濕度傳感器的工業應用

　　這可以說，濕度在扮演每一個工業生產過程中舉足輕重的一部分。張女士說，自己的大氣中含有水蒸汽見證了這一事實，即使它只是最終產品很可能會被儲存，并最終在我們的環境中使用，因此，產品的不同濕度條件下潛在的性能必須是已知的。向其中濕度起著任何給定的生產過程的一部分的程度可能有所不同，但在許多情況下，它是必不可少的，最起碼，它被監控，并且在大多數情況下，進行控制。它也可以說，濕度是更困難的屬性來定義和測量比相關聯的參數，如溫度和壓力。事實上，這是一個真正的分析測量，其中所述傳感器必須與過程環境，而相比之下，壓力和溫度傳感器，它們總是從處理分別由絕緣的溫度計插孔和一個隔膜。這當然是有污染和傳感器的劣化程度不同的環境而定的性質的影響。

　　本文綜述了各種濕度傳感器技術和測量方面的典型應用范圍，以它們最適合。污染的影響，考慮到測量的分析性質高度顯著，簡要評估。總之，它是建議，如果初始成本是不是首要的考慮因素，冷鏡，光學露點濕度計提供濕度測量與最廣泛的范圍內的最精確的，可重復和可靠的方法。

　　在產業的范圍濕度測量應用：

　　表1顯示了一個A到Z的行業，在濕度測量扮演一個角色。雖然該列表并不詳盡，它確實有助于說明極其廣泛的應用與濕度的儀器的供應商可能面臨。事實上，這些應用程序包括六個數量級時，在百萬分之一（PPM）為單位體積的水蒸汽，相當于-85至+100癈露點的整體范圍內考慮。這當然是不太可能，一個測量技術可以覆蓋整個范圍內，但如果初始成本不是主要考慮因素，冷鏡，光學露點濕度計大概可以說是最接近實現這一點。

　　在實踐中，各種商業和技術標準，將決定該測量技術是用于任何特定的應用。表2示出所引用的行業中使用的最常見的濕度測量參數，這取決于應用程序，并且表3示出了若干傳感器技術是如何與特定行業相關的所決定的商業壓力和測量的技術要求。這些方面本身總是由測量的關鍵性影響。

　　需要注意的兩個要點是不同的單位用于測量范圍的不同部分，而測量單位的行業用途是非常往往是一個很好的指標，以傳感器技術就應該采用的類型。濕度測量確定水蒸汽存在于氣體中的量。此氣體可以是一種混合物，如空氣，或它可以是一個純氣體，如氮氣或氬氣。雖然有許多測量技術中，最常用的參數是相對濕度（RH），露點/霜點（D/FPT）和百萬分之一（PPM）。

　　相對濕度測量（相對濕度）：

　　一種濕度測量是水蒸汽存在于氣體中的氣體在給定溫度下的飽和蒸氣壓的分壓的比值。因此，相對濕度是溫度的函數。測量是用百分比表示。

　　人的身體是敏感的，并且可以體驗不同的相對濕度的干燥和悶熱的夏季的一天之間的對比方面。

　　露點/霜點測量（D/FPT）：

　　露點是在該水蒸汽的氣體中冷凝成液體水的溫度。霜點的溫度（低于0度），在該蒸汽中結晶，以冰。D/FPT為氣體的壓力的函數，但與溫度無關，因此被定義為根本。

　　我們都可以看到在我們的浴室露點現象。在寒冷的日子中，當反射鏡或拋光的金屬表面，例如一個抽頭的表面的溫度，低于該氣氛的露點時，露或縮合層將形成在其表面上。

　　百萬分之一（PPM）的體積分數（PPMV）水汽含量或表達，如果乘以水的分子量的對空氣的比例，ppm重。

　　這個參數是更難以設想，因為它超出了人體檢測大氣中的這樣大的變化的能力。然而其在工業中的應用的一個實例是，醫療氣體：那些氣體，例如一氧化二氮，二氧化碳和氧在外科手術中使用時，應該具有的水分含量小于60ppm的低，并調節在這方面。

　　一些傳感器類型及其應用的思考：

　　如先前所述，廣泛用在表1中所描述的各種工業所需的濕度測量排除了任何一個傳感器技術從適合于所有應用。鑒于此，并在此論文的主題的限制，接下來是一些通常用在所引用的行業的傳感器技術的概要。

