冷鏡式露點(diǎn)儀測量原理與應(yīng)用范圍

 濕度測量儀器從原理上可分為冷鏡式、*吸收電解式、Al2O3電容式、薄膜電容式、電阻式、干濕球、機(jī)械式。其中*吸收電解式微水儀、Al2O3電容式露點(diǎn)儀一般用于低濕范圍的測量，而電阻式、干濕球、機(jī)械式濕度計(jì)只能用于相對濕度的測量，冷鏡式、薄膜電容式（Vaisala公司的）濕度計(jì)則不僅能用于低濕的測量，還能用于中高濕，即相對濕度的測量。上述各種原理的儀器各有其優(yōu)缺點(diǎn)。其中冷鏡式露點(diǎn)儀是zui準(zhǔn)確、zui可靠、zui基本的測量方法，被廣泛地用于標(biāo)準(zhǔn)傳遞，但其缺點(diǎn)是價(jià)格比較昂貴，并需要有經(jīng)驗(yàn)的人操作及保養(yǎng)。

1.1冷鏡式露點(diǎn)儀

1.1.1測量原理

    被測濕氣進(jìn)入露點(diǎn)測量室時(shí)掠過冷鏡面，當(dāng)鏡面溫度高于濕氣的露點(diǎn)溫度時(shí)，鏡面呈干燥狀態(tài)，(各種濕度露點(diǎn)測量方法及其優(yōu)缺點(diǎn))此時(shí)光電檢露裝置中光源發(fā)出的光照在鏡面上，幾乎*反射，由光電傳感器感應(yīng)到并輸出光電信號，經(jīng)控制回路比較、放大、驅(qū)動(dòng)熱電泵，對鏡面致冷。當(dāng)鏡面溫度降至濕氣露點(diǎn)溫度時(shí)，鏡面上開始結(jié)露（霜），光照在鏡面上出現(xiàn)漫反射，光電傳感器感應(yīng)到的反射信號隨之減弱，此變化經(jīng)控制回路比較、放大后調(diào)節(jié)熱電泵激勵(lì)，使其制冷功率適當(dāng)減小，zui后，鏡面溫度保持在樣氣露點(diǎn)溫度上。鏡面溫度由一緊貼在冷鏡面下方的鉑電阻溫度傳感器感應(yīng)，并顯示在顯示窗上。

    目前世界上生產(chǎn)冷鏡式露點(diǎn)儀的公司，例如美國的GE、Edgetech、瑞士的MBW等公司均是采用這一原理，英國的MICHELL則是采用雙光路檢測系統(tǒng)，即同時(shí)對反射光及散射光進(jìn)行檢測，芬蘭Vaisala則是利用聲波作檢測系統(tǒng)。

    在測量過程中，隨著溫度的降低，被測氣體中的水汽接近飽和狀態(tài)，由于引力作用，水分子吸附在鏡面上形成一層薄薄的水膜。這是形成露的*階段。當(dāng)鏡面溫度繼續(xù)下降時(shí)，水膜的厚度逐漸增加，這是形成露的第二階段。在這一階段內(nèi)，自由表面對水分子的引力與水膜的表面張力之間的力量對比開始發(fā)生變化，后者的影響逐漸起支配作用。此時(shí)冷卻表面上的任何不穩(wěn)定的因素，例如鏡面上的微小傷痕等，都會(huì)使水膜縮聚成液滴。隨著鏡面溫度的進(jìn)一步下降，露滴開始出現(xiàn)，通過顯微鏡可以看到孤立生長而且分布不規(guī)則的露滴，然后露層以很快的速度在表面上擴(kuò)散，此時(shí)可以認(rèn)為液-汽平衡開始，即達(dá)到露點(diǎn)。

1.1.2結(jié)構(gòu)

1.1.2.1 鏡面

    鏡面應(yīng)憎水，具有良好的導(dǎo)熱性，還要耐磨、耐腐蝕，光學(xué)性能好。在過去曾使用金做鏡面，目前則主要使用銠做鏡面。

1.1.2.2 鏡面致冷

    在過去曾使用過蒸發(fā)、機(jī)械致冷、液化氣體或干冰致冷、壓縮空氣致冷，目前zui常用的則是熱電致冷或熱電與機(jī)械致冷相結(jié)合（露點(diǎn)低于-60℃）。在本文中著重介紹熱電致冷。

