冷鏡式露點儀測量原理與應用范圍

 濕度測量儀器從原理上可分為冷鏡式、*吸收電解式、Al2O3電容式、薄膜電容式、電阻式、干濕球、機械式。其中*吸收電解式微水儀、Al2O3電容式露點儀一般用于低濕范圍的測量，而電阻式、干濕球、機械式濕度計只能用于相對濕度的測量，冷鏡式、薄膜電容式（Vaisala公司的）濕度計則不僅能用于低濕的測量，還能用于中高濕，即相對濕度的測量。上述各種原理的儀器各有其優缺點。其中冷鏡式露點儀是zui準確、zui可靠、zui基本的測量方法，被廣泛地用于標準傳遞，但其缺點是價格比較昂貴，并需要有經驗的人操作及保養。

1.1冷鏡式露點儀

1.1.1測量原理

    被測濕氣進入露點測量室時掠過冷鏡面，當鏡面溫度高于濕氣的露點溫度時，鏡面呈干燥狀態，(各種濕度露點測量方法及其優缺點)此時光電檢露裝置中光源發出的光照在鏡面上，幾乎*反射，由光電傳感器感應到并輸出光電信號，經控制回路比較、放大、驅動熱電泵，對鏡面致冷。當鏡面溫度降至濕氣露點溫度時，鏡面上開始結露（霜），光照在鏡面上出現漫反射，光電傳感器感應到的反射信號隨之減弱，此變化經控制回路比較、放大后調節熱電泵激勵，使其制冷功率適當減小，zui后，鏡面溫度保持在樣氣露點溫度上。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，并顯示在顯示窗上。

    目前世界上生產冷鏡式露點儀的公司，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，即同時對反射光及散射光進行檢測，芬蘭Vaisala則是利用聲波作檢測系統。

    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，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。當鏡面溫度繼續下降時，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，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。隨著鏡面溫度的進一步下降，露滴開始出現，通過顯微鏡可以看到孤立生長而且分布不規則的露滴，然后露層以很快的速度在表面上擴散，此時可以認為液-汽平衡開始，即達到露點。

1.1.2結構

1.1.2.1 鏡面

    鏡面應憎水，具有良好的導熱性，還要耐磨、耐腐蝕，光學性能好。在過去曾使用金做鏡面，目前則主要使用銠做鏡面。

1.1.2.2 鏡面致冷

    在過去曾使用過蒸發、機械致冷、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械致冷相結合（露點低于-60℃）。在本文中著重介紹熱電致冷。

    熱電致冷又稱半導體致冷，帕爾貼致冷（來自其英文名稱Peltier）。其原理是當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55℃，二級致冷時冷熱端溫差可達75℃，四級致冷時冷熱端溫差可達105℃，五級致冷時冷熱端溫差可達120℃。不同公司的產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，通常會采用風冷、水冷及機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儀的測量范圍。露點儀的測量范圍的定義是鏡面上可以獲得穩定的，具有一定厚度的露或霜層時鏡面的溫度，因此在一般的露/霜點下，其測量范圍一般比其致冷能力高5℃，在低霜點的情況下，一般高10℃~12℃。例如瑞士MBW公司生產的DP19露點儀，當室溫為10℃時，其zui低測量范圍為-60℃，當室溫為20℃時，其zui低測量范圍為-55℃，當室溫為35℃時，其zui低測量范圍為-45℃。由于氫氣及氦氣的熱導率較高，因此其測量范圍會縮小幾度。當被測氣體的壓力增大，其測量范圍也會縮小，對于空氣和氮氣來說，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。

1.1.2.3 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寬的溫度范圍內阻值和溫度近于線性關系，精度高，穩定性好，輸出信號較強，便于數字顯示。

1.1.2.4 檢測系統

    目前除芬蘭Vaisala公司zui近研制生產的冷鏡式露點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。光電檢測技術已有幾十年的歷史，比較成熟，但其缺點是不能區分過冷水和霜。

1.1.3使用注意事項

1.1.3.1過冷水與霜

    在0~-20℃這一范圍內，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，測得的數值要低于霜點，溫度不同，差別也不同。例如霜點為-10℃時，對應的過冷水的溫度為-11.23℃。因此在這一溫度段要非常小心。若儀器配有內窺鏡，可通過內窺鏡進行觀察區分。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，然后再進行正式測量。

