湿度传感器的工业应用

湿度传感器的工业应用

　　这可以说，湿度在扮演每一个工业生产过程中举足轻重的一部分。张女士说，自己的大气中含有水蒸汽见证了这一事实，即使它只是最终产品很可能会被储存，并最终在我们的环境中使用，因此，产品的不同湿度条件下潜在的性能必须是已知的。向其中湿度起着任何给定的生产过程的一部分的程度可能有所不同，但在许多情况下，它是必不可少的，最起码，它被监控，并且在大多数情况下，进行控制。它也可以说，湿度是更困难的属性来定义和测量比相关联的参数，如温度和压力。事实上，这是一个真正的分析测量，其中所述传感器必须与过程环境，而相比之下，压力和温度传感器，它们总是从处理分别由绝缘的温度计插孔和一个隔膜。这当然是有污染和传感器的劣化程度不同的环境而定的性质的影响。

　　本文综述了各种湿度传感器技术和测量方面的典型应用范围，以它们最适合。污染的影响，考虑到测量的分析性质高度显著，简要评估。总之，它是建议，如果初始成本是不是首要的考虑因素，冷镜，光学露点湿度计提供湿度测量与最广泛的范围内的最精确的，可重复和可靠的方法。

　　在产业的范围湿度测量应用：

　　表1显示了一个A到Z的行业，在湿度测量扮演一个角色。虽然该列表并不详尽，它确实有助于说明极其广泛的应用与湿度的仪器的供应商可能面临。事实上，这些应用程序包括六个数量级时，在百万分之一（PPM）为单位体积的水蒸汽，相当于-85至+100癈露点的整体范围内考虑。这当然是不太可能，一个测量技术可以覆盖整个范围内，但如果初始成本不是主要考虑因素，冷镜，光学露点湿度计大概可以说是最接近实现这一点。

　　在实践中，各种商业和技术标准，将决定该测量技术是用于任何特定的应用。表2示出所引用的行业中使用的最常见的湿度测量参数，这取决于应用程序，并且表3示出了若干传感器技术是如何与特定行业相关的所决定的商业压力和测量的技术要求。这些方面本身总是由测量的关键性影响。

　　需要注意的两个要点是不同的单位用于测量范围的不同部分，而测量单位的行业用途是非常往往是一个很好的指标，以传感器技术就应该采用的类型。湿度测量确定水蒸汽存在于气体中的量。此气体可以是一种混合物，如空气，或它可以是一个纯气体，如氮气或氩气。虽然有许多测量技术中，最常用的参数是相对湿度（RH），露点/霜点（D/FPT）和百万分之一（PPM）。

　　相对湿度测量（相对湿度）：

　　一种湿度测量是水蒸汽存在于气体中的气体在给定温度下的饱和蒸气压的分压的比值。因此，相对湿度是温度的函数。测量是用百分比表示。

　　人的身体是敏感的，并且可以体验不同的相对湿度的干燥和闷热的夏季的一天之间的对比方面。

　　露点/霜点测量（D/FPT）：

　　露点是在该水蒸汽的气体中冷凝成液体水的温度。霜点的温度（低于0度），在该蒸汽中结晶，以冰。D/FPT为气体的压力的函数，但与温度无关，因此被定义为根本。

　　我们都可以看到在我们的浴室露点现象。在寒冷的日子中，当反射镜或抛光的金属表面，例如一个抽头的表面的温度，低于该气氛的露点时，露或缩合层将形成在其表面上。

　　百万分之一（PPM）的体积分数（PPMV）水汽含量或表达，如果乘以水的分子量的对空气的比例，ppm重。

　　这个参数是更难以设想，因为它超出了人体检测大气中的这样大的变化的能力。然而其在工业中的应用的一个实例是，医疗气体：那些气体，例如一氧化二氮，二氧化碳和氧在外科手术中使用时，应该具有的水分含量小于60ppm的低，并调节在这方面。

　　一些传感器类型及其应用的思考：

　　如先前所述，广泛用在表1中所描述的各种工业所需的湿度测量排除了任何一个传感器技术从适合于所有应用。鉴于此，并在此论文的主题的限制，接下来是一些通常用在所引用的行业的传感器技术的概要。