　　相對濕度測量技術：

　　相對濕度測量可以通過濕度測定，位移，電阻，電容和液體吸附傳感器制成。其中的一些技術說明如下。

　　濕球/干球溫度計干濕：

　　濕度測定一直是流行的用于監測濕度的方法，主要是由于它的簡單性和固有的成本低。一個典型的工業干濕計由一對匹配的電子體溫計，其中一個是在一個的潤濕條件。在操作中，水的蒸發來冷卻介質接觸溫度計，致使它和周圍，或干球測量值之間的可測量的差異。當濕球溫度達到其最高溫度低氣壓，濕度是通過比較濕球/干球溫度的濕度圖來確定。

　　而干濕提供高精確度在接近飽和（100％RH）的環境和使用簡單和修復，其在較低的相對濕度準確度（低于20％）的差的和維護的要求是強烈的。它不能被用于在溫度低于0癈，并且由于干濕計本身的水分的來源，它不能在用于小，封閉卷。

　　干濕球溫度計通常用來控制氣候/環境試驗箱。

　　位移傳感器：

　　也許是最古老式濕度傳感器仍然在普遍使用的是位移傳感器。這些設備使用的應變儀或其他機制來測量擴展成比例地變化，相對濕度的材料或收縮。在使用中最常見的材料是毛，尼龍和纖維素。這種類型的傳感器的優點是，它是制造成本低和污染高度免疫。缺點是傾向于隨時間漂移和滯后效應是顯著。

　　散裝高分子電阻式傳感器：

　　這些電子傳感器提供相對濕度的直接，輔助測量。它們是由在其上的叉指電極的網格被沉積在絕緣陶瓷基片。這些電極涂有濕敏鹽包埋在聚合物樹脂。然后將樹脂覆蓋有保護性涂層，是可滲透水蒸汽。水滲透到涂層中，所述聚合物是離子化和離子成為樹脂內移動。當電極被激發用的交流電流時，傳感器的阻抗測量，并用于計算的百分比相對濕度（％RH）。

　　由于它們的結構，本體聚合物電阻傳感器相對不受表面污染。雖然表面積聚不影響傳感器的精確度，但它確實對響應時間產生不利影響。由于在小于20％相對濕度值高的電阻值，這種傳感器通常更適合于較高的相對濕度范圍。

　　電容式傳感器：

　　電容式傳感器（有機聚合物電容）通常設計有平行板與多孔電極或帶叉指手指的襯底上。該介電材料吸收或解吸水蒸氣從環境的變化濕度。在介電常數得到的變化引起的電容變化，這反過來，提供了不同相對濕度的阻抗。約30％的介電常數的變化對應于相對濕度0-100％的變化。

　　傳感器材料是由非常薄，以實現與濕度大的信號變化。這允許水進入和離開容易，同時允許進行快速干燥和傳感器的校準容易。

　　測量是從一個大的基地電容制成，因此在0％電容讀數是在一個有限的和可衡量的相對濕度電容式液位進行。

　　此傳感器類型是非常適合在高溫環境下使用，因為溫度系數低并且聚合物電介質可以承受高溫。電容式傳感器，也適用于要求靈敏度的高度低的濕度水平，在那里它們將提供一個相對快速響應的應用。在相對濕度值在85％以上然而，該傳感器具有一種傾向，飽和，并成為非線性的。