1.1.3.2 開爾文效應

    曲面上的飽和水汽壓與平面上的情況是不同的。當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。由于開爾文效應使得到的露點溫度低于真正的被測氣體的露點溫度。

1.1.3.2拉烏爾效應

    是指鏡面上存在水溶性物質時，體系的平衡水汽壓低于純水時的飽和水汽壓。這些水溶性物質可能是鏡面上固有的，或者是被測氣體中含有的。根據拉烏爾定律，溶液平衡水汽壓的降低與溶液濃度成正比，這也是為什么在達到被測氣體的露點溫度之前會有早期冷凝現象發生的原因。

    開爾文效應與拉烏爾效應作用剛好相反，因此會抵消一些。但是在露點測量中，拉烏爾效應的影響較開爾文效應更為顯著，因為水溶性物質不可避免地或多或少存在于鏡面和被測氣體中，而且氣體中的雜質有時還可能與鏡面上的不溶于水的物質發生化學反應或光化學反應，轉化為可溶性物質。這種情況在工業流程氣體的水分測量中更為明顯。因此要采用適當的過濾裝置除去氣體中的固體微粒，并且通過反復進行結露和消露的操作，進一步清除鏡面上殘留的可溶性物質，這種方法為人們廣泛使用。

    在實際工作中，我們常常會發現，鏡面上開始結露時并不是均勻的，露層總是首先在鏡面某個區域上出現，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，一方面殘留的物質不易清除，另一方面缺陷的棱角起“露核"的作用，加速結露過程。因此，在露點儀的使用中，尤其是在清潔鏡面時，一定要小心，避免使鏡面受到機械損傷。

1.1.3.3 鏡面污染

    一是拉烏爾效應，二是改變鏡面本底散射水平。拉烏爾效應主要是由水溶性物質造成的。如果被測氣體中這種物質（一般是可溶性鹽類），則鏡面提前結露，使測量結果產生正偏差。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，從而使光電露點儀發生零點漂移。

1.1.3.4 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，極易吸咐在管路內壁或透過管路。因此在測量時氣路系統一定要密封好，管壁厚度至少為1mm，以防止外界環境水分侵入引入滲漏。假如測量環境溫度變化較大時，應再次檢查管路的密封。

    如果被測氣體直接排放入大氣，應考慮大氣中的水分向測量系統內部擴散的問題。zui常用的辦法是在排氣口接上一段適當長度的管子，其長度和管徑以不影響測量腔的壓力原則。

    取樣管路要盡量短，盡可能減少接頭的數量和避免“死空間"，以減少本底水分的干擾。

    取樣管路和測量腔內壁力求干凈，光潔度要好，選用憎水性強的材料，是各種材料在飽和吸附狀態下通以干氣時的解吸－時間曲線。從實驗結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，在低霜點測量中不應使用。另外在低霜點測量時，盡管使用內拋光的不銹鋼管，管子外徑一般為6mm或1/4英寸。

    在進行高露點的測量時，一定要注意被測露點低于周圍環境溫度3℃以下，以避免水蒸氣在管路中出現冷凝。

    露點儀測量濕度時，流量范圍一般為0.25L/min~1L/min。在這一范圍內，流速的改變不會影響測量結果。

    取樣時一般可分為兩種情況，一種是帶壓取樣，此時根據取樣方式的不同，可分為帶壓測量和常壓測量。另一種是在常壓下測量，即用泵抽取樣品。在這種情況下，經常會由于取樣方式的不同，而帶來人為的正壓和負壓，若按圖2-5所示的方式取樣，露點儀是在帶壓的情況下測量，會給測量結果帶來正誤差，若將泵與流量計調換位置，露點儀則是在負壓的狀態下，此時會給測量帶來負誤差。

1.1.4 應用范圍

    露點儀的測量范圍較廣，目前英國MICHELL及瑞士MBW公司開發的一系列露點儀的測量范圍已達到-95℃~70℃，可以滿足絕大多數的測量要求。

1.1.5 優缺點

    優點：屬基本測量，測量準確，并且儀器比較穩定無漂移，目前準確度zui高的儀器可達±0.1℃。

    缺點：價格較高，對操作人員的要求較高，并需進行維護。對污染物敏感。在-20℃~0℃范圍內有時會有過冷水存在，因此要特別小心區分過冷水和霜。