　　相对湿度测量技术：

　　相对湿度测量可以通过湿度测定，位移，电阻，电容和液体吸附传感器制成。其中的一些技术说明如下。

　　湿球/干球温度计干湿：

　　湿度测定一直是流行的用于监测湿度的方法，主要是由于它的简单性和固有的成本低。一个典型的工业干湿计由一对匹配的电子体温计，其中一个是在一个的润湿条件。在操作中，水的蒸发来冷却介质接触温度计，致使它和周围，或干球测量值之间的可测量的差异。当湿球温度达到其最高温度低气压，湿度是通过比较湿球/干球温度的湿度图来确定。

　　而干湿提供高精确度在接近饱和（100％RH）的环境和使用简单和修复，其在较低的相对湿度准确度（低于20％）的差的和维护的要求是强烈的。它不能被用于在温度低于0癈，并且由于干湿计本身的水分的来源，它不能在用于小，封闭卷。

　　干湿球温度计通常用来控制气候/环境试验箱。

　　位移传感器：

　　也许是最古老式湿度传感器仍然在普遍使用的是位移传感器。这些设备使用的应变仪或其他机制来测量扩展成比例地变化，相对湿度的材料或收缩。在使用中最常见的材料是毛，尼龙和纤维素。这种类型的传感器的优点是，它是制造成本低和污染高度免疫。缺点是倾向于随时间漂移和滞后效应是显著。

　　散装高分子电阻式传感器：

　　这些电子传感器提供相对湿度的直接，辅助测量。它们是由在其上的叉指电极的网格被沉积在绝缘陶瓷基片。这些电极涂有湿敏盐包埋在聚合物树脂。然后将树脂覆盖有保护性涂层，是可渗透水蒸汽。水渗透到涂层中，所述聚合物是离子化和离子成为树脂内移动。当电极被激发用的交流电流时，传感器的阻抗测量，并用于计算的百分比相对湿度（％RH）。

　　由于它们的结构，本体聚合物电阻传感器相对不受表面污染。虽然表面积聚不影响传感器的精确度，但它确实对响应时间产生不利影响。由于在小于20％相对湿度值高的电阻值，这种传感器通常更适合于较高的相对湿度范围。

　　电容式传感器：

　　电容式传感器（有机聚合物电容）通常设计有平行板与多孔电极或带叉指手指的衬底上。该介电材料吸收或解吸水蒸气从环境的变化湿度。在介电常数得到的变化引起的电容变化，这反过来，提供了不同相对湿度的阻抗。约30％的介电常数的变化对应于相对湿度0-100％的变化。

　　传感器材料是由非常薄，以实现与湿度大的信号变化。这允许水进入和离开容易，同时允许进行快速干燥和传感器的校准容易。

　　测量是从一个大的基地电容制成，因此在0％电容读数是在一个有限的和可衡量的相对湿度电容式液位进行。

　　此传感器类型是非常适合在高温环境下使用，因为温度系数低并且聚合物电介质可以承受高温。电容式传感器，也适用于要求灵敏度的高度低的湿度水平，在那里它们将提供一个相对快速响应的应用。在相对湿度值在85％以上然而，该传感器具有一种倾向，饱和，并成为非线性的。

