露點(diǎn)儀的選型及注意事項(xiàng)

露點(diǎn)儀的選型及注意事項(xiàng)

摘要 濕度被定義為氣體中水蒸氣的含量，是一個重要的環(huán)境參數(shù)。測量氣體濕度的基本量是混合比，即水蒸氣質(zhì)量和干氣質(zhì)量之比，用重量法濕度計(jì)得以實(shí)現(xiàn)。但用重量法測量混合比技術(shù)難度大、操作繁瑣，實(shí)際測量濕度量值大多數(shù)采用露點(diǎn)。本文主要從露點(diǎn)儀分類，露點(diǎn)儀的如何選型，露點(diǎn)儀測量中應(yīng)注意的問題談?wù)効捶ā?/span>

　　關(guān)鍵詞 露點(diǎn)儀原理；分類；正確選型；測量注意問題；測量條件選擇

　　正文：濕度被定義為氣體中水蒸氣的含量，是一個重要的環(huán)境參數(shù)。大氣中的水蒸氣影響著自然界的物理、化學(xué)和生物過程。濕度影響氣體的熱、電、光和傳遞方面的特性。環(huán)境濕度還影響固體和液體材料中的水分含量，引起材料的尺寸變化，金屬材料的腐蝕，甚至決定生物體的存亡。濕度測量和控制廣泛應(yīng)用于航空航天、微電子、原子能、石油化工、電力、氣象、倉儲等領(lǐng)域。鑒于濕度測量的重要性，各國都在不斷更新改造其濕度標(biāo)準(zhǔn)。

　　測量氣體濕度的基本量是混合比，即水蒸氣質(zhì)量和干氣質(zhì)量之比，用重量法濕度計(jì)得以實(shí)現(xiàn)。在重量法濕度計(jì)中，氣流中的水蒸氣和載氣被分離，并且被分別收集和稱量（或間接測量干氣的體積和密度）。但用重量法測量混合比技術(shù)難度大、操作繁瑣。實(shí)際測量濕度量值大多數(shù)采用露點(diǎn)，盡管露點(diǎn)不是zui基本的濕度單位量。如果把混合比與濕度的關(guān)系比喻為熱力學(xué)溫標(biāo)與溫度的關(guān)系，則露點(diǎn)與濕度的關(guān)系類似于實(shí)用溫標(biāo)（ITS-90）與溫度的關(guān)系。

　　露點(diǎn)濕度計(jì)的原理可以通過一個簡單的實(shí)驗(yàn)來說明。若將一個光潔的金屬表面放到相對濕度低于的空氣中并使之冷卻，當(dāng)溫度降到某一數(shù)值時，靠近該表面的相對濕度達(dá)到，這時將有露在表面上形成。因?yàn)樵谶@個溫度下空氣中的水汽達(dá)到了飽和，冷表面附著的水膜和空氣中的水份處于動態(tài)平衡，也就是說，在單位時間內(nèi)離開和返回到表面上的水分子數(shù)相同，這就是Regnault原理。該原理可以敘述為：當(dāng)一定體積的濕空氣在恒定的總壓力下被均勻降溫，直到空氣中的水汽達(dá)到飽和狀態(tài)，該狀態(tài)叫做露點(diǎn)；在冷卻的過程中，氣體和水汽兩者的分壓力保持不變。如果空氣的溫度是Ta，露生成的溫度為Td，則濕空氣的相對濕度可以通過下式算出，U=[（在露點(diǎn)溫度Td時的飽和水氣壓）/（在原來溫度Ta時的飽和水氣壓）]*式中飽和水汽壓的數(shù)值可以通過查表得到。在0℃以下，水汽達(dá)到飽和時，水在鏡面上結(jié)冰，此時的溫度又叫做霜點(diǎn)。

　　目前市面上的露點(diǎn)儀大致可以分為以下幾類：

　　1 鏡面式露點(diǎn)儀

　　不同水份含量的氣體在不同溫度下的鏡面上會結(jié)露。采用光電檢測技術(shù)，檢測出露層并測量結(jié)露時的溫度。

　　2 冷鏡式露點(diǎn)儀

　　直接顯示露點(diǎn)。鏡面制冷的方法有：半導(dǎo)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(zhǔn)確、鏡面制冷率和精密測量結(jié)露溫度前提下，該種露點(diǎn)儀可作為標(biāo)準(zhǔn)露點(diǎn)儀使用。目前上zui高精度達(dá)到±0.1℃（露點(diǎn)溫度），一般精度可達(dá)到±0.5℃以內(nèi)。

　　3 電傳感器式露點(diǎn)儀

　　采用親水性材料或憎水性材料作為介質(zhì)，構(gòu)成電容或電阻，在含水份的氣體流經(jīng)后，介電常數(shù)或電導(dǎo)率發(fā)生相應(yīng)變化，測出當(dāng)時的電容值或電阻值，就能知道當(dāng)時的氣體水份含量。建立在露點(diǎn)單位制上設(shè)計(jì)的該類傳感器，構(gòu)成了電傳感器式露點(diǎn)分析儀。目前上zui高精度達(dá)到±1.0℃（露點(diǎn)溫度），一般精度可達(dá)到±3℃以內(nèi)。

