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露点湿度计

露点湿度计是通过测量露点温度而测定空气湿度的仪器。普通露点湿度计一般是由光学镜面、放大器和电源等组成。当空气连续通过光学镜面时,用人工制冷方法使镜面温度降低,于是空气中的水气在镜面上凝结。刚发生凝结时,由镜面反射的光强急剧减弱,测量此瞬间凝结面的温度(即露点)便可推算出相应的湿度。此种形式的露点湿度计常在0℃以上时使用。近些年出现的氯化锂露点湿度计的使用温度已扩展到一45℃。

露点湿度计是通过测量露点温度而测定空气湿度的仪器。普通露点湿度计一般是由光学镜面、放大器和电源等组成。当空气连续通过光学镜面时,用人工制冷方法使镜面温度降低,于是空气中的水气在镜面上凝结。刚发生凝结时,由镜面反射的光强急剧减弱,测量此瞬间凝结面的温度(即露点)便可推算出相应的湿度。此种形式的露点湿度计常在0℃以上时使用。

20世纪科学技术的发展为全面革新露点技术奠定了基础。在Regnault露点仪的基础上,人们对制冷方法、镜面温度的测量、露的检测技术和冷镜材料等进行了不断的改进,并对露层的结构、机理及光电性质进行了初步探讨,把露点湿度计的性能和测量准确度提高到一个新的水平。到20世纪50年代末期,采用热电制冷、自动跟踪和测量露点的全自动光电露点仪开始发展起来,其后又出现了检测露层的其他手段,80年代声表面波(SAW)露点仪问世。露点仪的发展过程主要集中在下面四个问题上。

①制冷方法,即结露表面(镜面)的降温方法。

②露点的测量方法。

③露的检测方法和镜面温度的控制技术。

④镜面材料的选择。

露点湿度计的原理可以通过一个简单的实验来说明。若将一个光洁的金属表面放到相对湿度低于100-的空气中并使之冷却,当温度降到某一数值时,靠近该表面的相对湿度达到100-,这时将有露在表面上形成。因为在这个温度下空气中的水汽达到了饱和,冷金属表面附着的水膜和空气中的水汽处于动态平衡,也就是说,在单位时间内离开和返回到表面上的水分子数相同,这就是Regnault原理。该原理可以叙述为:当一定体积的湿空气在恒定的总压力下被均匀降温时,在冷却过程中,气体和水汽两者的分压力保持不变,直到空气中的水汽达到饱和状态,该状态的温度叫作露点。如果空气的温度是Ta,露生成的温度为Td,则湿空气的相对湿度U)可以通过下式算出:

U=(在露点Td时的饱和水汽分压)/(在原来温度Ta的饱和水汽分压)×100-

在式中,饱和水汽压的数值可以通过查表得到。在0℃以下,水汽达到饱和时,水在镜面上结冰,此时的温度又叫作霜点。过去,人们习惯上不予区别,通称为露点。如果用目视观察露和霜的形成,可以看到,它们都是在镜面某一个固定的地方首先出现,然后很快地扩展到整个镜面。因此,对露(霜)点作出正确判断是露点仪中的难点之一。

①光电冷凝式露点计

被测湿空气进入露点测量室时掠过冷镜面,当镜面温度高于湿气的露点温度时,镜面呈干燥状态,此时光电检露装置中光源发出的光照在镜面上,几乎完全发射,由光电传感器感应到并输出光电信号,经控制回路比较、放大、驱动热电泵,对镜面制冷。当镜面温度降至湿气露点温度时,镜面上开始结露(霜),光照在镜面上出现漫反射,光电传感器感应到的反射信号随之减弱,此变化经控制回路比较、放大后调节热电泵激励,使其制冷功率适当减小,最后,镜面温度保持在样气露点温度上。镜面温度由一紧贴在冷镜面下方的铂电阻温度传感器感应,并显示在显示窗上。

光电冷凝式露点计的工作原理如右图所示,被测样气由样气进口1进入测量室,由样气出口2逸出。当气体经过镜面7时,镜面被热交换半导体制冷器8冷却至露点。镜面由光源4照明,并通过光敏桥3来检测。当露滴在镜面形成时,光反射的变化可通过直接光检测器6的降低来确定。不同露点的光散射由散射检测器5产生影响,使桥路趋于平衡,对放大器减少输入信号,并成比例地控制晶闸管整流器12供给热交换半导体制冷器的功率。脉冲电路11为控制电路。这样连续使镜面保持在恒定露点的温度。露点温度由测温元件9来测量。

