徐慧娟

(杭州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測院，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氣，以及總數(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。濕度計量的對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，大氣污染問題日漸嚴峻，人類的活動對大氣狀態(tài)和大氣過程產(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，也對濕度計量帶來了不良影響。應是由被測氣體中的水溶性物質(zhì)造成的，引起提前結(jié)露，使得測量結(jié)果呈正偏差。當污染物為不溶于水的微粒，例如粉塵等，則會增加鏡面本底散射水平，從而產(chǎn)生零點漂移。

如圖1，當一定體積的濕空氣在恒定的總壓力下被均勻降溫時，在冷卻的過程中，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越接近于低溫時水的飽和水汽壓。當下降到某一臨界溫度時二者相等，空氣中的水汽開始液化而凝結(jié)為液相，此時的臨界溫度稱為露點溫度。在實踐中我們發(fā)現(xiàn)，往往在達到真正露點溫度之前有早期冷凝的現(xiàn)象。這主要和拉烏爾效應有關(guān)。

1 空氣中雜質(zhì)對各類濕度計量器具的影響

濕度計量中使用的計量器具主要有露點儀、毛發(fā)濕度計、干濕球濕度計、濕度傳感器等。其中冷鏡式露點儀和通風干濕表用來作為標準器，而玻璃水銀溫度計干濕表、毛發(fā)濕度計、濕度傳感器是作為工作用濕度計量器具使用。

1.1 空氣雜質(zhì)對露點儀的影響

冷鏡式露點儀作為露點儀的代表，在溯源或量值傳遞中扮演著重要的角色，在濕度國家標準比對時作為傳遞標準。

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

圖1 露點儀原理圖

拉烏爾效應，指鏡面上存在水溶性物質(zhì)時，體系的平衡水汽壓低于純水時的飽和水汽壓。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)生化學反應或光化學反應，轉(zhuǎn)化為可溶性物質(zhì)。這種情況在工業(yè)流程氣體的測量中更為明顯。

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)的摩爾分數(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)過程原理和露點的產(chǎn)生原理可知，當蒸發(fā)速度等于凝結(jié)速度時，體系達到動態(tài)平衡，此時，露層和氣體中的水蒸汽達到兩相平衡，即單位時間內(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)。當雜質(zhì)轉(zhuǎn)化為水溶性物質(zhì)污染鏡面時，其表面不均勻地被溶質(zhì)的粒子占據(jù)，所以單位時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到被測氣體的露點溫度之前為什么有早期冷凝現(xiàn)象發(fā)生［1］。

在作為計量標準使用時，實驗室環(huán)境好，空氣雜質(zhì)對其影響不大。在制藥、石化、鋼鐵等其他行業(yè)，露點測量通常是在高溫和有揮發(fā)性化學物質(zhì)蒸汽等條件下進行。為了消除雜質(zhì)污染的影響，最有效的方法是對被測氣體進行過濾，同時根據(jù)具體情況定期或隨時清洗鏡面。通常采用的方法是在每次測量前對鏡面進行加熱，并通氣吹除污染物，在污染比較明顯的情況下也可以通過多次重復結(jié)露和消露過程來實現(xiàn)。露點儀一般都帶有污染自動報警系統(tǒng)。

1.2 空氣雜質(zhì)對毛發(fā)濕度計的影響

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毛發(fā)的吸濕特性起著主要作用。沒有充滿色素的孔，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。當空氣中的水汽未達到飽和狀態(tài)時，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，孔中的水形成一個彎月面。當空氣中的水汽達到飽和時，微孔中的水的彎月面就變成平面，即曲率半徑趨于無窮大。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其感濕特性起關(guān)鍵作用。因此毛發(fā)濕度計使用的毛發(fā)一定要進行脫脂處理。當空氣中含有不溶于水的雜質(zhì)時，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)一般會出現(xiàn)低濕段示值偏高、高濕段示值偏低的情況。高濕時受污染的微孔不能充分吸附水汽，導致示值偏低。而低濕時微孔中吸附的水汽不能充分蒸發(fā)，導致示值偏高。對于受雜質(zhì)污染的毛發(fā)，根據(jù)筆者從事濕度計量多年經(jīng)驗，通過清洗毛發(fā)可恢復毛發(fā)的感濕特性，如表1。

