VDI VDE 3514 Blatt 2-2013 Measurement of humidity - Methods of measurement.pdf

1、VEREINDEUTSCHERINGENIEUREVERBAND DERELEKTROTECHNIKELEKTRONIKINFORMATIONSTECHNIKGasfeuchtemessungMessverfahrenMeasurement of gas humidityMethods of measurementVDI/VDE 3514Blatt 2 / Part 2Ausg. deutsch/englischIssue German/EnglishVDI/VDE-Handbuch Prozessmesstechnik und StrukturanalyseVDI-Handbuch Raum

2、lufttechnikVDI-Handbuch Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen, Band 5: Spezielle VerfahrenstechnikenVDI/VDE-RICHTLINIENDie deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The German version of this guideline shall be taken as authorita-tive. No guarantee can be given with respect to the Eng

3、lish trans-lation. Inhalt SeiteVorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Anwendungsbereich . . . . . . . . . . . . . . 22 Normative Verweise . . . . . . . . . . . . . .3 Gravimetrisches Verfahren. . . . . . . . . . . 34 Psychrometrisches Verfahren . . . . . . . . . 45 Mechanische Verfahr

4、en . . . . . . . . . . . . 76 Kondensationsverfahren . . . . . . . . . . . . 86.1 Optisches Taupunkt-Hygrometer(Taupunktspiegel-Hygrometer) . . . . . . . 96.2 Elektrisches Taupunkt-Hygrometer . . . . . 116.3 Thermisches Taupunkt-Hygrometer . . . . 126.4 SAW-Hygrometer . . . . . . . . . . . . . . 147

5、 Leitfhigkeitsverfahren. . . . . . . . . . . . . 157.1 Resistiver Festkrpersensor . . . . . . . . . 157.2 Resistiver elektrolytischer Sensor. . . . . . 168 Kapazitive Verfahren . . . . . . . . . . . . . . 178.1 Polymersensoren . . . . . . . . . . . . . . 188.2 Metalloxidsensoren . . . . . . . . . .

6、. . . 209 Schwingquarzverfahren . . . . . . . . . . . . 2110 Spektroskopische Verfahren . . . . . . . . . 2310.1 Laser-Absorptionsspektroskopie . . . . . 2410.2 Fourier-Transformations-Infrarot-Spektroskopie (FTIR) . . . . . . . . . . 2510.3 UV-Absorptionsspektroskopie . . . . . . 2610.4 Cavity-Ring

7、-Down-Spektroskopie(CRDS). . . . . . . . . . . . . . . . . . 2710.5 Light Detection and Ranging (Lidar) . . 2810.6 Faseroptischer Sensor . . . . . . . . . . 30Contents PagePreliminary note . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Normative reference

8、s . . . . . . . . . . . . . 3 Gravimetric method . . . . . . . . . . . . . . 34 Psychrometric method. . . . . . . . . . . . . 45 Mechanical method . . . . . . . . . . . . . . 76 Condensation methods . . . . . . . . . . . . 86.1 Optical dew point hygrometer(chilled mirror hygrometer). . . . . . . . .

9、 96.2 Electric dew point hygrometer . . . . . . . 116.3 Thermal dew point hygrometer. . . . . . . 126.4 SAW hygrometer . . . . . . . . . . . . . . 147 Conductance methods. . . . . . . . . . . . . 157.1 Resistive solid sensors . . . . . . . . . . . 157.2 Resistive electrolytic sensor . . . . . . . .

10、168 Capacitive methods . . . . . . . . . . . . . . 178.1 Polymer sensors . . . . . . . . . . . . . . 188.2 Metal oxide sensors. . . . . . . . . . . . . 209 Vibrating quartz method . . . . . . . . . . . . 2110 Spectroscopic methods . . . . . . . . . . . 2310.1 Laser absorption spectroscopy. . . . . .

11、 2410.2 Fourier transform infrared spectroscopy(FTIR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2510.3 UV absorption spectroscopy. . . . . . . 2610.4 Cavity ring-down spectroscopy(CRDS) . . . . . . . . . . . . . . . . . 2710.5 Light detection and ranging (LIDAR) . . 2810.6 Fibre optics sensor . . . . . .