　　典型的應用為聚合物的電阻和聚合物電容式傳感器是：

　　1.暖通空調節能管理。

　　2.電腦室/潔凈室控制。

　　3.手持設備。

　　4.環境和氣象監測。

　　從露點計算相對濕度和溫度：

　　例如，光學露點變送器具有溫度測量設備可被用來提供一個高準確度相對濕度值。這將是從一個主要的測量相對昂貴的“次要”輸出。設備通常用于露點/霜點（D/FPT）測量。

　　飽和鹽氯化鋰傳感器，氧化鋁傳感器和光學冷鏡傳感器都用來直接測量D/FPT。這些傳感器提供了廣泛的測量范圍露點或霜點方面。

　　飽和鹽氯化鋰傳感器：

　　飽和鹽氯化鋰傳感器一直是最廣泛使用的露點傳感器中的一個。它的普及源于其簡單，成本低，耐用性，并且它提供了一個基本的測量的事實。

　　該傳感器由覆蓋有吸收的面料和雙線繞組惰性電極的筒子。筒管上涂有氯化鋰的稀溶液。交變電流通過繞組和鹽溶液，產生電阻加熱。作為筒管加熱，水從鹽蒸發在其通過的水的蒸氣壓在周圍的空氣控制的速率。作為筒管開始變干，對鹽溶液的電阻增加引起較少流過電流的線圈，并使線圈架來冷卻。筒管的這種加熱和冷卻達到平衡點，它既不需要也不上放出的水。這個平衡溫度成正比的水蒸汽壓力或周圍空氣的露點。這個值是用鉑電阻溫度計（PRT）和輸出直接作為D/FPT測定。

　　如果飽和食鹽傳感器被污染，它可以很容易地進行清洗和充電用氯化鋰。該技術的限制是一個相對慢的響應時間和它是通過氯化鋰的性質所施加的測量范圍的下限值。傳感器不能用于測量露點時的水蒸汽壓力低于飽和蒸氣壓力氯化鋰，其中發生在大約11％RH。

　　飽和食鹽傳感器是當一個成本低，堅固耐用，反應速度慢和適度精確的傳感器，需要一個有吸引力的命題。它們通常用于以下應用：

　　1.制冷控制

　　2.干衣機

　　3.除濕機

　　4.空氣在線監測

　　5.丸包衣機

　　對于要求更高的精確度和/或更廣泛的測量應用中，縮合型，電解，或氧化物傳感器應予以考慮。

　　氧化鋁露點傳感器：

　　氧化鋁露點儀及其衍生物，如陶瓷或硅為基礎的傳感器，是指推斷D/F的PT值由在該電容測量會受到在其所處的環境濕度的方式輔助測量設備。它們可在多種類型，從低成本，單點系統，包括便攜式電池供電模式，多點，基于微處理器的系統來計算和顯示濕度信息在不同參數的能力。

　　一個典型的氧化鋁傳感器是一個電容器，通過在導電襯底上淀積層的多孔三氧化二鋁，然后在氧化帶的金薄膜涂層而形成。在導電基體和金層形成電容器的電極。水蒸氣滲透的金層和由多孔氧化物吸收。吸收的水分子的數目決定了電容器，后者又正比于水的蒸氣壓的電阻抗。

　　氧傳感器體積小，借給自己在原地使用。它們適用于低霜點測量（-100℃），并可以工作在比較寬的范圍涵蓋高壓應用。它們也可以被用于測量濕氣在液體中，而且，由于耗電低，適合于本質安全和防爆裝置。

　　氧化鋁傳感器常用于石化，電力等行業中的低露點是“一致”與經濟的多個傳感器的安排進行監測。

　　與這些傳感器相關的主要缺點是，它們是次要的測量設備，并且必須頻繁地重新校準，以適應老化效應，滯后和污染。

　　冷鏡（光學冷凝）溫濕度計：

　　冷鏡濕度計被廣泛認為是露點測量最精確的方法。這是一個主要的測量，測量正如它的名字所暗示的，環境氣體的實際冷凝點，并且可以容易地溯源到國際校準標準，如英國UKAS和NIST。該傳感器包含一個小的金屬鏡，在其表面被冷卻，直到水冷凝出來的樣品氣體到鏡面。

　　反射鏡是由一個光源照射并反射由光電晶體管進行檢測。在縮合的發生時，反射光被散射，因此，降低了在檢測器。一種控制系統，保持鏡的溫度保持在其中凝結的薄膜保持的點。埋設在鏡甲PRT測量其溫度，因此，在D/FPT溫度。

　　為+/精度-0.2度可能與冷鏡濕度測量。珀爾帖冷卻補充在某些情況下與任何額外的空氣或水冷卻的多級可提供-85的整體測量范圍幾乎100癈露點。響應時間快，操作相對漂移自由。惰性建筑和最小的維護要求（這兩個功能有內在的聯系）也認為，冷鏡濕度計是一個很好的選擇傳感器為要求苛刻的應用中，成本是合理的。