　　典型的应用为聚合物的电阻和聚合物电容式传感器是：

　　1.暖通空调节能管理。

　　2.电脑室/洁净室控制。

　　3.手持设备。

　　4.环境和气象监测。

　　从露点计算相对湿度和温度：

　　例如，光学露点变送器具有温度测量设备可被用来提供一个高准确度相对湿度值。这将是从一个主要的测量相对昂贵的“次要”输出。设备通常用于露点/霜点（D/FPT）测量。

　　饱和盐氯化锂传感器，氧化铝传感器和光学冷镜传感器都用来直接测量D/FPT。这些传感器提供了广泛的测量范围露点或霜点方面。

　　饱和盐氯化锂传感器：

　　饱和盐氯化锂传感器一直是最广泛使用的露点传感器中的一个。它的普及源于其简单，成本低，耐用性，并且它提供了一个基本的测量的事实。

　　该传感器由覆盖有吸收的面料和双线绕组惰性电极的筒子。筒管上涂有氯化锂的稀溶液。交变电流通过绕组和盐溶液，产生电阻加热。作为筒管加热，水从盐蒸发在其通过的水的蒸气压在周围的空气控制的速率。作为筒管开始变干，对盐溶液的电阻增加引起较少流过电流的线圈，并使线圈架来冷却。筒管的这种加热和冷却达到平衡点，它既不需要也不上放出的水。这个平衡温度成正比的水蒸汽压力或周围空气的露点。这个值是用铂电阻温度计（PRT）和输出直接作为D/FPT测定。

　　如果饱和食盐传感器被污染，它可以很容易地进行清洗和充电用氯化锂。该技术的限制是一个相对慢的响应时间和它是通过氯化锂的性质所施加的测量范围的下限值。传感器不能用于测量露点时的水蒸汽压力低于饱和蒸气压力氯化锂，其中发生在大约11％RH。

　　饱和食盐传感器是当一个成本低，坚固耐用，反应速度慢和适度精确的传感器，需要一个有吸引力的命题。它们通常用于以下应用：

　　1.制冷控制

　　2.干衣机

　　3.除湿机

　　4.空气在线监测

　　5.丸包衣机

　　对于要求更高的精确度和/或更广泛的测量应用中，缩合型，电解，或氧化物传感器应予以考虑。

　　氧化铝露点传感器：

　　氧化铝露点仪及其衍生物，如陶瓷或硅为基础的传感器，是指推断D/F的PT值由在该电容测量会受到在其所处的环境湿度的方式辅助测量设备。它们可在多种类型，从低成本，单点系统，包括便携式电池供电模式，多点，基于微处理器的系统来计算和显示湿度信息在不同参数的能力。

　　一个典型的氧化铝传感器是一个电容器，通过在导电衬底上淀积层的多孔三氧化二铝，然后在氧化带的金薄膜涂层而形成。在导电基体和金层形成电容器的电极。水蒸气渗透的金层和由多孔氧化物吸收。吸收的水分子的数目决定了电容器，后者又正比于水的蒸气压的电阻抗。

　　氧传感器体积小，借给自己在原地使用。它们适用于低霜点测量（-100℃），并可以工作在比较宽的范围涵盖高压应用。它们也可以被用于测量湿气在液体中，而且，由于耗电低，适合于本质安全和防爆装置。

　　氧化铝传感器常用于石化，电力等行业中的低露点是“一致”与经济的多个传感器的安排进行监测。

　　与这些传感器相关的主要缺点是，它们是次要的测量设备，并且必须频繁地重新校准，以适应老化效应，滞后和污染。

　　冷镜（光学冷凝）温湿度计：

　　冷镜湿度计被广泛认为是露点测量最精确的方法。这是一个主要的测量，测量正如它的名字所暗示的，环境气体的实际冷凝点，并且可以容易地溯源到国际校准标准，如英国UKAS和NIST。该传感器包含一个小的金属镜，在其表面被冷却，直到水冷凝出来的样品气体到镜面。

　　反射镜是由一个光源照射并反射由光电晶体管进行检测。在缩合的发生时，反射光被散射，因此，降低了在检测器。一种控制系统，保持镜的温度保持在其中凝结的薄膜保持的点。埋设在镜甲PRT测量其温度，因此，在D/FPT温度。

　　为+/精度-0.2度可能与冷镜湿度测量。珀尔帖冷却补充在某些情况下与任何额外的空气或水冷却的多级可提供-85的整体测量范围几乎100癈露点。响应时间快，操作相对漂移自由。惰性建筑和最小的维护要求（这两个功能有内在的联系）也认为，冷镜湿度计是一个很好的选择传感器为要求苛刻的应用中，成本是合理的。

