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露点仪(微量水分析仪)的原理及选型

发布时间:2022-11-30      点击次数:1951
     大气中的水分影响着自然界的物理、化学和生物过程,如气体的热、电、光和传递方面的特性,固体和液体材料中的水分含量,会引起材料的尺寸变化,金属材料的腐蚀。水分测量和控制广泛应用于航空航天、微电子、原子能、石油化工、电力、仓储、空分、钢铁冶炼等领域。

 

      当一定体积的湿空气在恒定的总压力下被均匀降温,直到空气中的水汽达到饱和状态,该状态下的温度就是气体的露点。

 

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      在冷却的过程中,气体和水汽两者的分压力保持不变,如果空气的温度是Ta,露点生成的温度为Td,则湿空气的相对湿度可以通过下式算出,U=[(在露点温度Td时的饱和水气压)/(在原来温度Ta时的饱和水气压)]*100%式中饱和水汽压的数值可以通过查表(露点、体积比、绝对水含量对照表)得到。在0℃以下,水汽达到饱和时,水在镜面上结冰,此时的温度又叫做霜点。
一、露点仪分类:
1.1冷镜式露点仪
     镜面式露点仪采用的是直接测量方法,样气进入测量室时掠过镜面,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,几乎全反射,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,对镜面致冷。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,此时的温度就是露点温度。

 

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     在保证检露准确、镜面制冷高效率和精密测量结露温度前提下,冷镜露点仪可作为标准露点仪使用。目前国际上zui高精度达到±0.1℃(露点温度),一般精度可达到±0.2℃左右。
优点:精度是所有露点测量原理中zui高的,测量下限一般只能到-60C°
缺点:价格贵,露点温度超过-60C°时不好检测
1.2阻容法露点仪
      阻容法露点仪一般分为氧化铝型和薄膜电容型,氧化铝型其原理是利用一个高纯铝棒,表面氧化成一层超薄的氧化铝薄膜,其外镀一层多空的网状金膜,金膜与铝棒之间形成电容,由于氧化铝薄膜的吸水特性,导致电容值随样气水分的多少而改变,测量该电容值即可得到样气的湿度。该方法的主要优点是测量量程可更低,另一突出优点是响应速度非常快,从干到湿响应一分钟可达90%,因而多用于现场和快速测量场合。

 

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     薄膜电容原理,采用亲水性材料或憎水性材料作为介质,构成电容或电阻,在含水份的气体流经后,介电常数或电导率发生相应变化,测出当时的电容值或电阻值,就能知道当时的气体水份含量,目前国际上zui高精度达到±1.0℃(露点温度),一般精度可达到±3℃以内,阻容法露点仪检测下限一般-80℃zui可达到-110℃
优点:精度尚可、响应速度非常快、价格相对便宜、检测下限低至-110℃
缺点:传感器不耐腐蚀,氯气、氨气等腐蚀性气体不能使用
1.3电解法露点仪
      利用五氧化二磷等材料吸湿后分解成极性分子,从而在电极上积累电荷的特性,设计出建立在绝对含湿量单位制上的电解法微水份仪。目前国际上zui高精度达到±1.0℃(露点温度),一般精度可达到±3℃以内。其特性是耐腐蚀可测量氯化氢、氟化氢、氯气等腐蚀性气体中的微量水分。

 

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1.4半导体激光原理露点仪
      每个水分子都具有其自然振动频率,当它进入半导体晶格的空隙时,就和受到充电激励的晶格产生共振,其共振频率与水的摩尔数成正比。水分子的共振能使半导体结放出自由电子,从而使晶格的导电率增大,阻抗减小。利用这一特性设计的半导体露点仪可测到-100℃露点的微量水份。

 

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1.5晶体振荡式露点仪
      利用晶体沾湿后振荡频率改变的特性,可以设计晶体振荡式露点仪。这是一项较新的技术,目前尚处于不十分成熟的阶段。国外有相关产品,但精度较差且成本很高。
1.6红外露点仪
     利用气体中的水份对红外光谱吸收的特性,可以设计红外式露点仪。目前该仪器很难测到低露点,主要是红外探测器的峰值探测率还不能达到微量水吸收的量级,还有气体中其他成份含量对红外光谱吸收的干扰。但这是一项很新的技术,对于环境气体水份含量的非接触式在线监测具有重要的意义。
二、露点仪的选型:
     露点仪(微量水分析仪)的测量原理众多,其性能与价格也相差悬殊,这就要求我们选用仪器时要谨慎小心,不但要考虑到性能和价格,还应该考虑到仪器使用的现场工况(行业)以及遵循相关行业的国标要求:
2.1如果测量准确度及精度要求较高,可选用冷镜式露点仪;一般适用于检测机构及科研院校等对精度要求较高或用于计量校准等场合。
2.2如果量程较宽(露点-80℃以下)且气体较清洁无腐蚀性气体对精度要求不是非常高,可选用阻容法露点仪。
2.3如果测量准确度要求不高,但对检测速度及响应速度要求较高,可选用阻容法露点仪。
2.3氯气、氯化氢、硫化氢等腐蚀性气体可选用电解法原理,五氧化二磷原理能够很好的耐腐蚀,且传感器五氧化二磷涂层可根据使用情况进行涂刷,极大延长了使用寿命。
2.4国家对被测气体露点检测原理做了具体的国标规定的按照国标选择对应原理即可,如中国药典》2020年版二部 XGB2021-061条、国标GBT 5138-2021工业用液氯,两项标准明确规定了其水分检测就只能选用电解法原理。

 

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