露點(diǎn)的定義及測(cè)量方法
露點(diǎn)法是一種古老的濕度測(cè)量方法，從經(jīng)典的Regnault露點(diǎn)儀算起，它也有一百多年的歷史了。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，露點(diǎn)技術(shù)臻于完善?，F(xiàn)代的光電露點(diǎn)儀采用熱電制冷，并且可以自動(dòng)補(bǔ)償零點(diǎn)和連續(xù)跟蹤測(cè)量露點(diǎn)。帶有微處理器的露點(diǎn)儀還可以把露點(diǎn)溫度同時(shí)轉(zhuǎn)換為相對(duì)濕度等測(cè)量單位。高精度露點(diǎn)儀在一般濕度范圍的測(cè)量準(zhǔn)確度可達(dá)±1℃露點(diǎn)溫度。
露點(diǎn)儀建立在可靠的理論基礎(chǔ)之上，具有準(zhǔn)確度高，測(cè)量范圍寬的特點(diǎn)，其準(zhǔn)確度僅次于重量法濕度計(jì)，因此，它不僅是一種工作儀器，而且也是長(zhǎng)期以來(lái)普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)儀器。露點(diǎn)儀廣泛用于工業(yè)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)室的濕度測(cè)量與控制，以及氣象學(xué)中的探空測(cè)量等，在現(xiàn)代濕度測(cè)量技術(shù)中占有相當(dāng)重要的位置。
一、露點(diǎn)濕度計(jì)的原理
露點(diǎn)濕度計(jì)的原理可以通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)明。若將一個(gè)光潔的金屬表面放到相對(duì)濕度低于100％的空氣中并使之冷卻，當(dāng)溫度降到某一數(shù)值時(shí)，靠近該表面的相對(duì)濕度達(dá)到100％，這時(shí)將有露在表面上形成。因?yàn)樵谶@個(gè)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(dòng)態(tài)平衡，也就是說(shuō)，在單位時(shí)間內(nèi)離開(kāi)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(guò)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(duì)濕度可以通過(guò)下式算出，
U=[(在露點(diǎn)溫度Td時(shí)的飽和水氣壓) /(在原來(lái)溫度Ta時(shí)的飽和水氣壓)] *100％式中飽和水汽壓的數(shù)值可以通過(guò)查表得到。在0℃以下，水汽達(dá)到飽和時(shí)，水在鏡面上結(jié)冰，此時(shí)的溫度又叫做霜點(diǎn)。
露點(diǎn)儀建立在可靠的理論基礎(chǔ)之上，具有準(zhǔn)確度高，測(cè)量范圍寬的特點(diǎn)，其準(zhǔn)確度僅次于重量法濕度計(jì)，因此，它不僅是一種工作儀器，而且也是長(zhǎng)期以來(lái)普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)儀器。露點(diǎn)儀廣泛用于工業(yè)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)室的濕度測(cè)量與控制，以及氣象學(xué)中的探空測(cè)量等，在現(xiàn)代濕度測(cè)量技術(shù)中占有相當(dāng)重要的位置。
一、露點(diǎn)濕度計(jì)的原理
露點(diǎn)濕度計(jì)的原理可以通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)明。若將一個(gè)光潔的金屬表面放到相對(duì)濕度低于100％的空氣中并使之冷卻，當(dāng)溫度降到某一數(shù)值時(shí)，靠近該表面的相對(duì)濕度達(dá)到100％，這時(shí)將有露在表面上形成。因?yàn)樵谶@個(gè)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(dòng)態(tài)平衡，也就是說(shuō)，在單位時(shí)間內(nèi)離開(kāi)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(guò)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(duì)濕度可以通過(guò)下式算出，
U=[(在露點(diǎn)溫度Td時(shí)的飽和水氣壓) /(在原來(lái)溫度Ta時(shí)的飽和水氣壓)] *100％式中飽和水汽壓的數(shù)值可以通過(guò)查表得到。在0℃以下，水汽達(dá)到飽和時(shí)，水在鏡面上結(jié)冰，此時(shí)的溫度又叫做霜點(diǎn)。
二、露點(diǎn)測(cè)量中應(yīng)該注意的若干問(wèn)題
1、鏡面污染對(duì)露點(diǎn)測(cè)量的影響
在露點(diǎn)測(cè)量中，鏡面污染是一個(gè)突出的問(wèn)題，其影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)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(cè)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(cè)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(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(jī)物)的蒸氣，不言而喻將對(duì)露點(diǎn)的測(cè)量產(chǎn)生干擾。因此，無(wú)論任何一種類型的露點(diǎn)儀都應(yīng)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(yán)重的。但即使是在純氣的測(cè)量中鏡面的污染亦會(huì)隨時(shí)間增加而積累。
在露點(diǎn)測(cè)量中，鏡面污染是一個(gè)突出的問(wèn)題，其影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)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(cè)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(cè)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(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(jī)物)的蒸氣，不言而喻將對(duì)露點(diǎn)的測(cè)量產(chǎn)生干擾。因此，無(wú)論任何一種類型的露點(diǎn)儀都應(yīng)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(yán)重的。但即使是在純氣的測(cè)量中鏡面的污染亦會(huì)隨時(shí)間增加而積累。
2、露點(diǎn)儀測(cè)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(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。
