冷鏡法露點(diǎn)儀基本原理及其測量條件的選擇
一、冷鏡式露點(diǎn)儀基本原理
當(dāng)一定體積的氣體在恒定的壓力下均勻降溫時(shí)，氣體和氣體中水分的分壓保持不變，直至氣體中的水分達(dá)到飽和狀態(tài)，該狀態(tài)下的溫度就是氣體的露點(diǎn)。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(shí)間內(nèi)離開和返回鏡面的水分子數(shù)達(dá)到動態(tài)平衡時(shí)的鏡面溫度來確定氣體的露點(diǎn)。一定的氣體濕度對應(yīng)一個(gè)露點(diǎn)溫度；一個(gè)露點(diǎn)溫度對應(yīng)一定的氣體濕度。因此測定氣體的露點(diǎn)溫度就可以測定氣體的濕度。由露點(diǎn)可以得到絕對濕度，由露點(diǎn)和所測氣體的溫度可以得到氣體的相對濕度。露點(diǎn)儀直接給出的量值是露點(diǎn)溫度，確切地說應(yīng)為“熱力學(xué)露點(diǎn)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(xué)露點(diǎn)溫度Td，是指在給定的壓力下，濕空氣被水飽和時(shí)的溫度。在這個(gè)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(diǎn)儀的工作原理可以簡單地?cái)⑹鰹椋罕粶y氣體在恒定的壓力下，以一定的流速掠過光潔的用冷氮?dú)庵吕涞慕饘夔R面，隨著溫度逐漸降低，鏡面達(dá)到某一個(gè)溫度時(shí)開始結(jié)露（或霜），此時(shí)的鏡面溫度就是露點(diǎn)溫度。儀器通過光學(xué)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(diǎn)溫度Td，并顯示出來。
二、露點(diǎn)測量中應(yīng)該注意的若干問題
1、鏡面污染對露點(diǎn)測量的影響
在露點(diǎn)測量中，鏡面污染是一個(gè)突出的問題，其影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)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(diǎn)儀發(fā)生零點(diǎn)漂移。此外，一些沸點(diǎn)比水低的容易冷凝的物質(zhì)（例如有機(jī)物）的蒸氣，不言而喻將對露點(diǎn)的測量產(chǎn)生干擾。因此，無論任何一種類型的露點(diǎn)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(yán)重的。但即使是在純氣的測量中鏡面的污染亦會隨時(shí)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(jìn)行過濾。同時(shí)根據(jù)具體情況定期或隨時(shí)清洗鏡面。此外，通常采用的辦法是在每次測量前對鏡面進(jìn)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(fù)進(jìn)行結(jié)露和消露過程來實(shí)現(xiàn)。為了消除易冷凝碳?xì)浠衔锏母蓴_，有人采用雙鏡面技術(shù)，在露點(diǎn)室中增設(shè)一個(gè)與露鏡相連接的“干”鏡面，其溫度稍高于露鏡，當(dāng)氣進(jìn)入露點(diǎn)室時(shí)，“干”鏡受到和露鏡一樣的污染，但卻不會結(jié)露，從而提供補(bǔ)償。
2、露點(diǎn)儀測量條件的選擇
在露點(diǎn)儀的設(shè)計(jì)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(gè)原則同樣適用于自動化程度不太高的露點(diǎn)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(dāng)氣流通過露點(diǎn)室時(shí)必然要影響體系的傳熱和傳質(zhì)過程。當(dāng)其他條件固定時(shí)，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(jìn)行露點(diǎn)測量時(shí)，流速應(yīng)適當(dāng)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(diǎn)儀尤為明顯。流速太大還會導(dǎo)致露點(diǎn)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(diǎn)測量中選擇適當(dāng)?shù)牧魉偈潜匾?，流速的選擇應(yīng)視制冷方法和露點(diǎn)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(jìn)入露點(diǎn)室之前進(jìn)行預(yù)冷處理。在露點(diǎn)測量中鏡面降溫速度的控制是一個(gè)重要問題，對于自動光電露點(diǎn)儀是由設(shè)計(jì)決定的，而對于手控制冷量的露點(diǎn)儀則是操作中的問題。因?yàn)槔湓吹睦鋮s點(diǎn)、測溫點(diǎn)和鏡面間的熱傳導(dǎo)有一個(gè)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(diǎn)與鏡面之間的溫度梯度比較大，熱傳導(dǎo)速度也比較慢，從而使測溫和結(jié)露不能同步進(jìn)行。而且導(dǎo)致露層的厚度無法控制。這對目視檢露來說將產(chǎn)生負(fù)誤差。另一個(gè)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(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，液相仍然不出現(xiàn)，或者水在零度以下時(shí)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(shí)間長短和露點(diǎn)或霜點(diǎn)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(fù)加熱和冷卻鏡面的操作，直到這種現(xiàn)象消除為止。另一個(gè)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(shí)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)來確定。
