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，目前最常用的則是熱電致冷或熱電與機械致冷相結(jié)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(dǎo)體致冷，帕爾貼致冷（來自其英文名稱 Peltier ）。其原理是當(dāng)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(dāng)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級疊加的辦法。由相關(guān)公司給出的資料顯示，一般說來，假如室溫為 25 ℃ 時，一級致冷時，冷熱端溫差可達 55 ℃ ，二級致冷時冷熱端溫差可達 75 ℃ ，四級致冷時冷熱端溫差可達 105 ℃ ，五級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(fēng)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 ℃ 。由于氫氣及氦氣的熱導(dǎo)率較高，因此其測量范圍會縮小幾度。當(dāng)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。

1.2.3 測溫裝置

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

1.2.4 檢測系統(tǒng)

目前除芬蘭 Vaisala 公司最近研制生產(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(shù)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。

1.3 使用注意事項

1.3.1 過冷水與霜

在 0~-20 ℃ 這一范圍內(nèi)，鏡面上極易形成過冷水，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(yīng)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(nèi)窺鏡，可通過內(nèi)窺鏡進行觀察區(qū)分。目前大部分儀器都有 test 的功能，即測試其最低致冷能力，此時可先使用 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。 
1.3.2 開爾文效應(yīng)

曲面上的飽和水汽壓與平面上的情況是不同的。當(dāng)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(yīng)。由于開爾文效應(yīng)使得到的露點溫度低于真正的被測氣體的露點溫度。 

1.3.2 拉烏爾效應(yīng)

是指鏡面上存在水溶性物質(zhì)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(zhì)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(yīng)與拉烏爾效應(yīng)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(yīng)的影響較開爾文效應(yīng)更為顯著，因為水溶性物質(zhì)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(zhì)有時還可能與鏡面上的不溶于水的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或光化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為可溶性物質(zhì)。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(dāng)?shù)倪^濾裝置除去氣體中的固體微粒，并且通過反復(fù)進行結(jié)露和消露的操作，進一步清除鏡面上殘留的可溶性物質(zhì)，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(jié)露時并不是均勻的，露層總是首先在鏡面某個區(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(zhì)不易清除，另一方面缺陷的棱角起 “ 露核 ” 的作用，加速結(jié)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。

1.3.3 鏡面污染

一是拉烏爾效應(yīng)，二是改變鏡面本底散射水平。拉烏爾效應(yīng)主要是由水溶性物質(zhì)造成的。如果被測氣體中這種物質(zhì)（一般是可溶性鹽類），則鏡面提前結(jié)露，使測量結(jié)果產(chǎn)生正偏差。若污染物是不溶于水的微粒，如灰塵等，則會增加本底的散射水平，從而使光電露點儀發(fā)生零點漂移。

1.3.4 取樣管路

由于大氣中的水含量都很高，并且水分子為極性分子，極易吸咐在管路內(nèi)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(yīng)再次檢查管路的密封。

如果被測氣體直接排放入大氣，應(yīng)考慮大氣中的水分向測量系統(tǒng)內(nèi)部擴散的問題。最常用的辦法是在排氣口接上一段適當(dāng)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(nèi)壁力求干凈，光潔度要好，選用憎水性強的材料。圖 2-2 是各種材料在飽和吸附狀態(tài)下通以干氣時的解吸－時間曲線。從實驗結(jié)果我們可以得到如下選材順序：不銹鋼、 PTFE 、銅、聚乙烯，最差的是尼龍和橡膠管，在低霜點測量中不應(yīng)使用。另外在低霜點測量時，盡管使用內(nèi)拋光的不銹鋼管，管子外徑一般為 6mm 或 1/4 英寸。

在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，流量范圍一般為 0.25L/min~1L/min 。在這一范圍內(nèi)，流速的改變不會影響測量結(jié)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。分別見圖 2-3 及圖 2-4 。另一種是在常壓下測量，即用泵抽取樣品。在這種情況下，經(jīng)常會由于取樣方式的不同，而帶來人為的正壓和負壓，若按圖 2-5 所示的方式取樣，露點儀是在帶壓的情況下測量，會給測量結(jié)果帶來正誤差，若將泵與流量計調(diào)換位置，露點儀則是在負壓的狀態(tài)下，此時會給測量帶來負誤差。