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便攜式露點(diǎn)儀測量技術(shù)

日期:2018-05-25 作者:利諾威露點(diǎn)儀事業(yè)部 來(lái)源: 瀏覽:

  在冬天,我們會(huì )看到一種常見(jiàn)現象,由于室外溫度較低,室內較濕熱的空氣會(huì )在窗玻璃上結露,使窗玻璃模糊一片。假如我們再仔細觀(guān)測并研究下去,如果在室內開(kāi)啟除濕器,把室內的濕氣逐步去除,那么盡管室外還是同樣的溫度,而我們會(huì )發(fā)現窗玻璃上的露水會(huì )慢慢消去,窗玻璃重又露出透明光潔的本質(zhì)。假如這時(shí)室外溫度下降了,那么溫度降到一定程度時(shí),盡管除濕器已使室內空氣十分干燥,但在窗玻璃上仍會(huì )出現模糊的露層。這一現象說(shuō)明,玻璃上的結露溫度與玻璃所在的環(huán)境氣氛的含水量有關(guān),進(jìn)一步研究發(fā)現,這關(guān)系是一一對應關(guān)系,即每一個(gè)結露溫度(我們稱(chēng)之為露點(diǎn)溫度)對應環(huán)境氣氛的一個(gè)含水量值。露點(diǎn)可以簡(jiǎn)單地理解為使氣體中水蒸汽含量達到飽和狀態(tài)的溫度,是表示露點(diǎn)儀氣體絕對濕度的方式之一;由此可見(jiàn),露點(diǎn)溫度是度量氣體水份含量的一種單位制。露點(diǎn)分析儀就是基于這種單位制而測量氣體中絕對水份含量的儀器。綜上所述,露點(diǎn)儀測量的對象離不開(kāi)氣體。露點(diǎn)儀為了要得到高質(zhì)量的產(chǎn)品或設備正常地運行,許多行業(yè)諸如石化、電力、電子、航空航天、冶金、紡織等對濕度測量的要求越來(lái)越高,因而,濕度測量已逐漸成為一個(gè)新興的技術(shù)領(lǐng)域,在86年我*正式成立了濕度與水分專(zhuān)業(yè)委員會(huì ),并開(kāi)展了多次學(xué)術(shù)交流會(huì ),濕度的一些計量檢定規程也逐步建立。根據有關(guān)規程,濕度被定義為氣體中的水蒸氣含量,常用單位有:克/升,PPM,mmHg,露點(diǎn)及相對濕度等。習慣上以露點(diǎn)-20℃為界把所測氣體分為高濕度氣體與低濕度氣體(即微量水),這里重點(diǎn)介紹低濕度氣體的測量。便攜式露點(diǎn)儀

  2濕度測量原理

  便攜式露點(diǎn)儀鏡面式不同水份含量的氣體在不同溫度下的鏡面上會(huì )結露。采用光電檢測技術(shù),檢測出露層并測量結露時(shí)的溫度,冷鏡式露點(diǎn)儀

  直接顯示露點(diǎn)。鏡面制冷的方法有:半導體制冷、液氮制冷和高壓空氣制冷。鏡面式露點(diǎn)儀采用的是直接測量方法,在保證檢露準確、鏡面制冷高效率和精密測量結露溫度前提下,該種露點(diǎn)儀可作為標準露點(diǎn)儀使用。目前*際上高精度達到±0.1℃(露點(diǎn)溫度),一般精度可達到±0.5℃以?xún)入妭鞲衅魇铰饵c(diǎn)儀采用親水性材料或憎水性材料作為介質(zhì),構成電容或電阻,在含水份的氣體流經(jīng)后,介電常數或電導率發(fā)生相應變化,測出當時(shí)的電容值或電阻值,就能知道當時(shí)的氣體水份含量。建立在露點(diǎn)單位制上設計的該類(lèi)傳感器,構成了電傳感器式露點(diǎn)分析儀。目前*際上高精度達到±1.0℃(露點(diǎn)溫度),一般精度可達到±3℃以?xún)?。電解法露點(diǎn)儀

  利用五氧化二磷等材料吸濕后分解成 性分子,從而在電 上積累電荷的特性,設計出建立在絕對含濕量單位制上的電解法微水份儀。晶體振蕩式露點(diǎn)儀利用晶體沾濕后振蕩頻率改變的特性,可以設計晶體振蕩式露點(diǎn)儀。這是一項較新的技術(shù),尚處于不十分成熟的階段。*外有相關(guān)產(chǎn)品,但精度較差且成本很高。紅外露點(diǎn)儀利用氣體中的水份對紅外光譜吸收的特性,可以設計紅外式露點(diǎn)儀。該儀器很難測到低露點(diǎn),主要是紅外探測器的峰值探測率還不能達到微量水吸收的量*,還有氣體中其他成分含量對紅外光譜吸收的干擾。但這是一項很新的技術(shù),對于環(huán)境氣體水份含量的非接觸式在線(xiàn)監測具有重要的意義。半導體傳感器

