湿度对氧中氢分析仪和传感器测量的影响

湿度对氧中氢分析仪和传感器测量的影响

在电解水制氢过程中，氧中氢分析仪（Hydrogen-in-Oxygen Analyzer）和氢氧传感器是确保系统安 全性和效率的关键设备，主要用于监测电解槽氧气侧产物中残留的氢气浓度。氧中氢分析仪在电解水制氢中不仅是安 全卫士，也是工艺优化的眼睛。通过实时数据反馈，可预防事故、延长设备寿命并提升产氢效率，尤其在绿氢大规模发展的背景下，其重要性将进一步凸显。

新购的热导氢气分析仪是否需要在实验室条件下，单独通入干燥的钢瓶气体进行校准？回答是否定的，不需要。因为氧中氢分析仪在出厂时使用了非常干燥的标准气体，而且在固定的流量下进行的校准。氢气分析仪安装在现场，被测气体的流量、湿度、压力和温度与实验室条件下不同，都发生变化，还需要在现场对氧中氢分析仪进行重新校准，使得分析仪在同样的条件下校准，在相同的条件下测量。现场校准时，需要把干燥钢瓶气体加湿，通入气体取样系统，进入热导氢气分析仪。详细内容见下面章节描述。

总结：新的热导氢气分析仪标定出厂后，达到用户安装现场，由于现场的采样系统的压力、流量、湿度都发生了变化，如果进行准确氢气测量，需要把热导氧中氢分析仪连接测试采样系统，在现场进行二次标定，消除现场参数影响。

d、标气的流量的影响：30 ppm/0.1l/分钟。热导氢气分析仪在工厂是固定流量下校准的，测试时需要再相同流量下测试。

在电解水过程中，待测气体由H2、O2和H2O组成。在电解过程中，阴极和阳极有两个输出气流需要监测，以避免爆炸危险。阴极产生H2气流不得含有O2，阳极产生的O2流不得含有H2。在这种情况下，水蒸气浓度（湿度）需要确定一个的变量。湿度取决于形成和取样地点的温度。
3.1 干气和湿气浓度显示，体积误差
由于H2O蒸气存在而稀释了其他组分，湿度冷凝会增加其他成分的浓度。H2和O2浓度应按原样（潮湿）显示，即湿度水分占总体积的一部分，还是应按冷却（干燥）去除所有水分的方式显示？对于有上限的安 全测量，这个问题很容易回答。就爆炸风险而言，危险的状态是在干燥条件下，干燥和潮湿之间的读数差异就是所谓的体积误差。当水蒸汽（湿度）浓度C已知时，这很容易计算。从湿到干，H2和O2的浓度增加了系数：x=（1–C/100）-1。例如，当水浓度为5 Vol.%（露点约33°C），H2含量为4 Vol.%时冷凝后，其体积百分比增加至4.21%体积误差为0.21Vol.%。
4 热导氧中氢分析仪监测H2和O2，湿度影响效应
对于基于热导原理测量的分析，待测气体必须是（准）二元混合物。含有三种气体的混合物通常需要额外的措施来获得正确的浓度值。 如果其中一种气体是水蒸气，通常的解决方案是预处理被测气体，使水蒸气在测量和校准过程中减少并保持稳定。通常方法是通过样气冷却器对机体进行干燥获得的。 或者，另一种方法可以使用用于对其中一个组件进行采样的额外测量方法，例如绝 对湿度传感器，随后对水蒸气（湿度）影响进行数学补偿，给出了感兴趣成分的正确浓度。 两种方法的结合可以获得很佳的测量结果。
出于安 全原因，氧气流中的H2浓度以及氢气流中的O2浓度必须接近零并持续监测。因此，水蒸气（湿度）对零点处H2和O2读数的影响将在下一章中量化。零点处没有体积误差，但交叉灵敏度会影响热导原理的分析仪测量值。交叉干扰的定量影响因H2流和O2流而异。因此，将在以下章节中单独讨论。
4.1 氧气中氢气H2的安 全测量，0至4 Vol.%
首先，我们假设使用干燥的钢瓶标准气校准了热导TCD分析仪。在电解水过程中，湿度非常高，露点温度可能高达+60℃。由于湿度在环境温度下的冷凝，我们假设露点将降低至0至35℃之间。相应的湿度水蒸气（H2O）浓度导致图3中蓝线所示的交叉灵敏度。

当露点为5℃时，此时显示约0.2 Vol.%H2读数值；露点为30℃时，出现约0.7 Vol.%H2读数的信号。使用图3上半部分给出的公式，y=0.0004x²+0.0072x+0.1253，可以估计任何露点数值的交叉灵敏度误差。
由于干法测量是很好的，但很难实现–如第3.1章所述–建议使用露点为5℃或以下的样气冷却器（gas cooler）。它能去除大部分水分，剩余的湿度交叉灵敏度误差约为+0.2Vol.% H2。
现在让我们假定热导氢气分析仪TCD的偏移量是在露点为5℃的情况下用干燥的钢瓶气体加湿方法进行校准，此时湿度交叉灵敏度为+0.2 Vol.% H2的误差被消除，这种情况由图3中的橙色线表示。 每个气体冷却器都有控制偏差。假设冷却器控制露点的稳定性为±2℃，图3中橙色线给出的显示读数保持正确，精度约为±0.02Vol.%H2、使用图3中下部分给出的公式，y =0.0004x² +0.0072x-0.0462，可计算其他露点稳定性的交叉灵敏度误差。
请注意，根据气体冷却器内的流速和冷凝液量，冷却器在一段时间后会被钢瓶气体干燥。附录中的图5显示了一个流程图，说明了如何通过使用鼓泡加湿法来避免这种情况。

关于被测气体干燥：如果有可能尽量使用电子冷凝器（帕尔帖制冷，gas cooler）,不推荐采用变色硅胶和分子筛等干燥剂。电子冷凝器控制湿度稳定，达到稳定测量和稳定读数。而变色硅胶和分子筛等干燥剂控制湿度不稳定，带来氢气读数不稳定。如果确实要使用干燥剂，优先推荐使用分子筛（添加少量变色硅胶做变色指示使用）。
低浓度氢气测试和校准时，由于湿度和流量对分析仪影响非常大。设计装置时，从气体到热导气体分析仪的管路长度尽量短，材质尽量选用水蒸汽吸附比较小，更容易催扫的不锈钢或氟橡胶材质。如有流量计或其他仪表时，尽量放在氧中氢分析仪的排气口，这样设计可以减少稳定时间。