冷鏡式儀器的簡介

　　冷鏡式精密露點儀，利用熱電制冷器冷卻露點傳感器的鏡面或聲表面波器件，使氣體中的水蒸氣在露點傳感器的鏡面上冷凝為露或霜，光電系統(tǒng)自動控制平衡，使鏡面上的露或霜與氣體中的水蒸氣呈相平衡狀態(tài)，用鉑電阻溫度計準確測量鏡面上露層或霜層的溫度，從而獲得氣體的露點溫度。

　　被測濕氣進入露點測量室時掠過冷鏡面，當鏡面溫度高于濕氣的露點溫度時，鏡面呈干燥狀態(tài)，此時光電檢露裝置中光源發(fā)出的光照在鏡面上，幾乎完 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、驅動熱電泵，對鏡面致冷。當鏡面溫度降至濕氣露點溫度時，鏡面上開始結露（霜），光照在鏡面上出現(xiàn)漫反射，光電傳感器感應到的反射信號隨之減弱，此變化經(jīng)控制回路比較、放大后調節(jié)熱電泵激勵，使其制冷功率適當減小，后，鏡面溫度保持在露點儀樣氣露點溫度上。鏡面溫度由一緊貼在冷鏡面下方的鉑電阻溫度傳感器感應，并顯示在顯示窗上。

　　目前世界上生產(chǎn)冷鏡式露點儀的公司，例如美*的GE、Edgetech、瑞士的MBW等公司均是采用這一原理，英*的MICHELL則是采用雙光路檢測系統(tǒng)，即同時對反射光及散射光進行檢測，芬蘭Vaisala則是利用聲波作檢測系統(tǒng)。

　　在測量過程中，隨著溫度的降低，被測氣體中的水汽接近飽和狀態(tài)，由于引力作用，水分子吸附在鏡面上形成一層薄薄的水膜。這是形成露的 階段。當鏡面溫度繼續(xù)下降時，水膜的厚度逐漸增加，這是形成露的第二階段。在這一階段內，自由表面對水分子的引力與水膜的表面張力之間的力量對比開始發(fā)生變化，后者的影響逐漸起支配作用。此時冷卻表面上的任何不穩(wěn)定的因素，例如鏡面上的微小傷痕等，都會使水膜縮聚成液滴。隨著鏡面溫度的進一步下降，露滴開始出現(xiàn)，通過顯微鏡可以看到孤立生長而且分布不規(guī)則的露滴，然后露層以很快的速度在表面上擴散，此時可以認為液露點儀-汽平衡開始，即達到露點。

　　1、鏡面

　　鏡面應憎水，具有良好的導熱性，還要耐磨、耐腐蝕，光學性能好。在過去曾使用金做鏡面，目前則主要使用銠做鏡面。

　　2、鏡面致冷

　　在過去曾使用過乙醚蒸發(fā)、機械致冷、液化氣體或干冰致冷、壓縮空氣致冷，目前常用的則是熱電致冷或熱電與機械致冷相結合（露點低于-60℃）。在本文中著重介紹熱電致冷。

　　熱電致冷又稱半導體致冷，帕爾貼致冷（來自其英文名稱PelTIer）。其原理是當有一股直流電通過由兩種不同的金屬組成的NP元件時，熱量會從一種金屬傳遞到另一種金屬，正好與熱電偶測溫相反。因此當將帕爾帖的冷端與鏡面相連，其另一端作為散熱端時，便可將鏡面致冷。

　　為了獲得不同程度的低溫可采用多*疊加的辦法。由美*GE公司給出的資料顯示，一般說來，假如室溫為25℃時，一*致冷時，冷熱端溫差可達55℃，二*致冷時冷熱端溫差可達75℃，四*致冷時冷熱端溫差可達105℃，五*致冷時冷熱端溫差可達120℃。不同公司的產(chǎn)品其致冷量也會有稍許的不同。熱端溫度越高，致冷效率越高，冷熱端溫差越大。

　　為了降低冷端的溫度，通常會采用風冷、水冷及機械致冷來降低熱端的溫度。但也不是可以無限制地降低。需要注意的是其致冷能力并不能代表露點儀的測量范圍。露點儀的測量范圍的定義是鏡面上可以獲得穩(wěn)定的，具有一定厚度的露或霜層時鏡面的溫度，因此在一般的露/霜點下，其測量范圍一般比其致冷能力高5℃，在低霜點的情況下，一般高10℃~12℃。例如瑞士MBW公司生產(chǎn)的DP19露點儀，當室溫為10℃時，其低測量范圍為-60℃，當室溫為20℃時，其低測量范圍為-55℃，當室溫為35℃時，其低測量范圍為-45℃。由于氫氣及氦氣的熱導率較高，因此其測量范圍會縮小幾度。當被測氣體的壓力增大，其測量范圍也會縮小，對于空氣和氮氣來說，在高于常壓的情況下，每增加1個大氣壓，其測量范圍降低0.67℃左右。

　　3、測溫裝置

　　目前絕大部分采用四線制鉑電露點儀阻測溫。鉑電阻感溫元件在相當寬的溫度范圍內阻值和溫度近于線性關系，精度高，穩(wěn)定性好，輸出信號較強，便于數(shù)字顯示。