　　4 電解法露點(diǎn)儀

　　利用五氧化二磷等材料吸濕后分解成極性分子，從而在電極上積累電荷的特性，設(shè)計(jì)出建立在含濕量單位制上的電解法微水份儀。目前上zui高精度達(dá)到±1.0℃（露點(diǎn)溫度），一般精度可達(dá)到±3℃以內(nèi)。

　　5 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(shè)計(jì)晶體振蕩式露點(diǎn)儀。這是一項(xiàng)較新的技術(shù)，目前尚處于不十分成熟的階段。國外有相關(guān)產(chǎn)品，但精度較差且成本很高。

　　6 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(shè)計(jì)紅外式露點(diǎn)儀。目前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(dá)到微量水吸收的量級，還有氣體中其他成份含量對紅外光譜吸收的干擾。但這是一項(xiàng)很新的技術(shù)，對于環(huán)境氣體水份含量的非接觸式在線監(jiān)測具有重要的意義。

　　7 半導(dǎo)體傳感器露點(diǎn)儀

　　每個水分子都具有其自然振動頻率，當(dāng)它進(jìn)入半導(dǎo)體晶格的空隙時，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(shù)成正比。水分子的共振能使半導(dǎo)體結(jié)放出自由電子，從而使晶格的導(dǎo)電率增大，阻抗減小。利用這一特性設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體露點(diǎn)儀可測到-100℃露點(diǎn)的微量水份。

　　7.1 講露點(diǎn)儀的選型

　　露點(diǎn)儀（濕度儀器）測量的方法可謂五花八門，其性能與價格也相差懸殊，這就要求我們選用儀器時要謹(jǐn)慎小心，不但要考慮到性能和價格，還應(yīng)該考慮到儀器使用的場合和所測氣體的種類及腐蝕性等。總體原則如下：

　　1）*濕度基準(zhǔn)：考慮到要求測量準(zhǔn)確度高，樣氣理想，一般應(yīng)選用冷鏡式露點(diǎn)儀。

　　2）企業(yè)基準(zhǔn)或?qū)嶒?yàn)室分析：如果測量準(zhǔn)確度要求較高，可選用冷鏡法儀器；如果量程要求較低（露點(diǎn)-80℃以下）且氣體較清潔，可選用電解法儀器。

　　3）現(xiàn)場檢測：如果測量準(zhǔn)確度要求較高，可選用冷鏡法儀器（同上）；如果要求測量速度快或氣體污染較重，選用阻容法儀器。

　　4）連續(xù)在線監(jiān)測：如果精度要求不太高，可選用阻容法儀器。

　　7.2 露點(diǎn)儀測量中應(yīng)注意的問題

　　鏡面污染對露點(diǎn)測量的影響：在露點(diǎn)測量中，鏡面污染是一個突出的問題，其影響主要表現(xiàn)在兩個方面；一是拉烏爾效應(yīng)，二是改變鏡面本底放射水平。拉烏爾效應(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)（一般是可溶性鹽類）則鏡面提前結(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)（例如有機(jī)物）的蒸氣，不言而喻將對露點(diǎn)的測量產(chǎn)生干擾。因此，無論任何一種類型的露點(diǎn)儀都應(yīng)防止污染鏡面。一般說來，工業(yè)流程氣體分析污染的影響是比較嚴(yán)重的。但即使是在純氣的測量中鏡面的污染亦會隨時間增加而積累。

　　7.3 露點(diǎn)儀測量條件的選擇

　　在露點(diǎn)儀的設(shè)計(jì)中要著重考慮直接影響結(jié)露過程熱質(zhì)交換的各種因素，這個原則同樣適用于自動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題。

　　1）被測氣體的溫度通常都是室溫。因此當(dāng)氣流通過露點(diǎn)室時必然要影響體系的傳熱和傳質(zhì)過程。當(dāng)其它條件固定時，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，流速應(yīng)適當(dāng)提高，以加快露層形成速度，但是流速不能太大，否則會造成過熱問題。這對制冷功率比較小的熱電制冷露點(diǎn)儀尤為明顯。流速太大還會導(dǎo)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(dāng)?shù)牧魉偈潜匾模魉俚倪x擇應(yīng)視制冷方法和露點(diǎn)室的結(jié)構(gòu)而定。一般的流速范圍在0.4～0.7　L.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(yù)冷處理。

2）在露點(diǎn)測量中鏡面降溫速度的控制是一個重要問題，對于自動光電露點(diǎn)儀是由設(shè)計(jì)決定的，而對于手控制冷量的露點(diǎn)儀則是操作中的問題。因?yàn)槔湓吹睦鋮s點(diǎn)、測溫點(diǎn)和鏡面間的熱傳導(dǎo)有一個過程并存在一定的溫度梯度。所以熱慣性將影響結(jié)露（霜）的過程和速度，給測量結(jié)果帶來誤差。

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陳秋明