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冷镜式露点仪测量精度影响因素分析
点击次数:589 发布时间:2018-09-05

1 露点仪是建立在可靠的理论基础之上,具有准确度高,测量范围宽的特点,其准确度仅次于重量法湿度计。它不仅是一种工作仪器,而且也是长期以来普遍采用的标准仪器。露点仪广泛用于工业过程和实验室的湿度测量与控制,以及气象学中的探空测量等,在现代湿度测量技术中占有相当重要的位置。气体露点温度是气体常用的湿度表示方法之一。其定义为,用等压冷却的方法使气体中的水蒸汽冷却至凝聚相出现,或通过控制冷面的温度,使气

体中的水蒸汽与镜面露层的平展表面呈热力学平衡状态,准确地测出此时的温度,即为该气体露点温度,露点法是一种绝对的测量方法。

 

冷镜式露点仪简介

 

露点仪的种类繁多,由于冷却的方式、露点检测的方法各不相同,目前国际上的精密露点仪主要采用光电检测热电制冷镜面的冷凝式露点仪。这种露点仪主要由三部分组成:

)高重复性的镜面控温伺服机构;

)准确地测量镜面温度的温度测量系统;

)判断镜面上生成的是霜还是露的装置。

如图所示,露点仪工作过程基本是:被测量气体通过露点测量室掠过镜面,当镜面温度高于该气体的露点温度时,镜面呈干燥状态,此时发光二极管发出的光照在镜面上,几乎完全反射,由光电传感器感应到并输出光电信号,经控制回路比较、放大,半导体制冷器(由一级或数级Peltier元件组成),对镜面制冷。当镜面温度降至样气的露点温度时,镜面上开始结露(或霜),光照在镜面上出现漫反射,光电传感器感应到的反射光信号随之减弱。此变化经控制回路比较、放大后调节热电泵激励,使其制热功率增大,这样通过自动控制使冷镜面上的露(或霜)与气体中的水蒸气呈相平衡状态。此时,通过露霜检测装置,可以判断镜面上的冷凝物是液态的露还是固态的霜;镜面温度由一贴在冷镜面下方的精密温度传感器感应,准确测量出镜面的温度(即露或霜层的温度),从而获得气体的露点(或霜点)温度。

 

乌拉尔效应影响因素分析

在露点测量中,镜面污染是一个突出问题,其影响主要表现在两个方面:一是乌拉尔效应,二是改变镜面本底散射水平。乌拉尔效应是由水溶性物质造成的。如果被测气体中携带这种物质(一般是可溶性物质),则提前结露,使测量结果产生正偏差。若污染物是不溶于水的微粒,如灰尘等,则会增加本底的散射水平,从而使光电露点仪发生零点漂移。此外,一些沸点比水低的容易冷凝的物质的蒸汽,也将对露点的测量产生干扰。乌拉尔效应是指镜面上存在水溶性物质时,体系的平衡水汽压低于纯水时的饱和水汽压。这些水溶性物质可以是镜面上固有的,或者是被测气体中含有的。根据乌拉尔定律,溶液平衡水汽压的降低与溶液浓度成正比,即

Δe=eW

·

式中:——— 为溶质的摩尔分数;Δ———溶液平衡

水汽压的降低值,hPaeW

———纯水平面的饱和水汽

压,hPa

根据乌拉尔效应可以解释为什么在达到被测气体的露点温度之前会有早期冷凝现象发生。镜面表层由于清洗不干净或使用时环境的污染,常有一些可溶性杂质。而只有当镜面上露层与气体中水蒸气达到平衡时,测出的温度才是露点温度。而这种气、液的两相平衡是一种动态平衡,即单位时间内从液相蒸发到气相的分子数等于从气相凝结到液相的分子数。当溶剂(水)中溶解了难挥发的溶质时,其表面不均匀地被溶质的粒子占据,所以单位时间从镜面上的溶液中蒸发出的分子数则比纯水中蒸发出的分子数要少。此种情况下若达到相平衡,则镜面上

