冷鏡式露點(diǎn)儀測量精度影響因素分析

1 露點(diǎn)儀是建立在可靠的理論基礎(chǔ)之上,，具有準(zhǔn)確度高,，測量范圍寬的特點(diǎn),，其準(zhǔn)確度僅次于重量法濕度計(jì),。它不僅是一種工作儀器,，而且也是長期以來普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)儀器,。露點(diǎn)儀廣泛用于工業(yè)過程和實(shí)驗(yàn)室的濕度測量與控制,，以及氣象學(xué)中的探空測量等,，在現(xiàn)代濕度測量技術(shù)中占有相當(dāng)重要的位置。氣體露點(diǎn)溫度是氣體常用的濕度表示方法之一,。其定義為,，用等壓冷卻的方法使氣體中的水蒸汽冷卻至凝聚相出現(xiàn)，或通過控制冷面的溫度,，使氣

體中的水蒸汽與鏡面露層的平展表面呈熱力學(xué)平衡狀態(tài),，準(zhǔn)確地測出此時的溫度，即為該氣體露點(diǎn)溫度,，露點(diǎn)法是一種的測量方法,。

２冷鏡式露點(diǎn)儀簡介

露點(diǎn)儀的種類繁多，由于冷卻的方式,、露點(diǎn)檢測的方法各不相同,，目前上的精密露點(diǎn)儀主要采用光電檢測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)確地測量鏡面溫度的溫度測量系統(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：被測量氣體通過露點(diǎn)測量室掠過鏡面,，當(dāng)鏡面溫度高于該氣體的露點(diǎn)溫度時，鏡面呈干燥狀態(tài),，此時發(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,，經(jīng)控制回路比較、放大,，半導(dǎo)體制冷器（由一級或數(shù)級Ｐｅｌｔｉｅｒ元件組成）,，對鏡面制冷。當(dāng)鏡面溫度降至樣氣的露點(diǎn)溫度時,，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，使其制熱功率增大,，這樣通過自動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，通過露霜檢測裝置,，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)測量中,，鏡面污染是一個突出問題，其影響主要表現(xiàn)在兩個方面：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)的蒸汽，也將對露點(diǎn)的測量產(chǎn)生干擾,。烏拉爾效應(yīng)是指鏡面上存在水溶性物質(zhì)時,，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)可以是鏡面上固有的,，或者是被測氣體中含有的,。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)到被測氣體的露點(diǎn)溫度之前會有早期冷凝現(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,，測出的溫度才是露點(diǎn)溫度,。而這種氣、液的兩相平衡是一種動態(tài)平衡,，即單位時間內(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，其表面不均勻地被溶質(zhì)的粒子占據(jù),，所以單位時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，而此時露點(diǎn)溫度與蒸汽壓是一一對應(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)霜時由于雜質(zhì)與霜不能互溶,，此時影響可忽略,。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光的反射或散射的程度不同，可利用光路來檢測露層厚度,，因?yàn)槁秾雍穸认鄬ψ兒駮r雜質(zhì)濃度便會降低,，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,，鏡面也常會有一些不溶于水的微粒（如灰塵等）會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),。對于氣體中的沸點(diǎn)較高的微粒，此種方法不起作用,。

3 過冷水對測量精度的影響

　過冷水影響因素分析

當(dāng)溫度高于０℃時，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；同時水蒸氣也可冷凝成水,，即結(jié)露,。當(dāng)溫度不超過０℃時，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)對提高測量準(zhǔn)確度十分重要,。露滴形成的基本條件是有一個憎水的拋

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,，露滴開始形成并在表面孤立地生長,；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，這是形成露的階段,。當(dāng)溫度逐漸下降時,，水膜的厚度逐漸增加，這是形成露的第二階段,。此時,，冷卻表面的任何不穩(wěn)定因素都會使水膜聚成

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，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,，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”,。對于結(jié)露（或霜）過程來說,，出現(xiàn)此現(xiàn)象往往是由于被測氣體和

鏡面很干凈，以致缺少足夠數(shù)量的露核而引起的,。另外,，在低溫測量時，由于冰的結(jié)晶過程比較慢,，往往到達(dá)霜點(diǎn)溫度時霜層還未出現(xiàn),。當(dāng)溫度繼續(xù)降低時，水汽開始結(jié)露,，在過冷水狀態(tài)下很快形成露層,，但此時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，雖然此時實(shí)測到的是露點(diǎn)溫度,，但露點(diǎn)儀仍把它當(dāng)作霜點(diǎn)溫度來處理,。因此，這時測得的濕度值不正確,。由于過冷現(xiàn)象,，濕度測量的誤差有時高達(dá)幾度，在－１０℃時誤差大可達(dá)１℃左右,，－２０℃時誤差大可達(dá)２℃左右,，在－３０℃時誤差大可達(dá)３℃左右。

3．2　減少過冷水因素影響的措施

減少過冷水影響的措施有：

（１）可對鏡面進(jìn)行反復(fù)加熱和冷卻,，當(dāng)鏡面逐漸升溫時,，水層會逐漸蒸發(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，對結(jié)果進(jìn)行修正,。

６　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)儀測量的三大影響因素，然后逐一對這些影響因素進(jìn)行分析,，并提出了減少這些影響因素的措施,，對冷鏡式露點(diǎn)儀的測量和使用具有指導(dǎo)意義。