表1 2005 ～2012年毛發(fā)濕度計初次檢定與清洗后再次檢定情況

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

1.3 空氣雜質(zhì)對干濕球濕度計的影響

干濕球濕度計由兩支規(guī)格完全相同的溫度計組成，一支稱為干球溫度計，測量環(huán)境溫度。另一支稱為濕球溫度計，其溫泡包有保持浸透蒸餾水的脫脂紗布，通過上水芯子與盛有純水的容器相連。當濕球周圍空氣未達到飽和狀態(tài)時，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?，周圍空氣以對流方式向濕球輸送熱?Q2)，當Q1=Q2 時，達到平衡，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，干濕球濕度計的穩(wěn)定濕球溫度是對流換熱、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，人手接觸紗布套所形成的油脂膜也會影響水分的蒸發(fā)。

在濕球理論中，都是假設紗布上水套為平面形狀，而且其周圍表面的水汽壓與濕球溫度下純水的飽和水汽壓相同，此時有如下關(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所對應的純水平液面的飽和水汽壓，當濕球結(jié)冰時，即為純水平冰面的飽和水汽壓。

當濕球外紗布套被可溶性鹽類所污染時，由于拉烏爾效應，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，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，干濕差因此相應的變小，由干濕球方程計算的e 值將明顯增大。因空氣中的可溶性鹽類因地點變化而異，干濕差隨每種鹽類的濃度的變化而變化。即使被微量的鹽所污染，亦會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是負值，這時會出現(xiàn)濕球溫度高于干球溫度的反常現(xiàn)象［2］。

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

1.4 空氣雜質(zhì)對濕度傳感器的影響

濕度傳感器是目前使用最廣泛的濕度計量器具。與傳統(tǒng)的機械式濕度計相比，濕度傳感器具有測量范圍寬、準確度高、長期穩(wěn)定性好、響應速度快等優(yōu)點。

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，能直接顯示相對濕度的濕度計，或者能輸出電壓、電流、頻率等數(shù)字量可測信號的傳感器［3］。

濕度傳感器的種類大體上可分為三大類: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。濕敏電阻的特點是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當空氣中的水蒸汽吸附在感濕膜上時，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，會緩慢滲透入濕敏材料內(nèi)部，產(chǎn)生長期漂移。而當雜質(zhì)為氣態(tài)化學污染物并達一定濃度時，如表2所示，會在短時間內(nèi)破壞感濕膜，損壞濕度傳感器。

制藥行業(yè)經(jīng)常使用過氧化氫即雙氧水進行日常環(huán)境消毒，濕度傳感器的探頭在安裝時是暴露在環(huán)境空氣中的，因此，雙氧水的噴霧會通過過濾器滲入感濕膜。雙氧水是一種強氧化劑，會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 對濕度傳感器有影響的污染物最大恒定濃度

為保護其濕敏層，在濕敏元件外面加上過濾器，或在濕敏元件上覆蓋一層保護膜，可以防止或減輕灰塵、煙霧、油類以及有害氣體對元件性能的不利影響。但是這種外部結(jié)構(gòu)將會影響氣流速度，從而影響元件的加熱功率，與環(huán)境的熱交換性質(zhì)、響應速度等。有些用戶在使用時，為單方面追求測量速度，往往把過濾器去除，以求得最快響應，這樣很容易損壞濕度傳感器。當風速大于3 m/s 時，一定要使用過濾器。過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。在測量環(huán)境中含有氣態(tài)污染物的情況下，必須視具體應用情況選擇適當?shù)倪^濾器。在惡劣的環(huán)境下，必須頻繁檢查和更換過濾器。如果過濾器臟了，則會造成傳感器與周圍環(huán)境氣體交換不足，進而導致在傳感器周圍出現(xiàn)一個獨立于周圍大環(huán)境濕度條件的小環(huán)境。因此，過濾器應視使用情況而定期清洗和更換。

2 小結(jié)

濕度計量器具平時應在干燥和清潔的環(huán)境中保存。如果在有灰塵、煙霧、油脂、可溶性鹽類、有機物蒸汽等空氣污染嚴重的環(huán)境中使用及測量工業(yè)流程氣體時，會在一定程度上影響濕度計量器具的工作性能，大大降低計量器具的使用壽命。目前，濕度計量器具的檢定校準周期都為一年，實際檢定中我們發(fā)現(xiàn)，有相當一部分濕度計量器具在未到檢定周期時已經(jīng)出現(xiàn)示值超差的現(xiàn)象。這與濕度計量器具受空氣中雜質(zhì)污染有一定關(guān)系。我們在日常使用中注意定期維護、清潔清洗、在測量工業(yè)流程氣體時，對被測氣體進行過濾，可以減輕或消除污染對計量器具的影響。

［1］馬延平，陳振林，蔣志忠，等.影響冷鏡式露點儀測量準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.濕度測量［M］.北京:氣象出版社，1990.

［3］中國計量科學研究院.濕度傳感器校準規(guī)范［S］.北京:中國計量出版社，2001.