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浅析SHAW—SADP水分仪在空分行业的应用与维护
摘要：介绍了微量水分析的种类和原理，及SHAW（肖氏）公司SADP仪器的构造和应用。
关键词： 微量水分析、介电常数、应用


前言：
对于现代空分制氧机而言，大部份采用的是分子吸附净化流程。以便于吸附清除原料空气中的水、乙炔、二氧化碳、及一些碳氢化合物，以保证空分设备正常运行。再加上空分相关设备在日常运行过程中经常要进行倒换，并进行加温、吹扫。这些都必须要对相关气体内的微量水分进行测量。因而水分分析仪在空分行业的应用非常的广泛而重要。
由于经过分子筛吸附之后的空气中水分一般都不大于10ppm（露点-60℃），要精确测量如此之低的含水量，对仪器的性能及使用和维护都有不同于普通的常量组份分析仪器。
经过几十年的努力，微量水分的分析方法多种多样。有经典基准的镜面露点法，快速响应的电容法，绝对量值的电解法。测量灵敏度高且范围宽广的压电石英振荡法，各种光学吸收法和气相色谱法等，这几种方法各有千优劣，其灵敏度如表1所示：
表1几种测量水分方法的灵敏度
而在气体分析中水分测量应用最多的是电容式水分析仪，其次是电解式水分析仪。

1、电容式水分析仪测量原理
对于一定几何结构的电容器来说，其电容量与两级间介质的介电常数成正比。不同的物质，介电常数值都不相等。一般介质的介电常数值都较小。例如一般干燥物质的介电常数在2.0—5.0之间，但水的介电常数值为81。所以它比一般介质的介电常数值大得多。当介质中含有水分时，就会使介质的介电常数值发生改变，从而引起电容器电容量的变化，这个变化与介质的含水量有线性关系，这就是电容式微量水分仪的基本测量原理。以平板电容为例，其电容计算公式为：
C ＝εS/d
C — 平板电容的电容量 ε— 极板间介质的介电常数
S — 极板面积 d — 极板间的距离

当电容器的几何尺寸S、d、和极板之间的电压V一定时，电容量C仅和极板间介质的介电常数有关，由于水的介电常数远远大于其它介质，因而样气中介电常数主要取决于样气中的水分含量。同时样气中介电常数的变化主要取决于样气中的水分含水量的变化。电容式微量水分仪就是依据这一原理工作的。
2、电容式水分析仪的内部构造
电容式水分析仪具有响应快，灵敏度高，操作方便，经济实用，因而在工业气体生产与应用中倍受欢迎，应用广泛。如PANAMETRICS、SHAW、MICHELL和XENTAUR公司等都在生产各种系列的电容式水分测量仪，已在不同行业、工艺中应用。
电容式微量水分仪传感器（称探头），是以铝和能渗透水的黄金膜为极板，两极板间填以氧化铝微孔介质，多孔氧化铝可以从含有水分的气体中有为收水气或者是从含有水分的液体中吸收水分，这样就使电容器两个极板之间介质的介电常驻数发生变化，因而电容量也就随之变化。。由于氧化铝吸湿层上无其它吸湿材料氧化铝层很薄，仅7.5×10-5英寸，因此阻、容的响应直接与湿度有关。水蒸汽浓度从10000微克／升降至10微克／升（－60℃~－25℃）仅需几分钟。另外当湿度变化很小时，输出信号的变化取决于通过氧化层毛细孔的水分自由行程，因而使之响应很快。探头的类型一般分为两种，一种带状控头，一种棒状控头。
现以SHAW（肖氏）SADP型便携式水分仪为例，对电容式水分仪进行详细介绍，其内部测量探头结构如下图


3、日常使用及维护
在样品气接入仪器之前，取样管道应先进行充分的吹扫，否则所测结果不代表气体中实际含水的真实值。在仪器接入样品气之前，先将环境空气引入仪器，进行校对。先将样气流量控制在5—10L/min，后再引入样品气。仪器引入样气后再将测量仓至少置换三次（即将样品管线接入进口，后堵住出口，样气将会把测量仓的压盖顶起，如样气压力不够，可用手将测量仓压盖手动牵引置换。）随即进行测量，测量值一般将会由高向低下降，待读数稳定之后的数值即为介质中水分含量（一般需要4—8分钟）。
所测样品气体应洁净，无游离水，一旦杂质与灰尘进入仪器传感器，由于湿度传感器内部填充的是无定型氧化铝，其孔径为70Aº，孔距160 Aº左右；如若粉尘进入，将氧化铝微小的吸湿孔堵塞致使吸湿效率下降，测量结果将偏低，甚至对水分无响应。SHAW传感器使用寿命至少保持10年，这就需要严谨的操作，如若操作不当，传感器长时间暴露大气中使氧化铝表面慢慢形成水合物，结果对水的吸附容量减少，引起传感器的电阻，电容值下降，而导致传感器性能衰退，严重者将永久性损坏，因此测量水分所用管线要用内壁表面光滑的金属或聚四氟乙烯管，最好为内抛光不锈钢管。仪器在不使用时应将仪器测量仓的压盖压下，以隔绝环境空气中的水分长时间的进入仪器。仪器每年必须使用标准湿度发生器检查校正一次，假如相对比去年的校正曲线偏离较大，则很有可能是氧化铝被微尘堵塞导致吸湿能力变差的原因所造成的。