冷鏡法露點儀基本原理及其測量條件的選擇
一、冷鏡式露點儀基本原理
當一定體積的氣體在恒定的壓力下均勻降溫時，氣體和氣體中水分的分壓保持不變，直至氣體中的水分達到飽和狀態(tài)，該狀態(tài)下的溫度就是氣體的露點。通常是在氣體流經(jīng)的測定室中安裝鏡面及其附件，通過測定在單位時間內(nèi)離開和返回鏡面的水分子數(shù)達到動態(tài)平衡時的鏡面溫度來確定氣體的露點。一定的氣體濕度對應(yīng)一個露點溫度；一個露點溫度對應(yīng)一定的氣體濕度。因此測定氣體的露點溫度就可以測定氣體的濕度。由露點可以得到絕對濕度，由露點和所測氣體的溫度可以得到氣體的相對濕度。露點儀直接給出的量值是露點溫度，確切地說應(yīng)為“熱力學露點溫度”。世界氣象組織采用的定義是壓力為P，混合比為r 的濕空氣的熱力學露點溫度Td，是指在給定的壓力下，濕空氣被水飽和時的溫度。在這個溫度下，濕空氣的飽和混合比rw 等于給定的混合比r。
光電露點儀的工作原理可以簡單地敘述為：被測氣體在恒定的壓力下，以一定的流速掠過光潔的用冷氮氣致冷的金屬鏡面，隨著溫度逐漸降低，鏡面達到某一個溫度時開始結(jié)露（或霜），此時的鏡面溫度就是露點溫度。儀器通過光學系統(tǒng)，測溫電路，邏輯控制電路、數(shù)字顯示電路等，測量露點溫度Td，并顯示出來。
二、露點測量中應(yīng)該注意的若干問題
1、鏡面污染對露點測量的影響
在露點測量中，鏡面污染是一個突出的問題，其影響主要表現(xiàn)在兩個方面：一是拉烏爾效應(yīng)，二是改變鏡面本底散射水平。拉烏爾效應(yīng)是由水溶性物質(zhì)造成的。如果被測氣體中攜帶這種物質(zhì)（一般是可溶性鹽類）則鏡面提前結(jié)露，使測量結(jié)果產(chǎn)生正偏差。若污染物是不溶于水的微粒，如灰塵等，則會增加本底的散射水平，從而使光電露點儀發(fā)生零點漂移。此外，一些沸點比水低的容易冷凝的物質(zhì)（例如有機物）的蒸氣，不言而喻將對露點的測量產(chǎn)生干擾。因此，無論任何一種類型的露點儀都應(yīng)防止污染鏡面。一般說來，工業(yè)流程氣體分析污染的影響是比較嚴重的。但即使是在純氣的測量中鏡面的污染亦會隨時間增加而積累。為了消除污染的影響，人們摸索出各種各樣的方法。zui直觀的方法是對被測氣體進行過濾。同時根據(jù)具體情況定期或隨時清洗鏡面。此外，通常采用的辦法是在每次測量前對鏡面進行加熱，并通氣吹除污染物。在污染比較明顯的情況下也可以通過多次重復進行結(jié)露和消露過程來實現(xiàn)。為了消除易冷凝碳氫化合物的干擾，有人采用雙鏡面技術(shù)，在露點室中增設(shè)一個與露鏡相連接的“干”鏡面，其溫度稍高于露鏡，當氣進入露點室時，“干”鏡受到和露鏡一樣的污染，但卻不會結(jié)露，從而提供補償。
2、露點儀測量條件的選擇
在露點儀的設(shè)計中要著重考慮直接影響結(jié)露過程熱質(zhì)交換的幾種因素，這個原則同樣適用于自動化程度不太高的露點儀器操作條件的選擇。這里主要討論鏡面降溫速度和樣氣流速問題。被測氣體的溫度通常都是室溫。因此當氣流通過露點室時必然要影響體系的傳熱和傳質(zhì)過程。當其他條件固定時，加大流速的質(zhì)量密度將有利于氣流和鏡面之間的傳質(zhì)。特別是在進行露點測量時，流速應(yīng)適當提高，以加快露層形成速度；但是流速不能太大，否則會造成過熱問題。這對制冷功率比較小的熱電制冷露點儀尤為明顯。流速太大還會導致露點室壓力降低而流速的改變又將影響體系的熱平衡。所以在露點測量中選擇適當?shù)牧魉偈潜匾?，流速的選擇應(yīng)視制冷方法和露點室的結(jié)構(gòu)而定。