    熱電致冷又稱半導(dǎo)體致冷，帕爾貼致冷（來自其英文名稱Peltier）。其原理是當(dāng)有一股直流電通過由兩種不同的金屬組成的NP元件時(shí)，熱量會(huì)從一種金屬傳遞到另一種金屬，正好與熱電偶測溫相反。因此當(dāng)將帕爾帖的冷端與鏡面相連，其另一端作為散熱端時(shí)，便可將鏡面致冷。為了獲得不同程度的低溫可采用多級疊加的辦法。由美國GE公司給出的資料顯示，一般說來，假如室溫為25℃時(shí)，一級致冷時(shí)，冷熱端溫差可達(dá)55℃，二級致冷時(shí)冷熱端溫差可達(dá)75℃，四級致冷時(shí)冷熱端溫差可達(dá)105℃，五級致冷時(shí)冷熱端溫差可達(dá)120℃。不同公司的產(chǎn)品其致冷量也會(huì)有稍許的不同。熱端溫度越高，致冷效率越高，冷熱端溫差越大。為了降低冷端的溫度，通常會(huì)采用風(fēng)冷、水冷及機(jī)械致冷來降低熱端的溫度。但也不是可以無限制地降低。需要注意的是其致冷能力并不能代表露點(diǎn)儀的測量范圍。露點(diǎn)儀的測量范圍的定義是鏡面上可以獲得穩(wěn)定的，具有一定厚度的露或霜層時(shí)鏡面的溫度，因此在一般的露/霜點(diǎn)下，其測量范圍一般比其致冷能力高5℃，在低霜點(diǎn)的情況下，一般高10℃~12℃。例如瑞士MBW公司生產(chǎn)的DP19露點(diǎn)儀，當(dāng)室溫為10℃時(shí)，其zui低測量范圍為-60℃，當(dāng)室溫為20℃時(shí)，其zui低測量范圍為-55℃，當(dāng)室溫為35℃時(shí)，其zui低測量范圍為-45℃。由于氫氣及氦氣的熱導(dǎo)率較高，因此其測量范圍會(huì)縮小幾度。當(dāng)被測氣體的壓力增大，其測量范圍也會(huì)縮小，對于空氣和氮?dú)鈦碚f，在高于常壓的情況下，每增加1個(gè)大氣壓，其測量范圍降低0.67℃左右。

1.1.2.3 測溫裝置

   目前絕大部分采用四線制鉑電阻測溫。鉑電阻感溫元件在相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)阻值和溫度近于線性關(guān)系，精度高，穩(wěn)定性好，輸出信號較強(qiáng)，便于數(shù)字顯示。

1.1.2.4 檢測系統(tǒng)

    目前除芬蘭Vaisala公司zui近研制生產(chǎn)的冷鏡式露點(diǎn)儀是采用聲波原理來測量外，其它均是采用光電檢測器來測量及控制。光電檢測技術(shù)已有幾十年的歷史，比較成熟，但其缺點(diǎn)是不能區(qū)分過冷水和霜。

1.1.3使用注意事項(xiàng)

1.1.3.1過冷水與霜

    在0~-20℃這一范圍內(nèi)，鏡面上極易形成過冷水，由于冰面和水面上的飽和水汽壓不同，因此假如在鏡面上形成過冷水，測得的數(shù)值要低于霜點(diǎn)，溫度不同，差別也不同。例如霜點(diǎn)為-10℃時(shí)，對應(yīng)的過冷水的溫度為-11.23℃。因此在這一溫度段要非常小心。若儀器配有內(nèi)窺鏡，可通過內(nèi)窺鏡進(jìn)行觀察區(qū)分。目前大部分儀器都有test的功能，即測試其zui低致冷能力，此時(shí)可先使用test功能，使鏡面溫度低于-20℃，確保鏡面上形成霜，然后再進(jìn)行正式測量。

1.1.3.2 開爾文效應(yīng)

    曲面上的飽和水汽壓與平面上的情況是不同的。當(dāng)露在金屬表面上形成時(shí)，由于表面張力的作用，使平衡水汽壓，即彎曲水面的飽和水汽壓升高，這種影響稱為開爾文效應(yīng)。由于開爾文效應(yīng)使得到的露點(diǎn)溫度低于真正的被測氣體的露點(diǎn)溫度。

1.1.3.2拉烏爾效應(yīng)

    是指鏡面上存在水溶性物質(zhì)時(shí)，體系的平衡水汽壓低于純水時(shí)的飽和水汽壓。這些水溶性物質(zhì)可能是鏡面上固有的，或者是被測氣體中含有的。根據(jù)拉烏爾定律，溶液平衡水汽壓的降低與溶液濃度成正比，這也是為什么在達(dá)到被測氣體的露點(diǎn)溫度之前會(huì)有早期冷凝現(xiàn)象發(fā)生的原因。

