化工儀器網(wǎng)
技術(shù)文章
冷鏡式露點(diǎn)儀精度影響因素
閱讀：570 發(fā)布時(shí)間：2022-8-17冷鏡式露點(diǎn)儀精度影響精度
露點(diǎn)儀的種類繁多，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)儀工作過程基本是：被測(cè)量氣體通過露點(diǎn)測(cè)量室掠過鏡面,，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。
過冷水對(duì)測(cè)量精度的影響
過冷水影響因素分析
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)—過冷水。而在（－４０～０）℃范圍內(nèi),，過冷水現(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)，露滴開始形成并在表面孤立地生長(zhǎng),；在此過程中,，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“過飽和"或“過冷"。對(duì)于結(jié)露（或霜）過程來說,，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),，水汽開始結(jié)露，在過冷水狀態(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)溫度來處理,。因此，這時(shí)測(cè)得的濕度值不正確,。由于過冷現(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,。
減少過冷水因素影響的措施
減少過冷水影響的措施有：
（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判斷此過程，如發(fā)現(xiàn)過冷水可對(duì)鏡面加熱使水層消失,；
（３）利用過冷水的蒸汽壓數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,，對(duì)結(jié)果進(jìn)行修正。
結(jié)束語
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,。