12、. . . . . . 30FrhereAusgabe: 12.11 Entwurf, deutschFormer edition: 12/11Draft, in German onlyZubeziehen durch /Available at BeuthVerlag GmbH,10772 Berlin AlleRechtevorbehalten /All rights reserved Verein Deutscher Ingenieuree.V.,Dsseldorf 2013Vervielfltigung auchfr innerbetrieblicheZwecke nichtgesta

13、ttet / Reproduction evenfor internal use not permittedICS 07.030 Mrz 2013March 2013VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik (GMA)Fachbereich Prozessmesstechnik und StrukturanalyseB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCDB7EF8AD9NormCD - Stand 2013-04 2 VDI/VDE 3514 Blatt 2 / Part 2 Alle R

14、echte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2013Seite11 Elektrolyseverfahren . . . . . . . . . . . . . 3212 Sonstige Verfahren . . . . . . . . . . . . . . 3412.1 Zirkonoxidsensor . . . . . . . . . . . . 3412.2 Farbwechselverfahren . . . . . . . . . . 3513 Gegenberstellung der Messv

15、erfahren . . . 37Schrifttum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40VorbemerkungDer Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Be-achtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richt-linie VDI 1000.Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, derFotokopie, der elektronischen Verwendung und derber

16、setzung, jeweils auszugsweise oder vollstndig,sind vorbehalten.Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wahrungdes Urheberrechts und unter Beachtung der Lizenz-bedingungen (www.vdi-richtlinien.de), die in denVDI-Merkblttern geregelt sind, mglich.Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieserVD

17、I-Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt.Eine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieserRichtlinienreihe ist im Internet abrufbar unterwww.vdi.de/3514.1 AnwendungsbereichDiese Richtlinie beschreibt gngige Verfahren zurMessung der Gasfeuchte und geht dabei auf die fol-genden Punkte zu den jeweilige

18、n Messverfahren ein: Messprinzip technische Ausfhrungen messtechnische Einsatzbereiche typische ApplikationenZiel ist, dem Anwender eine Entscheidungshilfe zurAuswahl eines Messverfahrens fr eine jeweiligeMessaufgabe an die Hand zu geben.Diese Richtlinie erhebt nicht den Anspruch, alle tech-nisch ve

19、rfgbaren Verfahren aufzufhren. Es erfolgteine Beschrnkung auf aktuell angewendete Mess-verfahren, die dem Stand der Technik entsprechen.2 Normative VerweiseDas folgende zitierte Dokument ist fr die Anwen-dung dieser Richtlinie erforderlich:VDI/VDE 3514 Blatt 1:2007-11 Gasfeuchtemessung;Kenngren und

20、FormelzeichenPage11 Electrolytic method. . . . . . . . . . . . . . 3212 Other methods . . . . . . . . . . . . . . . . 3412.1 Zirconium oxide sensor . . . . . . . . . 3412.2 Colour-change method . . . . . . . . . 3513 Comparison of the measurement methods. 37Bibliography . . . . . . . . . . . . . . .

21、 . . . . . 40Preliminary noteThe content of this guideline has been developed instrict accordance with the requirements and recom-mendations of the guideline VDI 1000.All rights are reserved, including those of reprinting,reproduction (photocopying, micro copying), storagein data processing systems

22、and translation, either ofthe full text or of extracts.The use of this guideline without infringement of copy-right is permitted subject to the licensing conditionsspecified in the VDI Notices (www.vdi-richtlinien.de).We wish to express our gratitude to all honorary con-tributors to this guideline.A

23、 catalogue of all available parts of this series ofguidelines can be accessed on the internet atwww.vdi.de/3514.1 ScopeThis guideline describes common methods used inmeasuring gas humidity. The following aspects arediscussed for each method: measurement principle technical implementations useful met

24、rological range typical applicationsThe aim is to provide the user with decision-makingguidance when selecting a measurement method for aparticular task.This guideline does not claim to list all technicallyfeasible methods. It is limited to current methods thatreflect the state of the art.2 Normativ