溶液的蒸汽压低于纯水的蒸汽压,而此时露点温度与蒸汽压是一一对应的。根据拉乌尔定律,溶液的露点温度比实际(纯水)要高,且升高量与溶质的摩尔分数成正比;若要使这种影响小于0.11℃,则要求可溶性杂质的摩尔分数小于0.62%。在0℃以下镜面上结霜时由于杂质与霜不能互溶,此时影响可忽略。2 减少乌拉尔效应的措施减少乌拉尔效应的措施有:

)由于镜面上不同厚度的露层对光的反射或散射的程度不同,可利用光路来检测露层厚度,因为露层厚度相对变厚时杂质浓度便会降低,可减小杂质影响;

)具有镜面自清洗功能的露点仪,可通过对镜面的适度清洗,减低或消除杂质的影响。

此外,镜面也常会有一些不溶于水的微粒(如灰尘等)会增加镜面本底散射水平,使露点仪发生零点漂移。解决这种影响的方法:在测量前,先给镜面深度制冷,然后升温,再降温,直至达到露点。对于气体中的沸点较高的微粒,此种方法不起作用。

 

3 过冷水对测量精度的影响

 过冷水影响因素分析

当温度高于0℃时,水只能以一种稳定的热力学状态存在,它可以是气体,即水蒸气;同时水蒸气也可冷凝成水,即结露。当温度不超过0℃时,水除了可以呈气态和固态外,还存在第三种热力学状态—过冷水。而在(-40~0范围内,过冷水现象普遍存在。镜面状态、露层性质及结构对提高测量准确度十分重要。露滴形成的基本条件是有一个憎水的抛

光表面和一定数量的露核(表面上的微小固体粒子)及表面上的微小裂痕等。当气体中水蒸气接近饱和时,露滴开始形成并在表面孤立地生长;在此过程中,相邻露滴逐渐缩小距离,直至互相接触而结合。随着温度的降低,被测气体中的水蒸气接近饱和状态,水分子由于引力被吸附在镜面上,形成一层薄水膜,这是形成露的第一阶段。当温度逐渐下降时,水膜的厚度逐渐增加,这是形成露的第二阶段。此时,冷却表面的任何不稳定因素都会使水膜聚成

液滴(如镜面上的微小伤痕)。随着镜面温度的进一步下降,不断生长且分布不规则的露滴形成露层并很快在表面上扩散。此时,液气或固气平衡,即达到露点(或霜点)。一定条件下,水蒸气达到饱和时,液相仍不出现,或是水在零度以下仍不结冰,这种现象称为“过饱和”或“过冷”。对于结露(或霜)过程来说,出现此现象往往是由于被测气体和

镜面很干净,以致缺少足够数量的露核而引起的。另外,在低温测量时,由于冰的结晶过程比较慢,往往到达霜点温度时霜层还未出现。当温度继续降低时,水汽开始结露,在过冷水状态下很快形成露层,但此时的蒸汽压不是冰的饱和蒸汽压而是过冷水的饱和蒸汽压。当露点仪镜面温度低于0℃而镜面上凝结的是露而不是霜时,虽然此时实测到的是露点温度,但露点仪仍把它当作霜点温度来处理。因此,这时测得的湿度值不正确。由于过冷现象,湿度测量的误差有时高达几度,在-10℃时误差最大可达1℃左右,-20℃时误差最大可达2℃左右,在-30℃时误差最大可达3℃左右。

 

32 减少过冷水因素影响的措施

减少过冷水影响的措施有:

)可对镜面进行反复加热和冷却,当镜面逐渐升温时,水层会逐渐蒸发;

)可在传感器上加装显微镜来判断此过程,如发现过冷水可对镜面加热使水层消失;

)利用过冷水的蒸汽压数据进行计算,对结果进行修正。

6 结束语

从冷镜式露点仪原理分析入手,进而提出了影响这种露点仪精确测量的三大影响因素,然后逐一对这些影响因素进行分析,并提出了减少这些影响因素的措施,对冷镜式露点仪的测量和使用具有指导意义。

 
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