一般的流速范圍在0.4L/min～0.7L/min之間。為了減小傳熱的影響，可考慮在被測氣體進入露點室之前進行預冷處理。在露點測量中鏡面降溫速度的控制是一個重要問題，對于自動光電露點儀是由設(shè)計決定的，而對于手控制冷量的露點儀則是操作中的問題。因為冷源的冷卻點、測溫點和鏡面間的熱傳導有一個過程和速度，給測量結(jié)果帶來誤差。這種情況又隨使用的測溫點與鏡面之間的溫度梯度比較大，熱傳導速度也比較慢，從而使測溫和結(jié)露不能同步進行。而且導致露層的厚度無法控制。這對目視檢露來說將產(chǎn)生負誤差。另一個問題是降溫速度太快可能造成“過冷”。我們知道，在一定條件下，水汽達到飽和狀態(tài)時，液相仍然不出現(xiàn)，或者水在零度以下時仍不結(jié)冰，這種現(xiàn)象稱為過飽和或“過冷”。對于結(jié)露（或霜）過程來說，這種現(xiàn)象往往是由于被測氣體和鏡面非常干凈，乃至缺少足夠數(shù)量的凝結(jié)核心而引起的。過冷現(xiàn)象是短暫的，其時間長短和露點或霜點溫度有關(guān)。這種現(xiàn)象可以通過顯微鏡觀察出來；解決的辦法之一是重復加熱和冷卻鏡面的操作，直到這種現(xiàn)象消除為止。另一個解決辦法是直接利用過冷水的水汽壓數(shù)據(jù)。并且這樣做恰恰與氣象系統(tǒng)低于零度時的相對濕度定義相吻合。由上可見，無論是從熱慣性或過冷現(xiàn)象來考慮，降溫速度都不宜太快，如果超過合理范圍，則降溫速度愈快，熱慣性也愈大，露點測量的誤差就愈大，也越容易出現(xiàn)過冷。降溫速度一般通過實驗來確定。
3、低霜點測量中的問題
霜點計或稱低霜點濕度計是微量水測定中為數(shù)不多的zui有效的手段之一。但是在測量中有些問題必須給予充分的注意。首先是影響檢測的霜層厚度問題。在低含水量的情況下，霜層很薄，變化也慢，增加了檢霜的困難，如霜點低于-65℃時，鏡面上水分子移動性減小，結(jié)晶速度相應(yīng)下降，從霜層的出現(xiàn)到相對穩(wěn)定需要一定時間。霜點溫度越低，困難也越大，測量誤差也迅速增加。研究表明。當霜點接近-85℃時鏡面上形成藍色絲狀結(jié)晶的薄霜，在這個溫度附近霜層質(zhì)量密度大約是10-8gm-2，相當于一個分子層的厚度，由此可見，在更低的霜點溫度下測量是難以進行的。另一個是過冷問題。這種現(xiàn)象容易在高空探測中發(fā)生。在低濕下，由于冰的結(jié)晶過程比較緩慢，往往在達到霜點溫度時霜層還未出現(xiàn)。當溫度繼續(xù)降低，水開始結(jié)冰，在過飽和狀態(tài)下霜層迅速形成。但此時的飽和水汽壓不是冰而應(yīng)該是過冷水的飽和水汽壓，如上所述：由于過冷現(xiàn)象，霜點測量誤差有時高達幾度。因此低霜點測量中要特別小心，保持足夠長的平衡時間。
這里順便談一下低霜點測量中需要注意的其他問題，由于露點儀的工作環(huán)境，即大氣中的水分含量都在數(shù)萬×10-6（體積分數(shù)），從而給操作造成很大的困難。測量結(jié)果往往發(fā)散性比較大，其原因是復雜的。要使測量數(shù)據(jù)準確可靠，除了保證儀器具有良好的性能和質(zhì)量外還必須注意下面幾個問題。
（1）氣路系統(tǒng)一定要密封性好，以防止外界環(huán)境水分往里滲漏。
（2）如果被測氣體直接排放入大氣，應(yīng)考慮大氣中的水分向測量系統(tǒng)內(nèi)部擴散的問題。zui常用的辦法是在排氣口接上一段適當長度的管子，其長度和管徑以不影響測量腔的壓力為原則。
（3）取樣管道要盡量短，盡量減少接頭的數(shù)量和避免“死空間”，以減少本底水分的干擾。
（4）取樣管道和測量腔內(nèi)壁力求干凈，光潔度要好，選用憎水性強的材料，從實驗結(jié)果我們可得到如下選材順序：不銹鋼好，其次是聚四氟乙烯，銅和聚乙烯居第三位，zui差的是尼龍和橡膠管，在低霜點測量中不應(yīng)使用。
信息來源：ewkbg.com 信息整理：揚州拓普電氣科技有限公司生技部