25、e referencesThe following referenced document is indispensablefor the application of this guideline:VDI/VDE 3514 Part 1:2007-11 Measurement of hu-midity; Characteristics and symbolsB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCDB7EF8AD9NormCD - Stand 2013-04VDI/VDE 3514 Blatt 2 / Part 2 3 All rights reserved

26、 Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 20133 Gravimetrisches VerfahrenDas gravimetrische Verfahren (gravimetrisches Hy-grometer) zur Bestimmung der Gasfeuchte ist einesder wenigen fundamentalen Verfahren, mit denen imfeuchten Gas die Masse des Wasserdampfs und dieMasse des trockenen Gases (Mis

27、chungsverhltnis r)direkt auf SI-Basiseinheiten (hier das Kilogramm)zurckgefhrt werden kann.Messprinzip und technische AusfhrungDas Funktionsprinzip des gravimetrischen Hygrome-ters besteht in der Trennung des Wasserdampfs vonder Luft bzw. seinem Trgergas und der gesondertenabsoluten Bestimmung der M

28、asse des Wasserdampfsund der des trockenen Gases. Dazu wird das feuchteGas durch Absorptionsgefe geleitet, meist mehrerein Reihe geschaltete U-Rohre, die mit einem starkenTrockenmittel (z.B. Phosphorpentoxid, Magnesium-perchlorat, spezielles Molekularsieb) gefllt sind.Die Masse des aufgefangenen Was

29、serdampfs wirddurch direkte Wgung der Absorptionsgefe vorBeginn und nach Ende der Durchleitung des feuchtenGases bestimmt.Das aus den Absorptionsgefen austretende tro-ckene Gas wird in zuvor evakuierten Behltern miteinem typischen Volumen von 30 l bis 60 l aufgefan-gen. Seine Masse kann sowohl direk

30、t, durch Wgungder Behlter vor und nach der Befllung, oder auchindirekt ber das bekannte Volumen des Behltersund der Dichte des darin aufgefangenen Gases be-stimmt werden. Die Dichte des Gases wird mittelsder im Behlter gemessenen Druck- und Temperatur-werte auf Basis der Zustandsgleichung der Gase b

31、e-rechnet.Da eine direkte Wgung der Behlter fr das aufzu-fangende trockene Gas vorher und nachher aufgrunddes hohen Eigengewichts (Edelstahl) und der erfor-derlichen vakuumgeeigneten Ventile fr die Masse-bestimmung meist nicht realisierbar ist, geht mannach der indirekte Methode vereinfacht folgende

32、r-maen vor:In der allgemeinen Zustandsgleichung fr idealeGase pV = n RT kann die Teilchenzahl n durch denQuotienten aus der Masse des Gases m und seinermolaren Masse M ausgedrckt werden. Whrend frdie Berechnung der Dichte von feuchtem Gas dv derKompressionsfaktor Z zu bercksichtigen ist, kann erim S

33、pezialfall von Luft in der Zustandsgleichung ent-fallen, da die Luft nach Durchgang durch die Adsorp-tionsrhrchen als trocken anzusehen ist. Das Umstel-len der Zustandsgleichung und Auflsen nach derMasse der Luft ergibt:3 Gravimetric methodThe gravimetric method (gravimetric hygrometer) ofdeterminin

34、g gas humidity is one of the few funda-mental methods with the aid of which, in a humid gas,the mass of the water vapour and that of the dry gas(mixture ratio r) can be referred directly back to SIfundamental units (in this case, the kilogram).Measurement principle andtechnical implementationThe ope

35、rating principle of the gravimetric hygrome-ter consists in separating the water vapour from theair or from its carrier gas, and separately determiningthe absolute mass of the water vapour and that of thedry gas. The humid gas is passed through absorptionvessels, mostly several U-tubes arranged in s

36、eries,filled with a strong desiccant such as e.g. phosphoruspentoxide, magnesium perchlorate or a special mo-lecular sieve. The mass of the captured water vapouris determined by direct weighing of the absorptionvessels before and after the passage of the humid gas.The dry gas leaving the absorption

