冷鏡式露點儀測量精度影響因素分析

1 露點儀是建立在可靠的理論基礎之上，具有準確度高，測量范圍寬的特點，其準確度僅次于重量法濕度計。它不僅是一種工作儀器，而且也是長期以來普遍采用的標準儀器。露點儀廣泛用于工業(yè)過程和實驗室的濕度測量與控制，以及氣象學中的探空測量等，在現(xiàn)代濕度測量技術中占有相當重要的位置。氣體露點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平衡狀態(tài)，準確地測出此時的溫度，即為該氣體露點溫度，露點法是一種的測量方法。

２冷鏡式露點儀簡介

露點儀的種類繁多，由于冷卻的方式、露點檢測的方法各不相同，目前上的精密露點儀主要采用光電檢測熱電制冷鏡面的冷凝式露點儀。這種露點儀主要由三部分組成：

ａ）高重復性的鏡面控溫伺服機構；

ｂ）準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。

露點儀工作過程基本是：被測量氣體通過露點測量室掠過鏡面，當鏡面溫度高于該氣體的露點溫度時，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，由光電傳感器感應到并輸出光電信號，經(jīng)控制回路比較、放大，半導體制冷器（由一級或數(shù)級Ｐｅｌｔｉｅｒ元件組成），對鏡面制冷。當鏡面溫度降至樣氣的露點溫度時，鏡面上開始結露（或霜），光照在鏡面上出現(xiàn)漫反射，光電傳感器感應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，準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（或霜點）溫度。

烏拉爾效應影響因素分析

在露點測量中，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，二是改變鏡面本底散射水平。烏拉爾效應是由水溶性物質造成的。如果被測氣體中攜帶這種物質（一般是可溶性物質），則提前結露，使測量結果產(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，從而使光電露點儀發(fā)生零點漂移。此外，一些沸點比水低的容易冷凝的物質的蒸汽，也將對露點的測量產(chǎn)生干擾。烏拉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——— 為溶質的摩爾分數(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)烏拉爾效應可以解釋為什么在達到被測氣體的露點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。而只有當鏡面上露層與氣體中水蒸氣達到平衡時，測出的溫度才是露點溫度。而這種氣、液的兩相平衡是一種動態(tài)平衡，即單位時間內從液相蒸發(fā)到氣相的分子數(shù)等于從氣相凝結到液相的分子數(shù)。當溶劑（水）中溶解了難揮發(fā)的溶質時，其表面不均勻地被溶質的粒子占據(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，而此時露點溫度與蒸汽壓是一一對應的。根據(jù)拉烏爾定律，溶液的露點溫度比實際（純水）要高，且升高量與溶質的摩爾分數(shù)成正比；若要使這種影響小于０．１１℃，則要求可溶性雜質的摩爾分數(shù)小于０．６２％。在０℃以下鏡面上結霜時由于雜質與霜不能互溶，此時影響可忽略。４．２　減少烏拉爾效應的措施減少烏拉爾效應的措施有：

（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，因為露層厚度相對變厚時雜質濃度便會降低，可減小雜質影響；

（２）具有鏡面自清洗功能的露點儀，可通過對鏡面的適度清洗，減低或消除雜質的影響。

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，使露點儀發(fā)生零點漂移。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，直至達到露點。對于氣體中的沸點較高的微粒，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

當溫度高于０℃時，水只能以一種穩(wěn)定的熱力學狀態(tài)存在，它可以是氣體，即水蒸氣；同時水蒸氣也可冷凝成水，即結露。當溫度不超過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狀態(tài)—過冷水。而在（－４０～０）℃范圍內，過冷水現(xiàn)象普遍存在。鏡面狀態(tài)、露層性質及結構對提高測量準確度十分重要。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，這是形成露的初步階段。當溫度逐漸下降時，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散。此時，液－氣或固－氣平衡，即達到露點（或霜點）。一定條件下，水蒸氣達到飽和時，液相仍不出現(xiàn)，或是水在零度以下仍不結冰，這種現(xiàn)象稱為“過飽和”或“過冷”。對于結露（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，由于冰的結晶過程比較慢，往往到達霜點溫度時霜層還未出現(xiàn)。當溫度繼續(xù)降低時，水汽開始結露，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。當露點儀鏡面溫度低于０℃而鏡面上凝結的是露而不是霜時，雖然此時實測到的是露點溫度，但露點儀仍把它當作霜點溫度來處理。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幾度，在－１０℃時誤差大可達１℃左右，－２０℃時誤差大可達２℃左右，在－３０℃時誤差大可達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）可對鏡面進行反復加熱和冷卻，當鏡面逐漸升溫時，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)進行計算，對結果進行修正。

６　結束語

從冷鏡式露點儀原理分析入手，進而提出了影響這種露點儀測量的三大影響因素，然后逐一對這些影響因素進行分析，并提出了減少這些影響因素的措施，對冷鏡式露點儀的測量和使用具有指導意義。