當一定體積的氣體在恒定的壓力下均勻降溫時，氣體和氣體中水分的分壓保持不變，直至氣體中的水分達到飽和狀態(tài)，該狀態(tài)下的溫度就是氣體的露點。通常是在氣體流經(jīng)的測定室中安裝鏡面及其附件，通過測定在單位時間內(nèi)離開和返回鏡面的水分子數(shù)達到動態(tài)平衡時的鏡面溫度來確定氣體的露點。一定的氣體濕度對應(yīng)一個露點溫度；一個露點溫度對應(yīng)一定的氣體濕度。因此測定氣體的露點溫度就可以測定氣體的濕度。由露點可以得到絕對濕度，由露點和所測氣體的溫度可以得到氣體的相對濕度。露點儀直接給出的量值是露點溫度，確切地說應(yīng)為“熱力學露點溫度”。世界氣象組織采用的定義是壓力為P，混合比為r 的濕空氣的熱力學露點溫度Td，是指在給定的壓力下，濕空氣被水飽和時的溫度。在這個溫度下，濕空氣的飽和混合比rw 等于給定的混合比r。
光電露點儀的工作原理可以簡單地敘述為：被測氣體在恒定的壓力下，以一定的流速掠過光潔的用冷氮氣致冷的金屬鏡面，隨著溫度逐漸降低，鏡面達到某一個溫度時開始結(jié)露（或霜），此時的鏡面溫度就是露點溫度。儀器通過光學系統(tǒng)，測溫電路，邏輯控制電路、數(shù)字顯示電路等，測量露點溫度Td，并顯示出來。
二、露點測量中應(yīng)該注意的若干問題
1、鏡面污染對露點測量的影響
在露點測量中，鏡面污染是一個突出的問題，其影響主要表現(xiàn)在兩個方面：一是拉烏爾效應(yīng)，二是改變鏡面本底散射水平。拉烏爾效應(yīng)是由水溶性物質(zhì)造成的。如果被測氣體中攜帶這種物質(zhì)（一般是可溶性鹽類）則鏡面提前結(jié)露，使測量結(jié)果產(chǎn)生正偏差。若污染物是不溶于水的微粒，如灰塵等，則會增加本底的散射水平，從而使光電露點儀發(fā)生零點漂移。此外，一些沸點比水低的容易冷凝的物質(zhì)（例如有機物）的蒸氣，不言而喻將對露點的測量產(chǎn)生干擾。因此，無論任何一種類型的露點儀都應(yīng)防止污染鏡面。一般說來，工業(yè)流程氣體分析污染的影響是比較嚴重的。但即使是在純氣的測量中鏡面的污染亦會隨時間增加而積累。為了消除污染的影響，人們摸索出各種各樣的方法。zui直觀的方法是對被測氣體進行過濾。同時根據(jù)具體情況定期或隨時清洗鏡面。此外，通常采用的辦法是在每次測量前對鏡面進行加熱，并通氣吹除污染物。在污染比較明顯的情況下也可以通過多次重復進行結(jié)露和消露過程來實現(xiàn)。為了消除易冷凝碳氫化合物的干擾，有人采用雙鏡面技術(shù)，在露點室中增設(shè)一個與露鏡相連接的“干”鏡面，其溫度稍高于露鏡，當氣進入露點室時，“干”鏡受到和露鏡一樣的污染，但卻不會結(jié)露，從而提供補償。
2、露點儀測量條件的選擇
在露點儀的設(shè)計中要著重考慮直接影響結(jié)露過程熱質(zhì)交換的幾種因素，這個原則同樣適用于自動化程度不太高的露點儀器操作條件的選擇。這里主要討論鏡面降溫速度和樣氣流速問題。被測氣體的溫度通常都是室溫。因此當氣流通過露點室時必然要影響體系的傳熱和傳質(zhì)過程。當其他條件固定時，加大流速的質(zhì)量密度將有利于氣流和鏡面之間的傳質(zhì)。特別是在進行露點測量時，流速應(yīng)適當提高，以加快露層形成速度；但是流速不能太大，否則會造成過熱問題。這對制冷功率比較小的熱電制冷露點儀尤為明顯。流速太大還會導致露點室壓力降低而流速的改變又將影響體系的熱平衡。所以在露點測量中選擇適當?shù)牧魉偈潜匾?，流速的選擇應(yīng)視制冷方法和露點室的結(jié)構(gòu)而定。