3、低霜點(diǎn)測量中的問題
霜點(diǎn)計(jì)或稱低霜點(diǎn)濕度計(jì)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(diǎn)低于-65℃時(shí)，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(shí)間。霜點(diǎn)溫度越低，困難也越大，測量誤差也迅速增加。研究表明。當(dāng)霜點(diǎn)接近-85℃時(shí)鏡面上形成藍(lán)色絲狀結(jié)晶的薄霜，在這個(gè)溫度附近霜層質(zhì)量密度大約是10-8gm-2，相當(dāng)于一個(gè)分子層的厚度，由此可見，在更低的霜點(diǎn)溫度下測量是難以進(jìn)行的。另一個(gè)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(dá)到霜點(diǎn)溫度時(shí)霜層還未出現(xiàn)。當(dāng)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(shí)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(diǎn)測量誤差有時(shí)高達(dá)幾度。因此低霜點(diǎn)測量中要特別小心，保持足夠長的平衡時(shí)間。
這里順便談一下低霜點(diǎn)測量中需要注意的其他問題，由于露點(diǎn)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?jǐn)?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(fù)雜的。要使測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)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(gè)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(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(qiáng)的材料，從實(shí)驗(yàn)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(diǎn)測量中不應(yīng)使用。
信息來源：ef2822.com 信息整理：揚(yáng)州拓普電氣科技有限公司生技部
當(dāng)一定體積的氣體在恒定的壓力下均勻降溫時(shí)，氣體和氣體中水分的分壓保持不變，直至氣體中的水分達(dá)到飽和狀態(tài)，該狀態(tài)下的溫度就是氣體的露點(diǎn)。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(shí)間內(nèi)離開和返回鏡面的水分子數(shù)達(dá)到動態(tài)平衡時(shí)的鏡面溫度來確定氣體的露點(diǎn)。一定的氣體濕度對應(yīng)一個(gè)露點(diǎn)溫度；一個(gè)露點(diǎn)溫度對應(yīng)一定的氣體濕度。因此測定氣體的露點(diǎn)溫度就可以測定氣體的濕度。由露點(diǎn)可以得到絕對濕度，由露點(diǎn)和所測氣體的溫度可以得到氣體的相對濕度。露點(diǎn)儀直接給出的量值是露點(diǎn)溫度，確切地說應(yīng)為“熱力學(xué)露點(diǎn)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(xué)露點(diǎn)溫度Td，是指在給定的壓力下，濕空氣被水飽和時(shí)的溫度。在這個(gè)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(diǎn)儀的工作原理可以簡單地?cái)⑹鰹椋罕粶y氣體在恒定的壓力下，以一定的流速掠過光潔的用冷氮?dú)庵吕涞慕饘夔R面，隨著溫度逐漸降低，鏡面達(dá)到某一個(gè)溫度時(shí)開始結(jié)露（或霜），此時(shí)的鏡面溫度就是露點(diǎn)溫度。儀器通過光學(xué)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(diǎn)溫度Td，并顯示出來。
二、露點(diǎn)測量中應(yīng)該注意的若干問題
1、鏡面污染對露點(diǎn)測量的影響
在露點(diǎn)測量中，鏡面污染是一個(gè)突出的問題，其影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)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(diǎn)儀發(fā)生零點(diǎn)漂移。此外，一些沸點(diǎn)比水低的容易冷凝的物質(zhì)（例如有機(jī)物）的蒸氣，不言而喻將對露點(diǎn)的測量產(chǎn)生干擾。因此，無論任何一種類型的露點(diǎn)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(yán)重的。但即使是在純氣的測量中鏡面的污染亦會隨時(shí)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(jìn)行過濾。同時(shí)根據(jù)具體情況定期或隨時(shí)清洗鏡面。此外，通常采用的辦法是在每次測量前對鏡面進(jìn)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(fù)進(jìn)行結(jié)露和消露過程來實(shí)現(xiàn)。為了消除易冷凝碳?xì)浠衔锏母蓴_，有人采用雙鏡面技術(shù)，在露點(diǎn)室中增設(shè)一個(gè)與露鏡相連接的“干”鏡面，其溫度稍高于露鏡，當(dāng)氣進(jìn)入露點(diǎn)室時(shí)，“干”鏡受到和露鏡一樣的污染，但卻不會結(jié)露，從而提供補(bǔ)償。