　　4、檢測系統(tǒng)

　　目前除芬蘭Vaisala公司近研制生產(chǎn)的冷鏡式露點儀是采用聲波原理來測量外，其它均是采用光電檢測器來測量及控制。光電檢測技術已有幾十年的歷史，比較成熟，但其缺點是不能區(qū)分過冷水和霜。

　　1、過冷水與霜

　　在0~-20℃這一范圍內，鏡面上 易形成過冷水，由于冰面和水面上的飽和水汽壓不同，因此假如在鏡面上形成過冷水，測得的數(shù)值要低于霜點，溫度不同，差別也不同。例如霜點為-10℃時，對應的過冷水的溫度為-11.23℃。因此在這一溫度段要非常小心。若儀器配有內窺鏡，可通過內窺鏡進行觀察區(qū)分。目前大部分儀器都有test的功能，即測試其低致冷能力，此時可*使用test功能，使鏡面溫度低于-20℃，確保鏡面上形成霜，然后再進行正式測量。

　　2、開爾文效應

　　曲面上的飽和水汽壓與平面上的情況是不同的。當露在金屬表面上形成時，由于表面張力的作用，使平衡水汽壓，即彎曲水面的飽和水汽壓升高，這種影響稱為開爾文效應。由于開爾文效應使得到的露點溫度低于真正的被測氣體的露點溫度。

　　3、拉烏爾效應

　　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。這些水溶性物質可能是鏡面上固有的，或者是被測氣體中含有的。根據(jù)拉烏爾定律，溶液平衡水汽壓的降低與溶液濃度成正比，這也是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)生的原因。

　　開爾文效應與拉烏爾效應作用剛好相反，因此會抵消一些。但是在露點測量中，拉烏爾效應的影響較開爾文效應更為顯著，因為水溶性物質不可避免地或多或少存在于鏡面和被測氣體中，而且氣體中的雜質有時還可能與鏡面上的不溶于水的物質發(fā)生化學反應或光化學反應，轉化為可溶性物質。這種情況在工業(yè)流程氣體的水分測量中更為明顯。因此要采用適當?shù)倪^濾裝置除去氣體中的固體微粒，并且通過反復進行結露和消露的操作，進一步清除鏡面上殘留的可溶性物質，這種方法為人們廣泛使用。

　　在實際工作中，我們常常會發(fā)現(xiàn)，鏡面上開始結露時并不是均勻的，露層總是**在鏡面某個區(qū)域上出現(xiàn)，其原因往往是由于鏡面上的劃痕引起的，因為在這些有缺陷的地方，一方面殘留的物質不易清除，另一方面缺陷的棱角起“露核”的作用，加速結露過程。因此，在露點儀的使用中，尤其是在清潔鏡面時，一定要小心，避免使鏡面受到機械損傷。

　　4、鏡面污染

　　一是拉烏爾效應，二是改變鏡面本底散射水平。拉烏爾效應主要是由水溶性物質造成的。如果被測氣體中這種物質（一般是可溶性鹽類），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，則會增加本底的散射水平，從而使光電露點儀發(fā)生零點漂移。

　　由于大氣中的水含量都很高，并且水分子為 性分子， 易吸咐在管路內壁或透過管路。因此在測量時氣路系統(tǒng)一定要密封好，管壁厚度至少為1mm，以防止外界環(huán)境水分侵入引入滲漏。假如測量環(huán)境溫度變化較大時，應再次檢查管路的密封。

　　如果被測氣體直接排放入大氣，應考慮大氣中的水分向測量系統(tǒng)內部擴散的問題。常用的辦法是在排氣口接上一段適當長度的管子，其長度和管徑以不影響測量腔的壓力為原則。

　　取樣管路要盡量短，盡可能減少接頭的數(shù)量和避免“死空間”，以減少本底水分的干擾。

　　取樣管路和測量腔內壁力求干凈，光潔度要好，選用憎水性強的材料。

　　選材順序：不銹鋼、PTFE、銅、聚乙烯，差的是尼龍和橡膠管，在低霜點測量中不應使用。

　　另外在低霜點測量時，盡管使用內拋光的不銹鋼管，管子外徑一般為6mm或1/4英寸。

　　進行高露點的測量時，一定要注意被測露點低于周圍環(huán)境溫度3℃以下，以避免水蒸氣在管路中出現(xiàn)冷凝。

　　露點儀測量濕度時，流量范圍一般0.25L/min~1L/min。在這一范圍內，流速的改變不會影響測量結果。

　　取樣時一般可分為兩種情況，一種是帶壓取樣，此時根據(jù)取樣方式的不同，可分為帶壓測量和常壓測量。

　　露點儀的測量范圍較廣，目前英*MICHELL及瑞士MBW公司開發(fā)的一系列露點儀的測量范圍已達到-95℃~70℃，可以滿足絕大多數(shù)的測量要求。

　　優(yōu)點：屬基本測量，測量準確，并且儀器比較穩(wěn)定無漂移，目前準確度高的儀器可達±0.1℃。

　　缺點：價格較高，對操作人員的要求較高，并需進行維護。對污染物敏感。在-20℃~0℃范圍內有時會有過冷水存在，因此要特別小心區(qū)分過冷水和霜。