冷鏡式露點(diǎn)儀精度影響因素

冷鏡式露點(diǎn)儀精度影響精度

露點(diǎn)儀的種類(lèi)繁多，由于冷卻的方式、露點(diǎn)檢測(cè)的方法各不相同，目前國(guó)際上的精密露點(diǎn)儀主要采用光電檢測(cè)熱電制冷鏡面的冷凝式露點(diǎn)儀。這種露點(diǎn)儀主要由三部分組成：

ａ）高重復(fù)性的鏡面控溫伺服機(jī)構(gòu)；

ｂ）準(zhǔn)確地測(cè)量鏡面溫度的溫度測(cè)量系統(tǒng)；

ｃ）判斷鏡面上生成的是霜還是露的裝置。

如圖１所示，露點(diǎn)儀工作過(guò)程基本是：被測(cè)量氣體通過(guò)露點(diǎn)測(cè)量室掠過(guò)鏡面，當(dāng)鏡面溫度高于該氣體的露點(diǎn)溫度時(shí)，鏡面呈干燥狀態(tài)，此時(shí)發(fā)光二極管發(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(hào)，經(jīng)控制回路比較、放大，半導(dǎo)體制冷器（由一級(jí)或數(shù)級(jí)Ｐｅｌｔｉｅｒ元件組成），對(duì)鏡面制冷。當(dāng)鏡面溫度降至樣氣的露點(diǎn)溫度時(shí)，鏡面上開(kāi)始結(jié)露（或霜），光照在鏡面上出現(xiàn)漫反射，光電傳感器感應(yīng)到的反射光信號(hào)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)，使其制熱功率增大，這樣通過(guò)自動(dòng)控制使冷鏡面上的露（或霜）與氣體中的水蒸氣呈相平衡狀態(tài)。此時(shí)，通過(guò)露霜檢測(cè)裝置，可以判斷鏡面上的冷凝物是液態(tài)的露還是固態(tài)的霜；鏡面溫度由一貼在冷鏡面下方的精密溫度傳感器感應(yīng)，準(zhǔn)確測(cè)量出鏡面的溫度（即露或霜層的溫度），從而獲得氣體的露點(diǎn)（或霜點(diǎn)）溫度。

烏拉爾效應(yīng)影響因素分析

在露點(diǎn)測(cè)量中，鏡面污染是一個(gè)突出問(wèn)題，其影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是烏拉爾效應(yīng)，二是改變鏡面本底散射水平。烏拉爾效應(yīng)是由水溶性物質(zhì)造成的。如果被測(cè)氣體中攜帶這種物質(zhì)（一般是可溶性物質(zhì)），則提前結(jié)露，使測(cè)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。此外，一些沸點(diǎn)比水低的容易冷凝的物質(zhì)的蒸汽，也將對(duì)露點(diǎn)的測(cè)量產(chǎn)生干擾。烏拉爾效應(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)可以是鏡面上固有的，或者是被測(cè)氣體中含有的。根據(jù)烏拉爾定律，溶液平衡水汽壓的降低與溶液濃度成正比，即

Δｅ＝ｅＷ

·Ｘ （５）

式中：Ｘ——— 為溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)；Δｅ———溶液平衡

水汽壓的降低值，ｈＰａ；ｅＷ

———純水平面的飽和水汽

壓，ｈＰａ。

根據(jù)烏拉爾效應(yīng)可以解釋為什么在達(dá)到被測(cè)氣體的露點(diǎn)溫度之前會(huì)有早期冷凝現(xiàn)象發(fā)生。鏡面表層由于清洗不干凈或使用時(shí)環(huán)境的污染，常有一些可溶性雜質(zhì)。而只有當(dāng)鏡面上露層與氣體中水蒸氣達(dá)到平衡時(shí)，測(cè)出的溫度才是露點(diǎn)溫度。而這種氣、液的兩相平衡是一種動(dòng)態(tài)平衡，即單位時(shí)間內(nèi)從液相蒸發(fā)到氣相的分子數(shù)等于從氣相凝結(jié)到液相的分子數(shù)。當(dāng)溶劑（水）中溶解了難揮發(fā)的溶質(zhì)時(shí)，其表面不均勻地被溶質(zhì)的粒子占據(jù)，所以單位時(shí)間從鏡面上的溶液中蒸發(fā)出的分子數(shù)則比純水中蒸發(fā)出的分子數(shù)要少。此種情況下若達(dá)到相平衡，則鏡面上

溶液的蒸汽壓低于純水的蒸汽壓，而此時(shí)露點(diǎn)溫度與蒸汽壓是一一對(duì)應(yīng)的。根據(jù)拉烏爾定律，溶液的露點(diǎn)溫度比實(shí)際（純水）要高，且升高量與溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)成正比；若要使這種影響小于０．１１℃，則要求可溶性雜質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)小于０．６２％。在０℃以下鏡面上結(jié)霜時(shí)由于雜質(zhì)與霜不能互溶，此時(shí)影響可忽略。４．２　減少烏拉爾效應(yīng)的措施減少烏拉爾效應(yīng)的措施有：

（１）由于鏡面上不同厚度的露層對(duì)光的反射或散射的程度不同，可利用光路來(lái)檢測(cè)露層厚度，因?yàn)槁秾雍穸认鄬?duì)變厚時(shí)雜質(zhì)濃度便會(huì)降低，可減小雜質(zhì)影響；