2、露點(diǎn)儀測量條件的選擇
在露點(diǎn)儀的設(shè)計(jì)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(gè)原則同樣適用于自動化程度不太高的露點(diǎn)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(dāng)氣流通過露點(diǎn)室時(shí)必然要影響體系的傳熱和傳質(zhì)過程。當(dāng)其他條件固定時(shí)，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(jìn)行露點(diǎn)測量時(shí)，流速應(yīng)適當(dāng)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(diǎn)儀尤為明顯。流速太大還會導(dǎo)致露點(diǎn)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(diǎn)測量中選擇適當(dāng)?shù)牧魉偈潜匾?，流速的選擇應(yīng)視制冷方法和露點(diǎn)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(jìn)入露點(diǎn)室之前進(jìn)行預(yù)冷處理。在露點(diǎn)測量中鏡面降溫速度的控制是一個(gè)重要問題，對于自動光電露點(diǎn)儀是由設(shè)計(jì)決定的，而對于手控制冷量的露點(diǎn)儀則是操作中的問題。因?yàn)槔湓吹睦鋮s點(diǎn)、測溫點(diǎn)和鏡面間的熱傳導(dǎo)有一個(gè)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(diǎn)與鏡面之間的溫度梯度比較大，熱傳導(dǎo)速度也比較慢，從而使測溫和結(jié)露不能同步進(jìn)行。而且導(dǎo)致露層的厚度無法控制。這對目視檢露來說將產(chǎn)生負(fù)誤差。另一個(gè)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(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，液相仍然不出現(xiàn)，或者水在零度以下時(shí)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(shí)間長短和露點(diǎn)或霜點(diǎn)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(fù)加熱和冷卻鏡面的操作，直到這種現(xiàn)象消除為止。另一個(gè)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(shí)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)來確定。
3、低霜點(diǎn)測量中的問題
霜點(diǎn)計(jì)或稱低霜點(diǎn)濕度計(jì)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(diǎn)低于-65℃時(shí)，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(shí)間。霜點(diǎn)溫度越低，困難也越大，測量誤差也迅速增加。研究表明。當(dāng)霜點(diǎn)接近-85℃時(shí)鏡面上形成藍(lán)色絲狀結(jié)晶的薄霜，在這個(gè)溫度附近霜層質(zhì)量密度大約是10-8gm-2，相當(dāng)于一個(gè)分子層的厚度，由此可見，在更低的霜點(diǎn)溫度下測量是難以進(jìn)行的。另一個(gè)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(dá)到霜點(diǎn)溫度時(shí)霜層還未出現(xiàn)。當(dāng)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(shí)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(diǎn)測量誤差有時(shí)高達(dá)幾度。因此低霜點(diǎn)測量中要特別小心，保持足夠長的平衡時(shí)間。
這里順便談一下低霜點(diǎn)測量中需要注意的其他問題，由于露點(diǎn)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?jǐn)?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(fù)雜的。要使測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)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(gè)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(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(qiáng)的材料，從實(shí)驗(yàn)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(diǎn)測量中不應(yīng)使用。
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