  每個(gè)水分子都具有其自然振動(dòng)頻率,當它進(jìn)入半導體晶格的空隙時(shí),就和受到充電激勵的晶格產(chǎn)生共振,其共振頻率與水的摩爾數成正比。水分子的共振能使半導體結放出自由電子,從而使晶格的導電率增大,阻抗減小。利用這一特性設計的半導體露點(diǎn)儀可測到-100℃露點(diǎn)的微量水份。重量法是一種經(jīng)典的測量方法。讓所測樣氣流經(jīng)某一干燥劑,其所含水分被干燥劑吸收,精確稱(chēng)取干燥劑吸收的水分含量,與樣氣體積之比即為樣氣的濕度。該方法的優(yōu)點(diǎn)是精度高,大允許誤差可達0.1%;缺點(diǎn)是具體操作比較困難,尤其是必須得到足夠量的吸收水質(zhì)量(一般不小于0.6克),這對于低濕度氣體尤其困難,必須加大樣氣流量,結果會(huì )導致測量時(shí)間和誤差增大(測得的濕度不是瞬時(shí)值)。因而該方法只適合于測量露點(diǎn)-32℃以上的氣體,可以說(shuō)市場(chǎng)上純粹利用該方法測濕度的儀器較少。由以上分析可知,重量法的關(guān)鍵是怎樣精確測量干燥劑吸收的水分含量,因為直接測量比較困難,由此衍生了兩種間接測量吸收水含量的方法。電解法就是將干燥劑吸收的水分經(jīng)電解池電解成氫氣和氧氣排出,電解電流的大小與水分含量成正比,通過(guò)檢測該電流即可測得樣氣的濕度。該方法彌補了重量法的缺點(diǎn),測量量程可達-80℃以下,且精度較好,價(jià)格便宜;缺點(diǎn)是電解池氣路需要在使用前干燥很長(cháng)時(shí)間,且對氣體的腐蝕性及清潔性要求較高。采用該方法的儀器較多。振動(dòng)頻率法就是將重量法中的干燥劑換用一種吸濕性的石英晶體,根據該晶體吸收水分質(zhì)量不同時(shí)振動(dòng)頻率不同的特點(diǎn),讓樣氣和標準干燥氣流經(jīng)該晶體,因而產(chǎn)生不同的振動(dòng)頻率差△f1和△f2,計算兩頻率之差即可得到樣氣的濕度。該方法具有電解法一樣的優(yōu)點(diǎn),且使用前勿須干燥。冷鏡法也是一種經(jīng)典的測量方法。讓樣氣流經(jīng)露點(diǎn)冷鏡室的冷凝鏡,通過(guò)等壓制冷,使得樣氣達到飽和結露狀態(tài)(冷凝鏡上有液滴析出),測量冷凝鏡此時(shí)的溫度即是樣氣的露點(diǎn)。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是精度高,尤其在采用半導體制冷和光電檢測技術(shù)后,不確定度甚至可達0.1℃;缺點(diǎn)是響應速度較慢,尤其在露點(diǎn)-60℃以下,平衡時(shí)間甚至達幾個(gè)小時(shí),而且此方法對樣氣的清潔性和腐蝕性要求也較高,否則會(huì )影響光電檢測效果或產(chǎn)生‘偽結露’造成測量誤差。

  阻容法是一種不斷完善的濕度測量方法。利用一個(gè)高純鋁棒,表面氧化成一層超薄的氧化鋁薄膜,其外鍍一層多空的網(wǎng)狀金膜,金膜與鋁棒之間形成電容,由于氧化鋁薄膜的吸水特性,導致電容值隨樣氣水分的多少而改變,測量該電容值即可得到樣氣的濕度。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是測量量程可更低,甚至達-100℃,另一突出優(yōu)點(diǎn)是響應速度非???,從干到濕響應一分鐘可達90%,因而多用于現場(chǎng)和快速測量場(chǎng)合;缺點(diǎn)是精度較差,不確定度多為±2~3℃。老化和漂移嚴重,使用3~6個(gè)月必須校準。該方法的典型廠(chǎng)*代表為英*Alpha濕度儀器公司,愛(ài)爾蘭的PANAMETRICS公司及美*的XENTAUR公司。但隨著(zhù)各廠(chǎng)*的不斷努力,該方法正在逐漸得到完善,例如,通過(guò)改變材料和提高工藝使得傳感器穩定度大大提高,通過(guò)對傳感器響應曲線(xiàn)的補償作到了飽和線(xiàn)性,解決了自動(dòng)校準問(wèn)題。