　　這是千真萬確的事，你會發現一個光學露點濕度計最多校準鏈的末端和更穩健的設計也同樣非常適用于控制關鍵工業過程，因為它們提供了校準實驗室的參考標準。有些系統具有解決污染的一個相當復雜的方法，但這個問題也會在本文的另一部分更深入的處理。

　　典型應用光學冷凝濕度計：

　　1.醫用空氣線

　　2.液體冷卻電子

　　3.冷卻電腦

　　4.熱處理爐

　　5.冶煉爐

　　6.潔凈室控制

　　7.干衣機

　　8.濕度校準標準

　　9.發動機測試臺架

　　裝置通常用于測量的PPM：

　　電解，壓電諧振器和多階段冷鏡傳感器用于測量水蒸汽在低PPM區域。當在此范圍內進行測量，并用樣品的系統，而不是在原位測量技術（有時工藝條件（高溫，高壓，腐蝕性氣體）和/或傳感器技術所使用的類型將排除的原位測量）它至關重要的是要確保所有零件是氣密的，非吸濕性的材料（如不銹鋼）的使用，并且，開始測定時，有足夠的時間允許對系統進行干燥向下和平衡。

　　電解濕度計：

　　電解濕度計通常用于干燥氣體的測量，因為它提供可靠的性能長時間在低ppm范圍內。通常，電解傳感器需要被測量的氣體必須清潔，不應該用磷酸溶液反應，盡管最近的發展在傳感器單元技術和樣品調節系統允許更惡劣的應用中，例如在濕氣氯加以處理。

　　電解傳感器利用涂有五氧化二磷的薄膜（P2O5），其根據測量吸收水從氣體中的細胞。當電流被施加到電極上時，水蒸汽的P2O5吸收的離解成氫分子和氧分子。以解離的水所需的電流的量成比例的水分子存在于樣品中的數量。這個數目，隨著流速和溫度是由體積的水蒸汽（PPMV）的濃度，以確定每百萬的部分。

　　電解傳感器是用在非常干燥的應用最多1000ppmv的。并且非常適合用于工業過程，如超純氣體，專科催化劑，精細化工和集成電路生產使用。在每一種情況下，生產過程的成功依賴于惰性毯條件的維護。這意味著經常氮氣或氬氣的連續供給被用于吹掃的生產環境。以及維持該氣體的純度，水蒸汽含量也應保持非常低，該電解濕度計是非常適合提供可靠的測量中只是這樣的環境中。

　　此傳感器的其他典型應用包括：

　　1.臭氧發生器

　　2.干燥的空氣線

　　3.氮氣輸送系統

　　4.惰性氣體保護焊

　　綜上所述，雖然電解濕度計可以在低水分提供一個初級的，可靠的測量，該裝置的精度依賴于維持控制和監測樣品流。應用程序必須經過精心挑選某些氣體會腐蝕和/或污染傳感器。

　　壓電共振傳感器：

　　壓電諧振傳感器工作在相對濕度平衡，其中的水的吸附增加了質量，它直接影響著晶體的諧振頻率的原理。

　　該傳感器具有一個濕度敏感涂層放置于一個諧振晶體表面。晶體諧振頻率的變化，因為濕度敏感涂層或吸收或解吸水蒸氣以響應變化的環境濕度水平。這個諧振頻率進行比較，在干燥氣體，或已校準的％相對濕度的參考頻率的類似的測量。

　　光學冷凝濕度計與最大冷卻能力：

　　如先前根據露點/霜PT測定部，光縮合濕度計與珀耳帖冷卻的多級，補充在某些情況下與任何額外的空氣或乙二醇/水冷卻外，可以在其下端提供一種露點測量下至-85癈，其小于0.25ppmv的水在1大氣壓的壓力。

　　污染問題：

　　為了了解污染對濕度傳感器的潛在影響的意義是適當在現階段重提引入到本文中所做的聲明：

　　“濕度是一個真正的分析測量，其中所述傳感器必須與過程環境，而相比之下，壓力和溫度傳感器，它們總是從處理分別由絕緣的溫度計插孔和一個隔膜。這當然是有污染和傳感器的劣化程度不同，取決于環境的性質“的意義。

　　很少的污染應該存在于純凈氣體流，露點或PPM水平監測，然而，在大多數工業過程有含有非常水分含量范圍內的高電位的污染或者通過直接的，處理氣體中的微粒或由可溶性污染物，它需要測量。

