冷鏡式露點(diǎn)儀的測量原理
被測濕氣進(jìn)入露點(diǎn)測量室時掠過冷鏡面,當(dāng)鏡面溫度高于濕氣的露點(diǎn)溫度時,鏡面呈干燥狀態(tài),此時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)動熱電泵,對鏡面致冷。當(dāng)鏡面溫度降至濕氣露點(diǎn)溫度時,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,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,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,此時可以認(rèn)為液-汽平衡開始,即達(dá)到露點(diǎn)。
冷鏡式露點(diǎn)儀的應(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。
冷鏡式露點(diǎn)儀的優(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)有時會有過冷水存在,因此要特別小心區(qū)分過冷水和霜。
冷鏡式露點(diǎn)儀的結(jié)構(gòu)
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。
2.鏡面致冷
在過去曾使用過乙醚蒸發(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,熱量會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,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,一級致冷時,冷熱端溫差可達(dá)55℃,二級致冷時冷熱端溫差可達(dá)75℃,四級致冷時冷熱端溫差可達(dá)105℃,五級致冷時冷熱端溫差可達(dá)120℃。不同公司的產(chǎn)品其致冷量也會有稍許的不同。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,其zui低測量范圍為-60℃,當(dāng)室溫為20℃時,其zui低測量范圍為-55℃,當(dāng)室溫為35℃時,其zui低測量范圍為-45℃。由于氫氣及氦氣的熱導(dǎo)率較高,因此其測量范圍會縮小幾度。當(dāng)被測氣體的壓力增大,其測量范圍也會縮小,對于空氣和氮?dú)鈦碚f,在高于常壓的情況下,每增加1個大氣壓,其測量范圍降低0.67℃左右。
冷鏡式露點(diǎn)儀的測溫裝置
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。
冷鏡式露點(diǎn)儀的檢測系統(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。
使用冷鏡式露點(diǎn)儀的注意事項
*,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,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。
第二,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,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。
第三,拉烏爾效應(yīng)
是指鏡面上存在水溶性物質(zhì)時,體系的平衡水汽壓低于純水時的飽和水汽壓。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,因為水溶性物質(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,我們常常會發(fā)現(xiàn),鏡面上開始結(jié)露時并不是均勻的,露層總是首先在鏡面某個區(qū)域上出現(xiàn),其原因往往是由于鏡面上的劃痕引起的,因為在這些有缺陷的地方,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,一定要小心,避免使鏡面受到機(jī)械損傷。
第四,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。
第五,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,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為原則。
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。圖2-2是各種材料在飽和吸附狀態(tài)下通以干氣時的解吸-時間曲線。從實(shí)驗結(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,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,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,流量范圍一般為0.25L/min~1L/min。在這一范圍內(nèi),流速的改變不會影響測量結(jié)果。
取樣時一般可分為兩種情況,一種是帶壓取樣,此時根據(jù)取樣方式的不同,可分為帶壓測量和常壓測量。分別見圖2-3及圖2-4。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,會給測量結(jié)果帶來正誤差,若將泵與流量計調(diào)換位置,露點(diǎn)儀則是在負(fù)壓的狀態(tài)下,此時會給測量帶來負(fù)誤差。正確的取樣方式見圖2-6。