氣體中水分的測量與校準     

 、概述  

      各種氣體的生產和使用都要考慮其中水分的影響。水有時也被認為是種“溶劑”，這是由于它的*的物理和化學性質所決定的。各個領域的研究與應用中都涉及到水分的分析，微電子工業，石油，化工領域尤為突出。

工業生產氣體中水分不同于其它氣體雜質（O2，N2，CH4，CO2等），水分的存留與氫鍵有關，氫鍵比其它作用的范德華力和偶極矩力表現出更強的吸引力，因此水分被固體表面吸附就很難除去。般用長時間吹掃的方法除掉氣體中水分，使其達到1－2PPM含水量，即目前氣體中水分含量的指標＜－70℃更低含量水從氣體中除去與測量需要更高的技術。 近半個世紀以來，在氣體中水分測量尤其痕量水分測量方面做了大量的研究工作，不斷的研究出新的分析方法和相應的分析儀器。經典基準的鏡面露點法，快速響應的電容法，量值的電解法。測量靈敏度高且范圍寬廣的壓電石英振蕩法，各種光學吸收法和氣相色譜法等。在氣體分析中水分測量應用多的是電容或水分析儀，其次是電解式水分析儀。國內外各生產廠商生產出眾多型號的水分析儀，本文淺談下常用水份分析儀的特點與使用。

二、氣體中水分析儀   

（1）電容式水分析儀  電容式水分析儀響應快，靈敏度高，操作方便，經濟實用，因而在工業氣體生產與應用中倍受歡迎，應用廣泛。PANAMETRICS、SHAW、MICHELL和XENTAUR公司等都在生產各種系列定型水分測量儀器，已在不同工藝中應用。  電容式水分儀原理都已清楚不再復述。

下面著重介紹儀器性能和應用。

    ①電容式水份儀響應迅速  電容式濕度傳感器響應迅速，從制作工藝原理看，由于氧化鋁吸濕層上無其它吸濕材料氧化鋁層很薄，僅0.000075英寸，因此阻、容的響應直接與濕度有關。水蒸汽濃度從10000微克／升降至10微克／升（－60℃~－25℃）僅需幾分鐘。另外當濕度變化很小時，輸出信號的變化取決于通過氧化層毛細孔的水分自由行程，因而使之響應很快。 必須于以說明，這種傳感器響應快不存在儀器及管線的影響。正確的使用在被測氣與傳感器接觸前，輸送管線所吸收的水分要吹除干凈，否則所測結果不代表氣體中實際含水的真實值。SHAW公司的便攜式SADP型和XENTAUK公司的XTR－80型露點儀待用時均在干燥氣氛中保存，以保證迅速響應。

②用空氣校驗與儀器測量值關系  SHAW公司的露點儀以空氣校驗。簡單方便。校驗與測量時間合理安排。會得到好的效果。用空氣校驗實際是給傳感器增濕。曾做過類似的增濕與吹濕試驗。氮氣使之含水由－90℃增濕到－35℃時露點儀響應變化，再以干燥氮氣吹除濕氣響應變化，圖2a、b示出。儀器與傳感器同時被增濕。儀器但被增濕有較強的記憶效應，需要較長時間吹掃或在干燥氣氛中除濕。因此在測量較低含水量氣體露點時，停止用空氣校驗，應在測量之前日校驗好儀器待用，嚴格講操作無誤儀器不需要經常校驗，般半年校驗次即可。