被測(cè)氣體的溫度通常都是室溫。因此當(dāng)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(dāng)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(cè)量時(shí)，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(huì)造成過(guò)熱問(wèn)題。這對(duì)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(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(cè)量中選擇適當(dāng)?shù)牧魉偈潜匾?，流速的選擇應(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0.4~0.7L﹒min-1之間。為了減小傳熱的影響，可考慮在被測(cè)氣體進(jìn)入露點(diǎn)室之前進(jìn)行預(yù)冷處理。
在露點(diǎn)測(cè)量中鏡面降溫速度的控制是一個(gè)重要問(wèn)題，對(duì)于自動(dòng)光電露點(diǎn)儀是由設(shè)計(jì)決定的，而對(duì)于手控制冷量的露點(diǎn)儀則是操作中的問(wèn)題。因?yàn)槔湓吹睦鋮s點(diǎn)、測(cè)溫點(diǎn)和鏡面間的熱傳導(dǎo)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(jié)露(霜)的過(guò)程和速度，給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)誤差。這種情況又隨使用的測(cè)溫元件不同而異，例如由于結(jié)構(gòu)關(guān)系，鉑電阻感溫元件的測(cè)量點(diǎn)與鏡面之間的溫度梯度比較大，熱傳導(dǎo)速度也比較慢，從而使測(cè)溫和結(jié)露不能同步進(jìn)行。而且導(dǎo)致露層的厚度無(wú)法控制。這對(duì)目視檢露來(lái)說(shuō)將產(chǎn)生負(fù)誤差。
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(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，液相仍然不出現(xiàn)，或者水在零度以下時(shí)仍不結(jié)冰，這種現(xiàn)象稱為過(guò)飽和或“過(guò)冷”。對(duì)于結(jié)露(或霜)過(guò)程來(lái)說(shuō)，這種現(xiàn)象往往是由于被測(cè)氣體和鏡面非常干凈，乃至缺少足夠數(shù)量的凝結(jié)核心而引起的。Suomi在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)象是短暫的，共時(shí)間長(zhǎng)短和露點(diǎn)或霜點(diǎn)溫度有關(guān)。這種現(xiàn)象可以通過(guò)顯微鏡觀察出來(lái)。解決的辦法之一是重復(fù)加熱和冷卻鏡面的操作，直到這種現(xiàn)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(shù)據(jù)。并且這樣作恰恰與氣象系統(tǒng)低于零度時(shí)的相對(duì)濕度定義相吻合。
由上可見(jiàn)，無(wú)論是從熱慣性或過(guò)冷現(xiàn)象來(lái)考慮，降溫速度都不宜太快，如果超過(guò)合理范圍，則降溫速度愈快，熱慣性也愈大，露點(diǎn)測(cè)量的誤差就愈大，也越容易出現(xiàn)過(guò)冷。最佳降溫速度一般通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。
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在露點(diǎn)儀的設(shè)計(jì)中要著重考慮直接影響結(jié)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。
被測(cè)氣體的溫度通常都是室溫。因此當(dāng)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(dāng)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(cè)量時(shí)，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(huì)造成過(guò)熱問(wèn)題。這對(duì)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(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(cè)量中選擇適當(dāng)?shù)牧魉偈潜匾?，流速的選擇應(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0.4~0.7L﹒min-1之間。為了減小傳熱的影響，可考慮在被測(cè)氣體進(jìn)入露點(diǎn)室之前進(jìn)行預(yù)冷處理。
在露點(diǎn)測(cè)量中鏡面降溫速度的控制是一個(gè)重要問(wèn)題，對(duì)于自動(dòng)光電露點(diǎn)儀是由設(shè)計(jì)決定的，而對(duì)于手控制冷量的露點(diǎn)儀則是操作中的問(wèn)題。因?yàn)槔湓吹睦鋮s點(diǎn)、測(cè)溫點(diǎn)和鏡面間的熱傳導(dǎo)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(jié)露(霜)的過(guò)程和速度，給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)誤差。這種情況又隨使用的測(cè)溫元件不同而異，例如由于結(jié)構(gòu)關(guān)系，鉑電阻感溫元件的測(cè)量點(diǎn)與鏡面之間的溫度梯度比較大，熱傳導(dǎo)速度也比較慢，從而使測(cè)溫和結(jié)露不能同步進(jìn)行。而且導(dǎo)致露層的厚度無(wú)法控制。這對(duì)目視檢露來(lái)說(shuō)將產(chǎn)生負(fù)誤差。
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(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，液相仍然不出現(xiàn)，或者水在零度以下時(shí)仍不結(jié)冰，這種現(xiàn)象稱為過(guò)飽和或“過(guò)冷”。對(duì)于結(jié)露(或霜)過(guò)程來(lái)說(shuō)，這種現(xiàn)象往往是由于被測(cè)氣體和鏡面非常干凈，乃至缺少足夠數(shù)量的凝結(jié)核心而引起的。Suomi在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)象是短暫的，共時(shí)間長(zhǎng)短和露點(diǎn)或霜點(diǎn)溫度有關(guān)。這種現(xiàn)象可以通過(guò)顯微鏡觀察出來(lái)。解決的辦法之一是重復(fù)加熱和冷卻鏡面的操作，直到這種現(xiàn)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(shù)據(jù)。并且這樣作恰恰與氣象系統(tǒng)低于零度時(shí)的相對(duì)濕度定義相吻合。
由上可見(jiàn)，無(wú)論是從熱慣性或過(guò)冷現(xiàn)象來(lái)考慮，降溫速度都不宜太快，如果超過(guò)合理范圍，則降溫速度愈快，熱慣性也愈大，露點(diǎn)測(cè)量的誤差就愈大，也越容易出現(xiàn)過(guò)冷。最佳降溫速度一般通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。
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