37、vessels is capturedin previously evacuated containers, typically with avolume of 30 l to 60 l. Its mass can be determined eit-her directly, by weighing the container before and af-ter it is filled with the gas, or indirectly from theknown volume of the container and the density of thegas. This densi

38、ty is calculated from the pressure andtemperature measured in the container, using theequation of state for gases.Since the mass-determination method consisting ofbefore-and-after direct weighing of the containerused to capture the dry gas is usually impractical dueto the containers large weight (st

39、ainless steel) andthe required vacuum-type valves, the indirect methodis used in the following simplified way:In the general equation of state for ideal gases pV =n RT, the number of particles n can be expressed asthe ratio of the mass of the gas m to its molar mass M.While the compression factor Z

40、needs to be taken intoaccount when calculating the density dv of a humidgas, it can be neglected in the equation of state for thespecial case of air, since the air can be regarded as dryafter passing through the adsorption tubes. Rearrang-ing the equation of state and solving for the air mass,yields

41、:B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCDB7EF8AD9NormCD - Stand 2013-04 4 VDI/VDE 3514 Blatt 2 / Part 2 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2013Dabei istp Druck in PaT Temperatur in KV bekannter Wert fr das Volumen der Behlter inKubikmeterMa molare Masse der trockenen L

42、uftR allgemeine GaskonstanteAus dem Quotienten der Masse des Wasserdampfsgeteilt durch die Masse der trockenen Luft ergibt sichdas Mischungsverhltnis, aus dem alle anderenFeuchtekenngren abgeleitet werden knnen.Messtechnischer EinsatzbereichDer Arbeitsbereich des gravimetrischen Hygro-meters wird na

43、ch unten begrenzt durch die Messunsi-cherheit der Wgung des Wasserdampfs bei niedri-gen Feuchten und nach oben durch die Absorptions-kapazitt des Trockenmittels und liegt typisch zwi-schen 50 C und 70 C Taupunkttemperatur.Die Messunsicherheit des Mischungsverhltnissesliegt bei etwa 0,3 %. Die wesent

44、lichen Unsicherheits-quellen resultieren von der Wgung, Unvollstndig-keit der Wasserdampfabsorption, von der Handha-bung beim Umgang mit den Absorptionsgefen so-wie von der Temperatur- und Druckmessung bei derindirekten Bestimmung der Masse des Gases ber dieGasdichte. Bei dieser Bestimmung ist es un

45、erlsslich,dass sich die Behlter zum Auffangen des trockenenGases fr eine gute Temperaturkonstanz in einem be-wegten Flssigkeitsbad befinden und fr die Tempe-ratur- und Druckmessung hchster metrologischerAufwand betrieben wird. Auch aus diesem Grund istein gravimetrisches Hygrometer kein Gert fr dent

46、glichen Gebrauch in technischen Applikationen.Typische ApplikationenDas gravimetrische Verfahren wird zur Validierungvon Feuchtegeneratoren eingesetzt.4 Psychrometrisches VerfahrenDas psychrometrische Verfahren nutzt den Effekt derTemperaturabsenkung durch Verdunstung von Was-ser auf einer Oberflche

47、. Die Temperaturabsenkungder Oberflche ist ein Ma fr den Wasserdampf-druck des vorbeistrmenden Gases.MessprinzipDie psychrometrische Feuchtemessung beruht dar-auf, dass sich eine feuchte Oberflche durch die Ver-dunstung des auf ihr befindlichen Wassers abkhlt.ma p Ma V R T-=wherep measured pressure,

48、 in PaT temperature, in KV known volume of the container in cubic metresMa molar mass of the dry airR universal gas constantThe ratio of water vapour mass to dry air mass yieldsthe mixture ratio, from which all other humidity pa-rameters can be derived.Useful metrological rangeThe gravimetric hygrom

49、eters working range isbounded below by the measurement errors of weigh-ing the water vapour at low humidity, and above bythe desiccants absorption capacity. The typical rangelies between 50 C and 70 C dew point tempera-ture.The mixture ratios measurement error is approx.0,3 %. The main sources of error are due to theweighing process, to incomplete water vapour ab-sorption, to handling of the absorption vessels and totemperature a