　　这是千真万确的事，你会发现一个光学露点湿度计最多校准链的末端和更稳健的设计也同样非常适用于控制关键工业过程，因为它们提供了校准实验室的参考标准。有些系统具有解决污染的一个相当复杂的方法，但这个问题也会在本文的另一部分更深入的处理。

　　典型应用光学冷凝湿度计：

　　1.医用空气线

　　2.液体冷却电子

　　3.冷却电脑

　　4.热处理炉

　　5.冶炼炉

　　6.洁净室控制

　　7.干衣机

　　8.湿度校准标准

　　9.发动机测试台架

　　装置通常用于测量的PPM：

　　电解，压电谐振器和多阶段冷镜传感器用于测量水蒸汽在低PPM区域。当在此范围内进行测量，并用样品的系统，而不是在原位测量技术（有时工艺条件（高温，高压，腐蚀性气体）和/或传感器技术所使用的类型将排除的原位测量）它至关重要的是要确保所有零件是气密的，非吸湿性的材料（如不锈钢）的使用，并且，开始测定时，有足够的时间允许对系统进行干燥向下和平衡。

　　电解湿度计：

　　电解湿度计通常用于干燥气体的测量，因为它提供可靠的性能长时间在低ppm范围内。通常，电解传感器需要被测量的气体必须清洁，不应该用磷酸溶液反应，尽管最近的发展在传感器单元技术和样品调节系统允许更恶劣的应用中，例如在湿气氯加以处理。

　　电解传感器利用涂有五氧化二磷的薄膜（P2O5），其根据测量吸收水从气体中的细胞。当电流被施加到电极上时，水蒸汽的P2O5吸收的离解成氢分子和氧分子。以解离的水所需的电流的量成比例的水分子存在于样品中的数量。这个数目，随着流速和温度是由体积的水蒸汽（PPMV）的浓度，以确定每百万的部分。

　　电解传感器是用在非常干燥的应用最多1000ppmv的。并且非常适合用于工业过程，如超纯气体，专科催化剂，精细化工和集成电路生产使用。在每一种情况下，生产过程的成功依赖于惰性毯条件的维护。这意味着经常氮气或氩气的连续供给被用于吹扫的生产环境。以及维持该气体的纯度，水蒸汽含量也应保持非常低，该电解湿度计是非常适合提供可靠的测量中只是这样的环境中。

　　此传感器的其他典型应用包括：

　　1.臭氧发生器

　　2.干燥的空气线

　　3.氮气输送系统

　　4.惰性气体保护焊

　　综上所述，虽然电解湿度计可以在低水分提供一个初级的，可靠的测量，该装置的精度依赖于维持控制和监测样品流。应用程序必须经过精心挑选某些气体会腐蚀和/或污染传感器。

　　压电共振传感器：

　　压电谐振传感器工作在相对湿度平衡，其中的水的吸附增加了质量，它直接影响着晶体的谐振频率的原理。

　　该传感器具有一个湿度敏感涂层放置于一个谐振晶体表面。晶体谐振频率的变化，因为湿度敏感涂层或吸收或解吸水蒸气以响应变化的环境湿度水平。这个谐振频率进行比较，在干燥气体，或已校准的％相对湿度的参考频率的类似的测量。

　　光学冷凝湿度计与最大冷却能力：

　　如先前根据露点/霜PT测定部，光缩合湿度计与珀耳帖冷却的多级，补充在某些情况下与任何额外的空气或乙二醇/水冷却外，可以在其下端提供一种露点测量下至-85癈，其小于0.25ppmv的水在1大气压的压力。

　　污染问题：

　　为了了解污染对湿度传感器的潜在影响的意义是适当在现阶段重提引入到本文中所做的声明：

　　“湿度是一个真正的分析测量，其中所述传感器必须与过程环境，而相比之下，压力和温度传感器，它们总是从处理分别由绝缘的温度计插孔和一个隔膜。这当然是有污染和传感器的劣化程度不同，取决于环境的性质“的意义。

　　很少的污染应该存在于纯净气体流，露点或PPM水平监测，然而，在大多数工业过程有含有非常水分含量范围内的高电位的污染或者通过直接的，处理气体中的微粒或由可溶性污染物，它需要测量。

