤差實際都超出了其規(guī)格。然而，此處使用的儀表功能完好，并且性能符合其規(guī)格要求，問題出在采樣管上。溫度的變化會引起吸附/解吸現(xiàn)象，從而導(dǎo)致采樣管出口的濕度發(fā)生變化。

　　該測量活動的結(jié)果表明：

　　1.吸附/解吸引起的最大霜點溫度變化超過4°C。

　　2.流量的影響：流量越大，噪聲越大。

　　3.溫度變化越大，管內(nèi)的吸附/解吸效應(yīng)越劇烈。

　　4.濕度越低，相對影響越大。

　　關(guān)鍵要點：

　　在本文中，我們測試了環(huán)境對采樣的影響。如果測量環(huán)境或采樣不理想，可能會對測量結(jié)果產(chǎn)生重大影響。如圖2和圖3所示，由于其在線過程測量的結(jié)果更具代表性，位于入口處的DMT152價格更加實惠，且表現(xiàn)優(yōu)于價格更高的分析儀。因此，建議直接在想要關(guān)注的位置進(jìn)行測量，并盡可能減少采樣管的使用。由于測量裝置和測量原理更加簡單，這種方法也具有更為顯著的成本效益。