  測量注意事項

  便攜式露點(diǎn)儀鏡面污染對露點(diǎn)測量的影響在露點(diǎn)測量中,鏡面污染是一個(gè)突出的問(wèn)題,其影響主要表現在兩個(gè)方面;一是拉烏爾效應,二是改變鏡面本底放射水平。拉烏爾效應是由水溶性物質(zhì)造成的。如果被測氣體中攜帶這種物質(zhì)(一般是可溶性鹽類(lèi))則鏡面提前結露,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(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)(例如有機物)的蒸汽,不言而喻將對露點(diǎn)的測量產(chǎn)生干擾。因此,無(wú)論任何一種類(lèi)型的露點(diǎn)儀都應防止污染鏡面。一般說(shuō)來(lái),工業(yè)流程氣體分析污染的影響是比較嚴重的。露點(diǎn)儀但即使是在純氣的測量中鏡面的污染亦會(huì )隨時(shí)間增加而積累。測量條件的選擇

  在露點(diǎn)儀的設計中要著(zhù)重考慮直接影響結露過(guò)程熱質(zhì)交換的各種因素,這個(gè)原則同樣適用于自動(dòng)化程度不太高的露點(diǎn)儀器操作條件的選擇。這里主要討論鏡面降溫速度和樣氣流速問(wèn)題。

  1.被測氣體的溫度通常都是室溫。因此當氣流通過(guò)露點(diǎn)室時(shí)必然要影響體系的傳熱和傳質(zhì)過(guò)程。當其它條件固定時(shí),加大流速將有利于氣流和鏡面之間的傳質(zhì)。特別是在進(jìn)行低霜點(diǎn)測量時(shí),流速應適當提高,以加快露層形成速度,但是流速不能太大,否則會(huì )造成過(guò)熱問(wèn)題。這對制冷功率比較小的熱電制冷露點(diǎn)儀尤為明顯。流速太大還會(huì )導致露點(diǎn)室壓力降低而流速的改變又將影響體系的熱平衡。所以在露點(diǎn)測量中選擇適當的流速是必要的,流速的選擇應視制冷方法和露點(diǎn)室的結構而定。一般的流速范圍在0.4~0.7L﹒min-1之間。為了減小傳熱的影響,可考慮在被測氣體進(jìn)入露點(diǎn)室之前進(jìn)行預冷處理。

  2.在露點(diǎn)測量中鏡面降溫速度的控制是一個(gè)重要問(wèn)題露點(diǎn)儀,對于自動(dòng)光電露點(diǎn)儀是由設計決定的,而對于手控制冷量的露點(diǎn)儀則是操作中的問(wèn)題。因為冷源的冷卻點(diǎn)、測溫點(diǎn)和鏡面間的熱傳導有一個(gè)過(guò)程并存在一定的溫度梯度。所以熱慣性將影響結露(霜)的過(guò)程和速度,給測量結果帶來(lái)誤差。這種情況又隨使用的測溫元件不同而異,例如由于結構關(guān)系,鉑電阻感溫元件的測量點(diǎn)與鏡面之間的溫度梯度比較大,熱傳導速度也比較慢,從而使測溫和結露不能同步進(jìn)行。而且導致露層的厚度無(wú)法控制。這對目視檢露來(lái)說(shuō)將產(chǎn)生負誤差。

  3.另一個(gè)問(wèn)題是降溫速度太快可能造成“過(guò)冷”。我們知道,在一定條件下,水汽達到飽和狀態(tài)時(shí),液相仍然不出現,或者水在零度以下時(shí)仍不結冰,這種現象稱(chēng)為過(guò)飽和或“過(guò)冷”。對于結露 (或霜)過(guò)程來(lái)說(shuō),這種現象往往是由于被測氣體和鏡面非常干凈,乃至缺少足夠數量的凝結核心而引起的。Suomi在實(shí)驗中發(fā)現,如果一個(gè)高度拋光的鏡面并且其干凈程度合乎化學(xué)要求,則露的形成溫度要比真實(shí)的露點(diǎn)溫度低幾度。過(guò)冷現象是短暫的,共時(shí)間長(cháng)短和露點(diǎn)或霜點(diǎn)溫度有關(guān)。這種現象可以通過(guò)顯微鏡觀(guān)察出來(lái)。解決的辦法之一是重復加熱和冷卻鏡面的操作,直到這種現象消除為止。另一個(gè)解決辦法是直接利用過(guò)冷水的水汽壓數據。并且這樣作恰恰與氣象系統低于零度時(shí)的相對濕度定義相吻合。

 



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