　　所有在本文中引用的傳感器受可溶性和不溶性雜質。不幸的是，許多污染時，傳感器不會顯得那么反而會被看作是提供了一個非常合乎邏輯的測量值與濕度控制系統。沒有定期檢查和重新校準的唯一證據表明該傳感器已“去睡覺”將被從劣質產品以某種形式或其他的漸進外觀而來的，因此，大部分濕度傳感器的至關重要的是，定期維護應包括檢查的響應和精確度。

　　這可能與濕度校準系統，包括飽和和不飽和的鹽，相對濕度和露點發生器來完成。

　　兩種方法都采用了嘗試，以容納污染影響：一種方法是設計一種傳感器，其中污染的有害影響被減小，從而延長了傳感器的有效壽命。這可能是固有的傳感器設計本身（這是本體聚合物背后的概念，電阻式濕度傳感器），或者可以通過引入某種形式或過濾器或鞘插入系統來實現。你的傳感器和環境之間放然而更多的物理屏障，則在試圖使一個可行的和準確的測量會遇到更多的問題。一旦被污染和堵塞，過濾器可以具有創建本身與傳感器之間的不具代表性的微環境的影響。因此，在測量被限制在準確性和響應時間和過濾方面將只攔截微粒污染。可選地，第二種方法是接受污染將會發生，因此設計一種方法，其中它可以被監視，并且如果可能的話，為補償。

　　一落入后一類測量技術是光學露點濕度計，其可以摻入自我檢查功能，其可手動或自動操作的（在最復雜的設計的情況下），在電子控制單元內。由于光學濕度計提供的露點或濕度值，所述光學控制系統正不斷觀看鏡的表面，因此，在其上形成的露水或霜層，將反應污染該存款本身上的連續，實時的測量反射鏡或者通過含有水蒸汽中的固體顆粒或它們的鹽被監視。

　　當露點傳感器首次投入運行，鏡子是干凈的，可維持在其表面凝結的完美層和高精確度和可重復性，將導致。由于傳感器但繼續運行，有時幾周甚至幾個月污染物逐步退出到鏡子被測量的樣品流。這些污染物可以引起兩種類型的錯誤如下。

　　固體顆粒污染物：

　　只是作為一個露層減小光的光量從反射鏡反射到光檢測器，以便于它的日益積聚非水溶性的污染。如果被允許無限期地持續下去，系統會失控并讀出一個大露點錯誤。在此之前發生，然而，鏡子必須清洗，在所有的工業應用為露點傳感器，建議過程測量開始前的傳感鏡進行清潔。

　　水溶性污染物：

　　常常出現在樣品中存在的水溶性污染物，一般在天然鹽的形式。這些鹽進入溶液與在鏡面上的純凈水并引起的蒸氣壓降低。這可能會導致水的過量積聚在反射鏡（潮解）在真實露點。伺服控制回路檢測得到的接收光的損失則提高了鏡面溫度補償，即它蒸發了一些多余的水。若干度的正誤差，可能導致這樣的效果，這現象被稱為因為它是由拉烏爾定律所定義的拉烏爾效應。

　　一些污染物糾錯技術已經發展了時間用于光學露點濕度計。早期的系統使用簡單的手動平衡技術，這是當時開發了一個自動平衡控制（ABC）。后來的雙光束/雙鏡和連續系統的平衡發展。所有這些方法涉及重新平衡或擾亂秩序中的光學傳感器電橋，以彌補上鏡的污染累積誤差。這些技術有效地糾正只有上述的微粒污染，他們不會產生通過拉烏爾效應正確的污染錯誤，因為自動servoloop是無法應付增加的實際露點或過厚露過厚露層之間的區別引起的在鏡面上的鹽污染層。在這兩種情況下servoloop會使正溫度校正和蒸發一些露水層的，它會在第一時間糾正反而會造成讀出錯誤的第二位。這個錯誤可以幾度的秩序。