    開爾文效應(yīng)與拉烏爾效應(yīng)作用剛好相反，因此會(huì)抵消一些。但是在露點(diǎn)測量中，拉烏爾效應(yīng)的影響較開爾文效應(yīng)更為顯著，因?yàn)樗苄晕镔|(zhì)不可避免地或多或少存在于鏡面和被測氣體中，而且氣體中的雜質(zhì)有時(shí)還可能與鏡面上的不溶于水的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或光化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為可溶性物質(zhì)。這種情況在工業(yè)流程氣體的水分測量中更為明顯。因此要采用適當(dāng)?shù)倪^濾裝置除去氣體中的固體微粒，并且通過反復(fù)進(jìn)行結(jié)露和消露的操作，進(jìn)一步清除鏡面上殘留的可溶性物質(zhì)，這種方法為人們廣泛使用。

    在實(shí)際工作中，我們常常會(huì)發(fā)現(xiàn)，鏡面上開始結(jié)露時(shí)并不是均勻的，露層總是首先在鏡面某個(gè)區(qū)域上出現(xiàn)，其原因往往是由于鏡面上的劃痕引起的，因?yàn)樵谶@些有缺陷的地方，一方面殘留的物質(zhì)不易清除，另一方面缺陷的棱角起“露核"的作用，加速結(jié)露過程。因此，在露點(diǎn)儀的使用中，尤其是在清潔鏡面時(shí)，一定要小心，避免使鏡面受到機(jī)械損傷。

1.1.3.3 鏡面污染

    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)主要是由水溶性物質(zhì)造成的。如果被測氣體中這種物質(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(huì)增加本底的散射水平，從而使光電露點(diǎn)儀發(fā)生零點(diǎn)漂移。

1.1.3.4 取樣管路

    由于大氣中的水含量都很高，并且水分子為極性分子，極易吸咐在管路內(nèi)壁或透過管路。因此在測量時(shí)氣路系統(tǒng)一定要密封好，管壁厚度至少為1mm，以防止外界環(huán)境水分侵入引入滲漏。假如測量環(huán)境溫度變化較大時(shí)，應(yīng)再次檢查管路的密封。

    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(kuò)散的問題。zui常用的辦法是在排氣口接上一段適當(dāng)長度的管子，其長度和管徑以不影響測量腔的壓力原則。

    取樣管路要盡量短，盡可能減少接頭的數(shù)量和避免“死空間"，以減少本底水分的干擾。

    取樣管路和測量腔內(nèi)壁力求干凈，光潔度要好，選用憎水性強(qiáng)的材料，是各種材料在飽和吸附狀態(tài)下通以干氣時(shí)的解吸－時(shí)間曲線。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們可以得到如下選材順序：不銹鋼、PTFE、銅、聚乙烯，zui差的是尼龍和橡膠管，在低霜點(diǎn)測量中不應(yīng)使用。另外在低霜點(diǎn)測量時(shí)，盡管使用內(nèi)拋光的不銹鋼管，管子外徑一般為6mm或1/4英寸。

    在進(jìn)行高露點(diǎn)的測量時(shí)，一定要注意被測露點(diǎn)低于周圍環(huán)境溫度3℃以下，以避免水蒸氣在管路中出現(xiàn)冷凝。

    露點(diǎn)儀測量濕度時(shí)，流量范圍一般為0.25L/min~1L/min。在這一范圍內(nèi)，流速的改變不會(huì)影響測量結(jié)果。

    取樣時(shí)一般可分為兩種情況，一種是帶壓取樣，此時(shí)根據(jù)取樣方式的不同，可分為帶壓測量和常壓測量。另一種是在常壓下測量，即用泵抽取樣品。在這種情況下，經(jīng)常會(huì)由于取樣方式的不同，而帶來人為的正壓和負(fù)壓，若按圖2-5所示的方式取樣，露點(diǎn)儀是在帶壓的情況下測量，會(huì)給測量結(jié)果帶來正誤差，若將泵與流量計(jì)調(diào)換位置，露點(diǎn)儀則是在負(fù)壓的狀態(tài)下，此時(shí)會(huì)給測量帶來負(fù)誤差。

1.1.4 應(yīng)用范圍

    露點(diǎn)儀的測量范圍較廣，目前英國MICHELL及瑞士MBW公司開發(fā)的一系列露點(diǎn)儀的測量范圍已達(dá)到-95℃~70℃，可以滿足絕大多數(shù)的測量要求。

1.1.5 優(yōu)缺點(diǎn)

    優(yōu)點(diǎn)：屬基本測量，測量準(zhǔn)確，并且儀器比較穩(wěn)定無漂移，目前準(zhǔn)確度zui高的儀器可達(dá)±0.1℃。

    缺點(diǎn)：價(jià)格較高，對操作人員的要求較高，并需進(jìn)行維護(hù)。對污染物敏感。在-20℃~0℃范圍內(nèi)有時(shí)會(huì)有過冷水存在，因此要特別小心區(qū)分過冷水和霜。