　　所有在本文中引用的传感器受可溶性和不溶性杂质。不幸的是，许多污染时，传感器不会显得那么反而会被看作是提供了一个非常合乎逻辑的测量值与湿度控制系统。没有定期检查和重新校准的唯一证据表明该传感器已“去睡觉”将被从劣质产品以某种形式或其他的渐进外观而来的，因此，大部分湿度传感器的至关重要的是，定期维护应包括检查的响应和精确度。

　　这可能与湿度校准系统，包括饱和和不饱和的盐，相对湿度和露点发生器来完成。

　　两种方法都采用了尝试，以容纳污染影响：一种方法是设计一种传感器，其中污染的有害影响被减小，从而延长了传感器的有效寿命。这可能是固有的传感器设计本身（这是本体聚合物背后的概念，电阻式湿度传感器），或者可以通过引入某种形式或过滤器或鞘插入系统来实现。你的传感器和环境之间放然而更多的物理屏障，则在试图使一个可行的和准确的测量会遇到更多的问题。一旦被污染和堵塞，过滤器可以具有创建本身与传感器之间的不具代表性的微环境的影响。因此，在测量被限制在准确性和响应时间和过滤方面将只拦截微粒污染。可选地，第二种方法是接受污染将会发生，因此设计一种方法，其中它可以被监视，并且如果可能的话，为补偿。

　　一落入后一类测量技术是光学露点湿度计，其可以掺入自我检查功能，其可手动或自动操作的（在最复杂的设计的情况下），在电子控制单元内。由于光学湿度计提供的露点或湿度值，所述光学控制系统正不断观看镜的表面，因此，在其上形成的露水或霜层，将反应污染该存款本身上的连续，实时的测量反射镜或者通过含有水蒸汽中的固体颗粒或它们的盐被监视。

　　当露点传感器首次投入运行，镜子是干净的，可维持在其表面凝结的完美层和高精确度和可重复性，将导致。由于传感器但继续运行，有时几周甚至几个月污染物逐步退出到镜子被测量的样品流。这些污染物可以引起两种类型的错误如下。

　　固体颗粒污染物：

　　只是作为一个露层减小光的光量从反射镜反射到光检测器，以便于它的日益积聚非水溶性的污染。如果被允许无限期地持续下去，系统会失控并读出一个大露点错误。在此之前发生，然而，镜子必须清洗，在所有的工业应用为露点传感器，建议过程测量开始前的传感镜进行清洁。

　　水溶性污染物：

　　常常出现在样品中存在的水溶性污染物，一般在天然盐的形式。这些盐进入溶液与在镜面上的纯净水并引起的蒸气压降低。这可能会导致水的过量积聚在反射镜（潮解）在真实露点。伺服控制回路检测得到的接收光的损失则提高了镜面温度补偿，即它蒸发了一些多余的水。若干度的正误差，可能导致这样的效果，这现象被称为因为它是由拉乌尔定律所定义的拉乌尔效应。

　　一些污染物纠错技术已经发展了时间用于光学露点湿度计。早期的系统使用简单的手动平衡技术，这是当时开发了一个自动平衡控制（ABC）。后来的双光束/双镜和连续系统的平衡发展。所有这些方法涉及重新平衡或扰乱秩序中的光学传感器电桥，以弥补上镜的污染累积误差。这些技术有效地纠正只有上述的微粒污染，他们不会产生通过拉乌尔效应正确的污染错误，因为自动servoloop是无法应付增加的实际露点或过厚露过厚露层之间的区别引起的在镜面上的盐污染层。在这两种情况下servoloop会使正温度校正和蒸发一些露水层的，它会在第一时间纠正反而会造成读出错误的第二位。这个错误可以几度的秩序。

　　所谓PACER（可编程自动污染物减少误差）纠错技术是由通用东区开发为减少错误，由于拉乌尔效应的有效途径。起搏器校正周期开始于一个聚结期间，即反射镜的温度被有意冷却样品的露点以下，凝结出大量的水。这多余的水溶解任何水溶性污染物。反射镜，然后加热完全一样用自动平衡系统。水的大水坑逐渐蒸发承载着日益沉重的污染物浓度，直到最后，当所有的水已经蒸发，结晶污染物干岛留在了镜子。

