影响冷镜式露点仪测量准确度因素分析及解决方法研究

　　0　引言

　　露点仪是用来测量气体湿度的仪器,气体湿度是指气体中水蒸汽的含量。气体露点温度是气体常用的湿度表示方法之一。其定义为,用等压冷却的方法使气体中的水蒸汽冷却至凝聚相出现,或通过控制冷镜面的温度,使气体中的水蒸汽与(凝聚相)镜面露层的平展表面呈热力学平衡状态,准确的测出此时的温度即为该气体的露点温度。露点法是一种绝对的测量方法,露点仪是测量气体露点温度的仪器。由于冷却方式、露点检测方法各不相同,露点仪的种类繁多,目前国际上的精密露点仪主要采用光电检测且热电制冷的镜面冷凝式露点仪。影响冷镜式露点仪测量准确度的主要因素有:过冷水的产生;相界面的开尔文效应;镜面上有杂质。

　　1　过冷水产生的影响及解决方法

　　当温度高于0℃时,水只能以一种稳定的热力学状态存在,它可以是气体,即水蒸气;同时水蒸气也可冷凝成水,即结露。当温度不超过0℃时,水除了可以呈气态和固态外,还存在第三种热力学状态—过冷水。而在0~-40℃范围内,过冷水现象普遍存在。镜面状态、露层性质及结构对提高测量准确度十分重要。露滴形成的基本条件是有一个憎水的抛光表面和一定数量的露核(表面上的微小固体粒子)及表面上的微小裂痕等。当气体中水蒸气接近饱和时,露滴开始形成并在表面孤立地生长;在此过程中,相邻露滴逐渐缩小距离,直至互相接触而结合。随着温度的降低,被测气体中的水蒸气接近饱和状态,水分子由于引力被吸附在镜面上,形成一层薄水膜,这是形成露的第一阶段。当温度逐渐下降时,水膜的厚度逐渐增加,这是形成露的第二阶段。此时冷却表面的任何不稳定因素都会使水膜聚成液滴(如镜面上的微小伤痕)。随着镜面温度的进一步下降,不断生长且分布不规则的露滴形成露层并很快在表面上扩散,此时液-气或固-气平衡,即达到露点。

　　一定条件下,水蒸气达到饱和时液相仍不出现,或是水在零度以下仍不结冰,这种现象称为“过饱和”或“过冷”。对于结露(或霜)过程来说,出现此现象往往是由于被测气体和镜面很干净,以致缺少足够数量的露核而引起的;另外,在低温测量时,由于冰的结晶过程比较慢,往往到达霜点温度时霜层还未出现。当温度继续降低时,水开始结露,在过冷水状态下很快形成露层,但此时的蒸汽压不是冰的饱和蒸汽压而是过冷水的饱和蒸汽压。当露点仪镜面温度低于0℃而镜面上凝结的是露而不是霜时,虽然此时实测到的是露点温度,但露点仪仍把它当作霜点温度来处理,因此这时测得的湿度值不正确。因此,可对镜面进行反复加热和冷却,当镜面逐渐升温时,水层会逐渐蒸发。同时可在传感器上加装显微镜来判断此过程,或利用过冷水的蒸汽压数据进行计算。