在测量过程中,随着温度的降低,被测气体中的水汽接近饱和状态,由于引力作用,水分子吸附在镜面上形成一层薄薄的水膜。这是形成露的第一阶段。当镜面温度继续下降时,水膜的厚度逐渐增加,这是形成露的第二阶段。在这一阶段内,自由表面对水分子的引力与水膜的表面张力之间的力量对比开始发生变化,后者的影响逐渐起支配作用。此时冷却表面上的任何不稳定因素,例如镜面上的微小伤口等,都会使水膜缩聚成液滴。随着镜面温度的进一步下降,露滴开始出现,通过显微镜可以看到孤立生长而且分布不规则的露滴,然后露层以很快的速度在表面上扩散,此时可以认为液一气平衡开始,即达到露点。

②普通冷镜露点计

普通冷镜露点计是指采用热电制冷获得露或霜,用光电方法判断露点,并由铂电阻温度计测定露点的光电露点计。借助热电制冷在镜面上形成露或霜,这些细小水滴靠光电检测系统来确定。光电信号送往反馈系统以控制镜面的加热或冷却,使整个测量过程保持一定的露层厚度。这种类型的露点计广泛用于精密实验室测量,并作为检定的传递标准,此外它也用于许多准确度要求高的工业领域的测量。

或镀的纯铜镜镜面受热电制冷电源控制,发光二极管发出高强度的光照射镜面,镜面反射的光通过光敏晶体管光探测器来检测。一排隔开的发光二极管和光敏晶体管用于补偿光学元件中温度引起的误差。两只光敏晶体管都在一个调节平衡的桥路中,控制热电制冷电源的电流,即可控制镜面温度。

③氯化锂露点计

氯化锂露点计的工作原理是利用氯化锂饱和水溶液的饱和水汽分压随温度而变化进行工作的。通过测量氯化锂饱和溶液的饱和水汽分压与被测气体的水汽分压相等,即达到平衡时盐溶液的温度,称为平衡温度,来确定被测气体的露点。由于这种露点计结构简单、性能稳定、寿命很长,因此使用甚广。

氯化锂露点计构造如右图。当在两极之间通以交流电压时,有电流流过氯化锂溶液而产生热效应。假设起初氯化锂蒸汽分压与周围水汽分压相等,也即处于平衡状态。如果周围被测气体的湿度(或水汽分压)增加,则氯化锂溶液吸收水分而变稀,电导率变大,电流变大,温度升高,氯化锂蒸汽分压增加,直至与周围气体的水汽分压相等而达到新的平衡。以后,如果温度继续上升,则氯化锂溶液过饱和,电导率变小,仍自行恢复原平衡温度。如果周围被测气体湿度(或水汽分压)降低,则氯化锂溶液将蒸发出水分而变浓,结果电导率、电流和温度都减小,直至平衡。此时元件的平衡温度比原来降低(但仍高于环境温度)。由此可见氯化锂溶液的蒸汽分压工作于一种自动调节过程,经过几次反复,就与周围水汽分压平衡;周围水汽分压变化时,测量的平衡温度也随着变化,通过温度计即可测出平衡温度并转变为露点。测量元件有四根引线,两根为电阻温度计引线,另两根为加热电极引线,电阻温度计接至测量仪表,加热电极接至电源箱

露点和水汽分压都是表示绝对湿度的方法,它们之间有一定的对应关系(如露点0℃时,水汽分压为611.9Pa),也可以说,露点就是对应于水汽分压的饱和温度。氯化锂露点计就是采用氯化锂电导加热式测量元件来测量气体中的水汽分压的。氯化锂盐可吸收空气中的水分而潮解。在同一温度时,潮解形成的饱和溶液的蒸汽压比纯水的饱和气压要低。氯化锂饱和盐溶液的饱和气压随着温度的升高而增大。如果在某一温度下,当周围的水汽压等于氯化锂的饱和水汽压时,水汽与氯化锂溶液中水分的交换就会达到平衡(即吸收和放出的量相等)。此时如果空气中的水分增加或减少,氯化锂将会吸收或放出水分。如果空气中的水汽不变,而改变氯化锂饱和溶液的温度,同样也会发生吸收或放出水分。

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