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        VAISALA電容式濕度傳感器測定二氧化碳?xì)怏w中微量水分的研究

        2016-05-27 03:17:16劉鍵夫單曉萍宋慶明
        低溫與特氣 2016年2期

        于 洋,劉鍵夫,單曉萍,宋慶明,趙 敏

        (中昊光明化工研究設(shè)計(jì)院有限公司 大連光明化學(xué)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?xì)怏w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(jì)院有限公司 大連光明化學(xué)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)。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(yīng)值與水分含量(露點(diǎn))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(diǎn)-80℃和露點(diǎn)-67℃的水分含量給出穩(wěn)定準(zhǔn)確的響應(yīng)值,前者的檢測限要低于后者且適合露點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)氣體對其進(jìn)行定期校準(zhǔn)。

        關(guān)鍵詞:濕度傳感器;響應(yīng)值;露點(diǎn);檢測限;二氧化碳

        氣體產(chǎn)品被廣泛應(yīng)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(yīng)的分析設(shè)備已得到廣泛應(yīng)用,已形成標(biāo)準(zhǔn)的分析方法為:電解法、露點(diǎn)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(yùn)行等優(yōu)勢,使其成為工業(yè)上應(yīng)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?xì)怏w中微量水分時,表現(xiàn)出其測定的準(zhǔn)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(dǎo)材料制成的上部電極、高分子活性聚合物薄膜、傳導(dǎo)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(jìn)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(shí)驗(yàn)材料與流程

        2.1實(shí)驗(yàn)材料

        實(shí)驗(yàn)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(diǎn)儀(英國米切爾生產(chǎn))、“零點(diǎn)”氣(將高純液氮?dú)饣驅(qū)⒏呒兊獨(dú)馔ㄟ^5A分子篩干燥獲得)、水含量為0~100×10-6系列的標(biāo)準(zhǔn)二氧化碳?xì)怏w(由自主研發(fā)的ZHM-01型轉(zhuǎn)化法標(biāo)準(zhǔn)水發(fā)生器制備),其中S4000型號精密露點(diǎn)儀的最大允許誤差如表1所示。

        表1 精密露點(diǎn)儀的要求

        2.2實(shí)驗(yàn)流程

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

        標(biāo)準(zhǔn)濕度計(jì)為參考計(jì)量基準(zhǔn),分別將“零點(diǎn)”氣、二氧化碳系列水標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)”氣及系列標(biāo)準(zhǔn)氣體各濃度點(diǎn)的響應(yīng)值。

        3結(jié)果與討論

        3.1零點(diǎn)氣和標(biāo)準(zhǔn)氣的記錄譜圖

        將零點(diǎn)氣與二氧化碳系列水標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)的露點(diǎn)和水含量(由S4000型號精密露點(diǎn)儀)如表2所示。

        表2 不同露點(diǎn)對應(yīng)的響應(yīng)值

        結(jié)合圖1、圖2、表2可以看出在相應(yīng)的時間段內(nèi),前者較后者更成平穩(wěn)的直線,噪聲也遠(yuǎn)小于后者,相應(yīng)的檢出限要低于后者,表明DMT152傳感器的性能優(yōu)于后者。當(dāng)二氧化碳?xì)怏w的露點(diǎn)為-80℃(水含量0.5×10-6)時,DMT152能夠給出相應(yīng)的準(zhǔn)確、穩(wěn)定的響應(yīng)值,其分辨率小于0.5×10-6。當(dāng)二氧化碳?xì)怏w的露點(diǎn)為-67℃(水含量4.0×10-6)時,DMT242也可以給出相對的響應(yīng)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(diǎn)變低,其噪聲相應(yīng)變大。因此可以判斷出該傳感器適合露點(diǎn)高于-67℃(水含量4.0×10-6)的二氧化碳?xì)怏w測量。對于工業(yè)二氧化碳?xì)怏w、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(yīng)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(yīng)值分別與水含量、露點(diǎn)之間的關(guān)系曲線,如圖3、圖4所示。

        圖3 響應(yīng)值與水分含量的關(guān)系

        圖4 響應(yīng)值與露點(diǎn)的關(guān)系

        由圖3、4可以判斷出傳感器DMT152在氣體露點(diǎn)低于-60℃時,其測量值更接近線性。傳感器DMT242在氣體露點(diǎn)高于-67℃時,其測量值呈一定線性。兩種傳感器的響應(yīng)值與露點(diǎn)、水分在整個區(qū)間內(nèi)(尤其兩個極端點(diǎn))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(diǎn)范圍內(nèi)進(jìn)行多點(diǎn)、分段校準(zhǔn),提高其線性相關(guān)系數(shù)。

        3.3DMT242傳感器的穩(wěn)定性與重復(fù)性

        在正常環(huán)境條件下,將各濃度二氧化碳水標(biāo)準(zhǔn)氣進(jìn)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(biāo)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(dá)到穩(wěn)定時,所需要的響應(yīng)速度要快于其相反過程(測量時要求由低露點(diǎn)逐漸過渡到高露點(diǎn)),a與c反映出測量露點(diǎn)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(yīng)的毫伏數(shù)前后相差不大,表明該傳感器具有一定重復(fù)性。

        3.4二氧化碳?xì)怏w樣品實(shí)測

        使用GB/T 5832.2—2008《氣體中微量水分的測定 第二部分 露點(diǎn)法》與本傳感器法對二氧化碳樣品進(jìn)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(diǎn)法相差不大,并且檢測水含量的下限要小于露點(diǎn)法。表明采用濕度傳感器可以滿足對二氧化碳?xì)怏w進(jìn)行露點(diǎn)測量。

        表3 測量結(jié)果對比

        4結(jié)論

        1. DMT152傳感器的各露點(diǎn)對應(yīng)的噪聲信號遠(yuǎn)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(fù)性;

        2. DMT152傳感器適合檢測露點(diǎn)低于-60℃的氣體,對于露點(diǎn)為-80℃的二氧化碳給出穩(wěn)定、準(zhǔn)確的響應(yīng)值;

        3. DMT242傳感器適合檢測露點(diǎn)高于-67℃的氣體,該傳感器的噪聲隨露點(diǎn)溫度降低而升高,對于工業(yè)二氧化碳?xì)怏w、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(yīng)值與露點(diǎn)、水分在整個區(qū)間內(nèi)(尤其兩個極端點(diǎn))不是呈完全的線性關(guān)系,需要定期在各自的露點(diǎn)范圍內(nèi)進(jìn)行分段、多點(diǎn)校準(zhǔn),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(diǎn)測量與國標(biāo)露點(diǎn)法測量結(jié)果相差不大,滿足測量要求。

        參考文獻(xiàn):

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

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

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

        [4] 張文東. 濕度計(jì)量技術(shù)的發(fā)展[J]. 上海計(jì)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(diǎn)儀檢定規(guī)程[S].

        于洋(1986),男,大連工業(yè)大學(xué)碩士研究生?,F(xiàn)于大連光明化學(xué)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(xiàn)標(biāo)志碼:A

        文章編號:1007-7804(2016)02-0042-04

        收稿日期:2016-02-16

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