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冷镜式露点仪基本原理和露点测量中应该注意的若干问题

文字:[大][中][小] 发布时间:2014-6-15  浏览次数:740
  1.冷镜式露点仪基本原理
  当一定体积的气体在恒定的压力下均匀降温时,气体和气体中水分的分压保持不变,直至气体中的水分达到饱和状态,该状态下的温度就是气体的露点。通常是在气体流经的测定室中安装镜面及其附件,通过测定在单位时间内离开和返回镜面的水分子数达到动态平衡时的镜面温度来确定气体的露点。一定的气体湿度对应一个露点温度;一个露点温度对应一定的气体湿度。因此测定气体的露点温度就可以测定气体的湿度。由露点可以得到绝对湿度,由露点和所测气体的温度可以得到气体的相对湿度。露点仪直接给出的量值是露点温度,确切地说应为“热力学露点温度”。世界气象组织采用的定义是“压力为P,混合比为r 的湿空气的热力学露点温度Td,是指在给定的压力下,湿空气被水饱和时的温度。在这个温度下,湿空气的饱和混合比rw 等于给定的混合比r”。光电露点仪的工作原理可以简单地叙述为:被测气体在恒定的压力下,以一定的流速掠过光洁的用冷氮气致冷的金属镜面,随着温度逐渐降低,镜面达到某一个温度时开始结露(或霜),此时的镜面温度就是露点温度。仪器通过光学系统,测温电路,逻辑控制电路、数字显示电路等,测量露点温度Td,并显示出来。
  2.露点测量中应该注意的若干问题
  2.1 镜面污染对露点测量的影响
  在露点测量中,镜面污染是一个突出的问题,其影响主要表现在两个方面:一是拉乌尔效应,二是改变镜面本底散射水平。拉乌尔效应是由水溶性物质造成的。如果被测气体中携带这种物质(一般是可溶性盐类)则镜面提前结露,使测量结果产生正偏差。若污染物是不溶于水的微粒,如灰尘等,则会增加本底的散射水平,从而使光电露点仪发生零点漂移。此外,一些沸点比水低的容易冷凝的物质(例如有机物)的蒸气,不言而喻将对露点的测量产生干扰。因此,无论任何一种类型的露点仪都应防止污染镜面。一般说来,工业流程气体分析污染的影响是比较严重的。但即使是在纯气的测量中镜面的污染亦会随时间增加而积累。
  为了消除污染的影响,人们摸索出各种各样的方法。最直观的方法是对被测气体进行过滤。同时根据具体情况定期或随时清洗镜面。此外,通常采用的办法是在每次测量前对镜面进行加热,并通气吹除污染物。在污染比较明显的情况下也可以通过多次重复进行结露和消露过程来实现。为了消除易冷凝碳氢化合物的干扰,有人采用双镜面技术,在露点室中增设一个与露镜相连接的“干”镜面,其温度稍高于露镜,当气进入露点室时,“干”镜受到和露镜一样的污染,但却不会结露,从而提供补偿。
  2.2 露点仪测量条件的选择
  在露点仪的设计中要着重考虑直接影响结露过程热质交换的几种因素,这个原则同样适用于自动化程度不太高的露点仪器操作条件的选择。这里主要讨论镜面降温速度和样气流速问题。
  被测气体的温度通常都是室温。因此当气流通过露点室时必然要影响体系的传热和传质过程。当其他条件固定时,加大流速的质量密度将有利于气流和镜面之间的传质。特别是在进行露点测量时,流速应适当提高,以加快露层形成速度;但是流速不能太大,否则会造成过热问题。这对制冷功率比较小的热电制冷露点仪尤为明显。流速太大还会导致露点室压力降低而流速的改变又将影响体系的热平衡。所以在露点测量中选择适当的流速是必要的,流速的选择应视制冷方法和露点室的结构而定。一般的流速范围在0.4L/min~0.7L/min 之间。