一般的流速范圍在0.4L/min～0.7L/min之間。為了減小傳熱的影響，可考慮在被測氣體進入露點室之前進行預冷處理。在露點測量中鏡面降溫速度的控制是一個重要問題，對于自動光電露點儀是由設(shè)計決定的，而對于手控制冷量的露點儀則是操作中的問題。因為冷源的冷卻點、測溫點和鏡面間的熱傳導有一個過程和速度，給測量結(jié)果帶來誤差。這種情況又隨使用的測溫點與鏡面之間的溫度梯度比較大，熱傳導速度也比較慢，從而使測溫和結(jié)露不能同步進行。而且導致露層的厚度無法控制。這對目視檢露來說將產(chǎn)生負誤差。另一個問題是降溫速度太快可能造成“過冷”。我們知道，在一定條件下，水汽達到飽和狀態(tài)時，液相仍然不出現(xiàn)，或者水在零度以下時仍不結(jié)冰，這種現(xiàn)象稱為過飽和或“過冷”。對于結(jié)露（或霜）過程來說，這種現(xiàn)象往往是由于被測氣體和鏡面非常干凈，乃至缺少足夠數(shù)量的凝結(jié)核心而引起的。過冷現(xiàn)象是短暫的，其時間長短和露點或霜點溫度有關(guān)。這種現(xiàn)象可以通過顯微鏡觀察出來；解決的辦法之一是重復加熱和冷卻鏡面的操作，直到這種現(xiàn)象消除為止。另一個解決辦法是直接利用過冷水的水汽壓數(shù)據(jù)。并且這樣做恰恰與氣象系統(tǒng)低于零度時的相對濕度定義相吻合。由上可見，無論是從熱慣性或過冷現(xiàn)象來考慮，降溫速度都不宜太快，如果超過合理范圍，則降溫速度愈快，熱慣性也愈大，露點測量的誤差就愈大，也越容易出現(xiàn)過冷。降溫速度一般通過實驗來確定。
3、低霜點測量中的問題
霜點計或稱低霜點濕度計是微量水測定中為數(shù)不多的zui有效的手段之一。但是在測量中有些問題必須給予充分的注意。首先是影響檢測的霜層厚度問題。在低含水量的情況下，霜層很薄，變化也慢，增加了檢霜的困難，如霜點低于-65℃時，鏡面上水分子移動性減小，結(jié)晶速度相應(yīng)下降，從霜層的出現(xiàn)到相對穩(wěn)定需要一定時間。霜點溫度越低，困難也越大，測量誤差也迅速增加。研究表明。當霜點接近-85℃時鏡面上形成藍色絲狀結(jié)晶的薄霜，在這個溫度附近霜層質(zhì)量密度大約是10-8gm-2，相當于一個分子層的厚度，由此可見，在更低的霜點溫度下測量是難以進行的。另一個是過冷問題。這種現(xiàn)象容易在高空探測中發(fā)生。在低濕下，由于冰的結(jié)晶過程比較緩慢，往往在達到霜點溫度時霜層還未出現(xiàn)。當溫度繼續(xù)降低，水開始結(jié)冰，在過飽和狀態(tài)下霜層迅速形成。但此時的飽和水汽壓不是冰而應(yīng)該是過冷水的飽和水汽壓，如上所述：由于過冷現(xiàn)象，霜點測量誤差有時高達幾度。因此低霜點測量中要特別小心，保持足夠長的平衡時間。
這里順便談一下低霜點測量中需要注意的其他問題，由于露點儀的工作環(huán)境，即大氣中的水分含量都在數(shù)萬×10-6（體積分數(shù)），從而給操作造成很大的困難。測量結(jié)果往往發(fā)散性比較大，其原因是復雜的。要使測量數(shù)據(jù)準確可靠，除了保證儀器具有良好的性能和質(zhì)量外還必須注意下面幾個問題。
（1）氣路系統(tǒng)一定要密封性好，以防止外界環(huán)境水分往里滲漏。
（2）如果被測氣體直接排放入大氣，應(yīng)考慮大氣中的水分向測量系統(tǒng)內(nèi)部擴散的問題。zui常用的辦法是在排氣口接上一段適當長度的管子，其長度和管徑以不影響測量腔的壓力為原則。
（3）取樣管道要盡量短，盡量減少接頭的數(shù)量和避免“死空間”，以減少本底水分的干擾。
（4）取樣管道和測量腔內(nèi)壁力求干凈，光潔度要好，選用憎水性強的材料，從實驗結(jié)果我們可得到如下選材順序：不銹鋼好，其次是聚四氟乙烯，銅和聚乙烯居第三位，zui差的是尼龍和橡膠管，在低霜點測量中不應(yīng)使用。
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