　　现在80至85％的表面是干净的和反射的整个表面上覆盖着杂质，其中前。系统随后进到在镜面上生长的清洁区的新露层和无差错的动作的进一步期间如下。

　　最后，当然，系统必须关闭，进行清洗，但是，当达到该点的仪器会告知用户通过可视警报或通过电子装置的控制面板上。在周期性PACER周期，通常持续几分钟，模拟输出和数字显示保持在露点级别立即发生前普遍，因此，实际的过程控制值保持不变。在PACER周期结束时再次显示实时露点信息和无扰切换发生到现在衡量任何新的露点或霜点值。

　　另一种类型的光学设备，值得在这一点上引用的是骑自行车冷镜（CCM）温湿度计。这湿度计采用寻址污染在于它具有无误差抑制电路本身，而是简单地限制了时间的镜面花费在湿状态下的量的不同方法。反射镜的冷却现行露点的是，循环的基础上进行的。一旦露点已经被发现和报告，反射镜加热到温度略高于室温，然后'等待'在干燥条件。测量周期，然后重复。视镜是湿的相对少量的时间，对污染物脱落气流成露水的电位被降低。

　　总之，所有湿度传感器受他们正在监视可以导致污染，导致最终的不敏感的一个变化过程的湿度条件的环境中。一般东部PACER周期，自动平衡控制或手动白平衡调整可与冷镜的光学露点湿度计不仅使过程操作员来检查传感器是否被污染，而且无论是自动或手动调整可以补偿到一个极限，当维护在反射镜的形式的清洁是必要的。因此，光学露点湿度计一般可连续无人值守的时间比大多数其他湿度测量系统长时间运行，并提供了可能是最准确的，可重复和可靠的湿度测量可用于过程工业湿度监测，特别是在严重污染的环境中。一些装置，如自行车冷镜（CCM）湿度计只是试图限制通过减少时间的镜子花费在“湿”的状态量的影响的污染。传感器冷却到在循环的基础现行的露点，从而减少潜在的污染物沉积在露在反射镜表面上。然而，应当认识到，这不是一个'活'露点测量技术，是不适合的地方工艺条件须迅速变化的应用程序。

　　结论：

　　经审阅广泛的工业湿度测量传感器，很显然，没有人测量技术是适合所有的应用，也无论该技术使用的过程环境将最终污染的湿度传感器。通常出现的问题是，在什么时候做了传感器变得如此污染，它不再能够提供一个可靠和精确的测量？

　　经常听到在湿度测量行业的短语是传感器已经“睡着了”，也就是说，它似乎是衡量一个非常合乎逻辑的湿度值，但已经完全不敏感，处理湿度的变化。在大多数情况下只去除传感器从过程定期检查和重新校准可以克服这个问题。有时传感器如此严重污染的，它必须被更换。

　　然而，一个测量技术，它可以克服这个问题在很大程度上是冷镜的光学露点湿度计。如果初始成本是不是在任何给定的湿度测量应用的决定性因素，那么冷镜的光学露点湿度计似乎提供湿度测量的最通用的方法，并在内置功能，允许它来监控污染发生的程度和调节它的性能来弥补。当这种调整，可以是手动或自动，达到了极限，仪器会建议用户通过操作指示或报警从而使原位清洗传感器，并重新规范把它重新投入运行。

　　光学冷镜式湿度计，因此，不仅提供了什么被认为是测量，测量范围广，通过使用传感器具有不同功能的抑郁症便利，同时也是最可重复和可靠的测量最准确的方法，由于其自我检查能力。作为主测量技术，它也被接受为一个可跟踪的，连续的，在线测量，这是特别相关的，其中可追踪生产质量是必需的。正是这种类型的湿度计，防止它被越来越广泛，或许，解决工业湿度测量的问题，只有相对较高的初始成本。

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