  为了减小传热的影响,可考虑在被测气体进入露点室之前进行预冷处理。在露点测量中镜面降温速度的控制是一个重要问题,对于自动光电露点仪是由设计决定的,而对于手控制冷量的露点仪则是操作中的问题。因为冷源的冷却点、测温点和镜面间的
  热传导有一个过程和速度,给测量结果带来误差。这种情况又随使用的测温点与镜面之间的温度梯度比较大,热传导速度也比较慢,从而使测温和结露不能同步进行。而且导致露层的厚度无法控制。这对目视检露来说将产生负误差。
  另一个问题是降温速度太快可能造成“过冷”。我们知道,在一定条件下,水汽达到饱和状态时,液相仍然不出现,或者水在零度以下时仍不结冰,这种现象称为过饱和或“过冷”。
  对于结露(或霜)过程来说,这种现象往往是由于被测气体和镜面非常干净,乃至缺少足够数量的凝结核心而引起的。
  过冷现象是短暂的,其时间长短和露点或霜点温度有关。这种现象可以通过显微镜观察出来;解决的办法之一是重复加热和冷却镜面的操作,直到这种现象消除为止。另一个解决办法是直接利用过冷水的水汽压数据。并且这样做恰恰与气象系统低于零度时的相对湿度定义相吻合。
  由上可见,无论是从热惯性或过冷现象来考虑,降温速度都不宜太快,如果超过合理范围,则降温速度愈快,热惯性也愈大,露点测量的误差就愈大,也越容易出现过冷。最佳降温速度一般通过实验来确定。
  2.3 低霜点测量中的问题
  霜点计或称低霜点湿度计是微量水测定中为数不多的最有效的手段之一。但是在测量中有些问题必须给予充分的注意。首先是影响检测的霜层厚度问题。在低含水量的情况下,霜层很薄,变化也慢,增加了检霜的困难,如霜点低于-65℃时,镜面上水分子移动性减小,结晶速度相应下降,从霜层的出现到相对稳定需要一定时间。霜点温度越低,困难也越大,测量误差也迅速增加。研究表明。当霜点接近-85℃时镜面上形成蓝色丝状结晶的薄霜,在这个温度附近霜层质量密度大约是10-8gm-2,相当于一个分子层的厚度,由此可见,在更低的霜点温度下测量是难以进行的。
  另一个是过冷问题。这种现象容易在高空探测中发生。在低湿下,由于冰的结晶过程比较缓慢,往往在达到霜点温度时霜层还未出现。当温度继续降低,水开始结冰,在过饱和状态下霜层迅速形成。但此时的饱和水汽压不是冰而应该是过冷水的饱和水汽压,如上所述:由于过冷现象,霜点测量误差有时高达几度。因此低霜点测量中要特别小心,保持足够长的平衡时间。
  这里顺便谈一下低霜点测量中需要注意的其他问题,由于露点仪的工作环境,即大气中的水分含量都在数万×10-6(体积分数),从而给操作造成很大的困难。测量结果往往发散性比较大,其原因是复杂的。要使测量数据准确可靠,除了保证仪器具有良好的性能和质量外,还必须注意下面几个问题。
  (1)气路系统一定要密封性好,以防止外界环境水分往里渗漏。
  (2)如果被测气体直接排放入大气,应考虑大气中的水分向测量系统内部扩散的问题。最常用的办法是在排气口接上一段适当长度的管子,其长度和管径以不影响测量腔的压力为原则。
  (3)取样管道要尽量短,尽量减少接头的数量和避免“死空间”,以减少本底水分的干扰。
  (4)取样管道和测量腔内壁力求干净,光洁度要好,选用憎水性强的材料,从实验结果我们可得到如下选材顺序:不锈钢最好,其次是聚四氟乙烯,铜和聚乙烯居第三位,最差的是尼龙和橡胶管,在低霜点测量中不应使用。
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