（２）具有鏡面自清洗功能的露點(diǎn)儀，可通過(guò)對(duì)鏡面的適度清洗，減低或消除雜質(zhì)的影響。

此外，鏡面也常會(huì)有一些不溶于水的微粒（如灰塵等）會(huì)增加鏡面本底散射水平，使露點(diǎn)儀發(fā)生零點(diǎn)漂移。解決這種影響的方法：在測(cè)量前，先給鏡面深度制冷，然后升溫，再降溫，直至達(dá)到露點(diǎn)。對(duì)于氣體中的沸點(diǎn)較高的微粒，此種方法不起作用。

過(guò)冷水對(duì)測(cè)量精度的影響

　過(guò)冷水影響因素分析

當(dāng)溫度高于０℃時(shí)，水只能以一種穩(wěn)定的熱力學(xué)狀態(tài)存在，它可以是氣體，即水蒸氣；同時(shí)水蒸氣也可冷凝成水，即結(jié)露。當(dāng)溫度不超過(guò)０℃時(shí)，水除了可以呈氣態(tài)和固態(tài)外，還存在第三種熱力學(xué)狀態(tài)—過(guò)冷水。而在（－４０～０）℃范圍內(nèi)，過(guò)冷水現(xiàn)象普遍存在。鏡面狀態(tài)、露層性質(zhì)及結(jié)構(gòu)對(duì)提高測(cè)量準(zhǔn)確度十分重要。露滴形成的基本條件是有一個(gè)憎水的拋

光表面和一定數(shù)量的露核（表面上的微小固體粒子）及表面上的微小裂痕等。當(dāng)氣體中水蒸氣接近飽和時(shí)，露滴開(kāi)始形成并在表面孤立地生長(zhǎng)；在此過(guò)程中，相鄰露滴逐漸縮小距離，直至互相接觸而結(jié)合。隨著溫度的降低，被測(cè)氣體中的水蒸氣接近飽和狀態(tài)，水分子由于引力被吸附在鏡面上，形成一層薄水膜，這是形成露的第一階段。當(dāng)溫度逐漸下降時(shí)，水膜的厚度逐漸增加，這是形成露的第二階段。此時(shí)，冷卻表面的任何不穩(wěn)定因素都會(huì)使水膜聚成

液滴（如鏡面上的微小傷痕）。隨著鏡面溫度的進(jìn)一步下降，不斷生長(zhǎng)且分布不規(guī)則的露滴形成露層并很快在表面上擴(kuò)散。此時(shí)，液－氣或固－氣平衡，即達(dá)到露點(diǎn)（或霜點(diǎn)）。一定條件下，水蒸氣達(dá)到飽和時(shí)，液相仍不出現(xiàn)，或是水在零度以下仍不結(jié)冰，這種現(xiàn)象稱為“過(guò)飽和”或“過(guò)冷”。對(duì)于結(jié)露（或霜）過(guò)程來(lái)說(shuō)，出現(xiàn)此現(xiàn)象往往是由于被測(cè)氣體和

鏡面很干凈，以致缺少足夠數(shù)量的露核而引起的。另外，在低溫測(cè)量時(shí)，由于冰的結(jié)晶過(guò)程比較慢，往往到達(dá)霜點(diǎn)溫度時(shí)霜層還未出現(xiàn)。當(dāng)溫度繼續(xù)降低時(shí)，水汽開(kāi)始結(jié)露，在過(guò)冷水狀態(tài)下很快形成露層，但此時(shí)的蒸汽壓不是冰的飽和蒸汽壓而是過(guò)冷水的飽和蒸汽壓。當(dāng)露點(diǎn)儀鏡面溫度低于０℃而鏡面上凝結(jié)的是露而不是霜時(shí)，雖然此時(shí)實(shí)測(cè)到的是露點(diǎn)溫度，但露點(diǎn)儀仍把它當(dāng)作霜點(diǎn)溫度來(lái)處理。因此，這時(shí)測(cè)得的濕度值不正確。由于過(guò)冷現(xiàn)象，濕度測(cè)量的誤差有時(shí)高達(dá)幾度，在－１０℃時(shí)誤差最大可達(dá)１℃左右，－２０℃時(shí)誤差最大可達(dá)２℃左右，在－３０℃時(shí)誤差最大可達(dá)３℃左右。

減少過(guò)冷水因素影響的措施

減少過(guò)冷水影響的措施有：

（１）可對(duì)鏡面進(jìn)行反復(fù)加熱和冷卻，當(dāng)鏡面逐漸升溫時(shí)，水層會(huì)逐漸蒸發(fā)；

（２）可在傳感器上加裝顯微鏡來(lái)判斷此過(guò)程，如發(fā)現(xiàn)過(guò)冷水可對(duì)鏡面加熱使水層消失；

（３）利用過(guò)冷水的蒸汽壓數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)結(jié)果進(jìn)行修正。

結(jié)束語(yǔ)

從冷鏡式露點(diǎn)儀原理分析入手，進(jìn)而提出了影響這種露點(diǎn)儀精確測(cè)量的三大影響因素，然后逐一對(duì)這些影響因素進(jìn)行分析，并提出了減少這些影響因素的措施，對(duì)冷鏡式露點(diǎn)儀的測(cè)量和使用具有指導(dǎo)意義。