　　所謂PACER（可編程自動污染物減少誤差）糾錯技術是由通用東區開發為減少錯誤，由于拉烏爾效應的有效途徑。起搏器校正周期開始于一個聚結期間，即反射鏡的溫度被有意冷卻樣品的露點以下，凝結出大量的水。這多余的水溶解任何水溶性污染物。反射鏡，然后加熱完全一樣用自動平衡系統。水的大水坑逐漸蒸發承載著日益沉重的污染物濃度，直到最后，當所有的水已經蒸發，結晶污染物干島留在了鏡子。

　　現在80至85％的表面是干凈的和反射的整個表面上覆蓋著雜質，其中前。系統隨后進到在鏡面上生長的清潔區的新露層和無差錯的動作的進一步期間如下。

　　最后，當然，系統必須關閉，進行清洗，但是，當達到該點的儀器會告知用戶通過可視警報或通過電子裝置的控制面板上。在周期性PACER周期，通常持續幾分鐘，模擬輸出和數字顯示保持在露點級別立即發生前普遍，因此，實際的過程控制值保持不變。在PACER周期結束時再次顯示實時露點信息和無擾切換發生到現在衡量任何新的露點或霜點值。

　　另一種類型的光學設備，值得在這一點上引用的是騎自行車冷鏡（CCM）溫濕度計。這濕度計采用尋址污染在于它具有無誤差抑制電路本身，而是簡單地限制了時間的鏡面花費在濕狀態下的量的不同方法。反射鏡的冷卻現行露點的是，循環的基礎上進行的。一旦露點已經被發現和報告，反射鏡加熱到溫度略高于室溫，然后'等待'在干燥條件。測量周期，然后重復。視鏡是濕的相對少量的時間，對污染物脫落氣流成露水的電位被降低。

　　總之，所有濕度傳感器受他們正在監視可以導致污染，導致最終的不敏感的一個變化過程的濕度條件的環境中。一般東部PACER周期，自動平衡控制或手動白平衡調整可與冷鏡的光學露點濕度計不僅使過程操作員來檢查傳感器是否被污染，而且無論是自動或手動調整可以補償到一個極限，當維護在反射鏡的形式的清潔是必要的。因此，光學露點濕度計一般可連續無人值守的時間比大多數其他濕度測量系統長時間運行，并提供了可能是最準確的，可重復和可靠的濕度測量可用于過程工業濕度監測，特別是在嚴重污染的環境中。一些裝置，如自行車冷鏡（CCM）濕度計只是試圖限制通過減少時間的鏡子花費在“濕”的狀態量的影響的污染。傳感器冷卻到在循環的基礎現行的露點，從而減少潛在的污染物沉積在露在反射鏡表面上。然而，應當認識到，這不是一個'活'露點測量技術，是不適合的地方工藝條件須迅速變化的應用程序。

　　結論：

　　經審閱廣泛的工業濕度測量傳感器，很顯然，沒有人測量技術是適合所有的應用，也無論該技術使用的過程環境將最終污染的濕度傳感器。通常出現的問題是，在什么時候做了傳感器變得如此污染，它不再能夠提供一個可靠和精確的測量？

　　經常聽到在濕度測量行業的短語是傳感器已經“睡著了”，也就是說，它似乎是衡量一個非常合乎邏輯的濕度值，但已經完全不敏感，處理濕度的變化。在大多數情況下只去除傳感器從過程定期檢查和重新校準可以克服這個問題。有時傳感器如此嚴重污染的，它必須被更換。

　　然而，一個測量技術，它可以克服這個問題在很大程度上是冷鏡的光學露點濕度計。如果初始成本是不是在任何給定的濕度測量應用的決定性因素，那么冷鏡的光學露點濕度計似乎提供濕度測量的最通用的方法，并在內置功能，允許它來監控污染發生的程度和調節它的性能來彌補。當這種調整，可以是手動或自動，達到了極限，儀器會建議用戶通過操作指示或報警從而使原位清洗傳感器，并重新規范把它重新投入運行。

　　光學冷鏡式濕度計，因此，不僅提供了什么被認為是測量，測量范圍廣，通過使用傳感器具有不同功能的抑郁癥便利，同時也是最可重復和可靠的測量最準確的方法，由于其自我檢查能力。作為主測量技術，它也被接受為一個可跟蹤的，連續的，在線測量，這是特別相關的，其中可追蹤生產質量是必需的。正是這種類型的濕度計，防止它被越來越廣泛，或許，解決工業濕度測量的問題，只有相對較高的初始成本。

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