   ③儀器工作的穩定性與防塵埃及油分  氣體潔凈，操作無誤儀器能穩定運行，曾有人做過實驗在－65℃以下運行近兩年，校正曲線仍重現很好。有的儀器年后校驗校正曲線偏離很大，主要由氣體中存有看不見的微塵所致，濕度傳感器為無定型氧化鋁，其孔徑為70Aº，孔距160 Aº左右，如若粉塵進入，將氧化鋁微小孔堵塞致使吸濕效率下降。測量結果偏干，因此測量水分所用管線要用內表面光滑的金屬或聚四氟乙烯管，好為內拋光不銹鋼管。 油污影響會使響應速度滯后，測量精度變差，雖然污染后可用苯和三氯乙烯清洗但仍不能恢復到原始狀態，因此，慎用于含油氣體中水分測量，測量烴類氣體中水分尤其要注意。 ④傳感器老化與防止。  SHAW傳感器使用壽命至少保持10年，這就需要嚴謹的操作，如若操作不當，傳感器長時間暴露大氣中使氧化鋁表面慢慢形成水合物，結果對水蒸汽的吸附容量減少，引起傳感器的電阻，電容值下降，而導致傳感器性能衰退，嚴重者將*性損壞，因此在線使用電容式水分析儀，在采樣氣路設計方面應考慮停車時的保護措施。 ⑤樣氣壓力的影響  樣氣壓力不同會使濕度測量出現錯誤結果，當氣體的露點為某值時，壓力高時氣體的含水量比壓力低時氣體的體積含水量低，即氣體中同樣體積的水在壓力高時氣體的露點比壓力低時露點高，且不成正比，電容式水分析儀傳感器的電容量與水的含量成正比，傳感器在個大氣壓下工作，因此，當氣體的壓力高時就造成同樣體積的含水量氣體的露點值比低壓下的露點溫度高，測出結果換算為PPM值時也相差許多。這就使在線分析管線輸送的樣氣水分測量，因管線壓力的變化且高于使用壓力時造成不真實結果。如工作中，SHAW公司，SDS型和9型儀器使用于在線測量時，在采樣系統上設計與儀器需要條件符合，就能正確反映出實際樣品中水分的含量。合理的采樣系統流程圖見圖.b。

(2)電解式水分析儀  電解式水分測量儀于1959年由Keide試驗成功并應用于低含量水分測量。之后國內外眾多的研究者及廠家生產出不同應用范圍的各種型號的儀器。SYSTECH公司生產的MM1000型和MM2000型為基于電解法原理的水分測量儀器，可以連續應用于*性氣體中水分測量。MM1000為普通型，MM2000為型。

MM2000型具有如下特點

   ①采用質量流量計準確控制被測氣體流量，由于電解式水分析儀其流量為電解電流計算公式中參數之，流量改變為考察電解池性能方式，儀器測量的準確性依賴于樣氣的恒定流量，本儀器采用質量流量計，流量準確可靠。

   ②MM2000型儀器測量水分范圍由0.01-1000PPM,儀器可以根據需要配制不同采樣系統,這也是解決低含量水<1PPM水分測量*的條件,低濕的測量其準確度取決于分析儀器的正確使用,采樣系統保證測量低含量水,保證來自樣氣點所造成的假信號的減少和消除。

  ③檢測池施加電壓方式獨居特色   般電解式水分測量儀器在電極間施加直流電壓，而MM2000型儀器的檢測池除施以50V的直流電壓之外，還可有六種電壓的方式選擇，方式1為連續直流電壓，而其它方式為不同頻率的脈沖電壓，根據水含量的多少選擇方式，在氣體中很低水含量時選擇用脈沖供壓以提高檢測靈敏度和準確度。

   ④扣除本底  根據電解定律，電解電流為測量水分被吸收及電解的程度。在平衡狀態下，吸收與電解相等，因此在電解池中給出的電解電流為樣氣中水的測量值，但是測量電流需要修正，i為漏電流，ii為復合再電解電流，二者合稱其為本底電流。

    上述本底電流在MM2000型儀器系統中與其它電解式水分析儀系統不同，般認為以個具有定濕度值源逆著校準是不可能的，而MM2000型儀器具有獨道之處，是可能做成上述之不能處－扣除本底電流。本儀器提供種能準確測量氣體中含水量低于0.05PPM（－95℃）露點水平。  

（3）壓電石英晶體水分儀以AMETEK杜幫公司5900、5800、5700型微量水分儀。此種儀器適用于微電子工藝中超純凈氣體監測及工藝室中殘余氣體中水分檢測<50ppb，同樣，測量如此低水含量需要完好的取樣系統，否則達不到其效果。

三．氣體中水分析的標準  上述儀器中電容水分析儀和壓電石英晶體水分析儀需用標準來校準或用標準方法校準。電解式水分析儀雖有堅實的量值的理論基礎，但為了更準確地測量也往往需要與些準確的數據和方法進行比對和校正。

    大量的實際應用中，同樣氣用不同型號的儀器甚至同類型號儀器來測量往往也得不到同值的分析結果，尤其＜PPM級的氣體樣氣時，追究其原因是定量標準不致結果。水分分析標準是非常困難與關鍵的問題。因此SHAW公司的露點儀以空氣校驗，當空氣中水含量高于－20℃時，不再改變其濕度指示。這極大的方便了儀器的使用，但從誤差分析理論上講以幾千個PPM的標準來校驗幾個PPM甚至＜1ppm的樣氣中水含量誤差是很大的。因此，PPM級氣體中水分析標準問題特別引起人們重視。