一種新型的冷鏡式精密露點(diǎn)儀

一種新型的冷鏡式精密露點(diǎn)儀

一、濕度測量的應(yīng)用濕度是氣體中水的含量，是一個重要的環(huán)境參數(shù)。大氣中的水蒸氣影響著自然界的物理、化學(xué)和生物過程。濕度影響氣體的熱、電、光和傳遞方面的特性。環(huán)境濕度還影響固體和液體材料中的水分含量,引起材料的尺寸變化,金屬材料的腐蝕,甚至決定生物體的存亡。濕度的測量范圍可以跨越109的數(shù)量級,從極高純氣體僅含幾個ppb的水蒸氣濃度,到大氣壓下的純飽和水蒸氣。濕度測量和控制廣泛應(yīng)用于航空航天、微電子、原子能、石油化工、電力、氣象、倉儲等領(lǐng)域。鑒于濕度測量的重要性,各國都在不斷更新改造其濕度標(biāo)準(zhǔn)。濕度測量已成為國際標(biāo)準(zhǔn)化組織和國際有關(guān)技術(shù)委員會關(guān)注的焦點(diǎn)。在ISO9000質(zhì)量體系認(rèn)證、ISO17025實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可中有濕度測量方面的要求,一個良好、確定的環(huán)境質(zhì)量可減少由此引發(fā)的技術(shù)爭端,保證產(chǎn)品質(zhì)量,也促進(jìn)了濕度傳感器技術(shù)市場和校準(zhǔn)檢測實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展。二、濕度、干氣比和熱力學(xué)溫標(biāo)、溫度測量氣體濕度的基本量是混合比,即水蒸氣質(zhì)量和干氣質(zhì)量之比,用重量法濕度計(jì)得以實(shí)現(xiàn)。在重量法濕度計(jì)中,氣流中的水蒸氣和載氣被分離,并且被分別收集和稱量(或間接測量干氣的體積和密度)。英國NPL的重量法濕度計(jì)可同時測量水蒸氣質(zhì)量和干氣質(zhì)量,它是目前測量范圍最大,測量不確定度最小的重量法濕度計(jì)。混合比對于濕度是最直接、最基本的量,但用重量法測量混合比技術(shù)難度大、操作繁瑣。實(shí)際測量濕度量值大多數(shù)采用露點(diǎn),盡管露點(diǎn)不是最基本的濕度單位量。如果把混合比與濕度的關(guān)系比喻為熱力學(xué)溫標(biāo)與溫度的關(guān)系,則露點(diǎn)與濕度的關(guān)系類似于實(shí)用溫標(biāo)(ITS-90)與溫度的關(guān)系。在此,筆者介紹幾種典型的濕度計(jì)的研究進(jìn)展情況。1.濕度傳遞應(yīng)用冷鏡式精密露點(diǎn)儀是指熱電冷卻鏡面,自動檢測露層的平衡式精密露點(diǎn)儀。這種露點(diǎn)儀是根據(jù)露點(diǎn)溫度的定義設(shè)計(jì)制成的。由于制作原理可靠,技術(shù)成熟,該儀器被作為濕度傳遞標(biāo)準(zhǔn),廣泛應(yīng)用于國家濕度標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室。目前,瑞士MBW生產(chǎn)的一種冷鏡式精密露點(diǎn)儀的測量范圍可達(dá)-95℃~+95℃,最大允許誤差±0.1℃;在被測氣體管路吹掃好的情況下,使用ORIS功能測量露點(diǎn)-75℃只需要20分鐘。這種新型冷鏡式精密露點(diǎn)儀還有清除鏡面過冷水的功能,也可以用配備的內(nèi)窺鏡觀察鏡面結(jié)露、結(jié)霜情況。此外,它所配備的加熱進(jìn)氣管路附件,可用于露點(diǎn)高于室溫時的露點(diǎn)測量。2.蒸發(fā)水溶液的測量大氣壓離子質(zhì)譜儀APIMS是通過測量分子離子的質(zhì)荷比豐度來檢測水蒸氣濃度的。大氣壓離子質(zhì)譜法靈敏度高,對于ppb量級的濕度測量,該方法可能是最好的分析方法,既可以測量水蒸氣也能夠測量其他組分。其缺點(diǎn)是成本高,操作復(fù)雜。3.衰蕩時間及光腔衰蕩光譜在光腔衰蕩光譜CRDS中,光強(qiáng)在空腔內(nèi)的指數(shù)衰減和物種吸收的衰蕩時間有關(guān),而衰蕩時間與物種吸收截面、分子密度(濃度)、空腔尺寸、吸收波長,以及鏡面反射性有關(guān)。因此,通過測量衰蕩時間即可測量分子密度。光腔衰蕩光譜CRDS測量ppb量級的水蒸氣濃度是一個新方法,據(jù)美國TigerOptics公司報(bào)道,從700ppb切換到0或從0切換到700ppb,儀器響應(yīng)時間只需幾分鐘,并可檢測多個組分濃度。美國NIST希望將這種方法發(fā)展成檢測極低含量水蒸氣濃度的標(biāo)準(zhǔn)方法。應(yīng)該注意,光腔衰蕩光譜CRDS和可調(diào)諧激光二極管吸收光譜TDLAS的測量原理是不同的。4.對露點(diǎn)誤差的測量高分子濕度電容最早用于相對濕度的測量,它的示值誤差一般是2%RH~3%RH。把它用于露點(diǎn)測量不是不可以,只是按以上相對濕度測量準(zhǔn)確度計(jì)算,若要測量3%RH以下的相對濕度,露點(diǎn)誤差就會很大。Vaisala公司巧妙地應(yīng)用了加熱回歸技術(shù),將高分子濕敏電容用于露點(diǎn)測量,其中露點(diǎn)的測量下限達(dá)到-60℃~-80℃,露點(diǎn)測量的示值誤差達(dá)到±2℃。一般來說,該儀器測量露點(diǎn)為-40℃以下且誤差較大,因此需要經(jīng)常自校,但幸好其自校軟件都集成在儀器中。三、標(biāo)準(zhǔn)濕度發(fā)生器:si單位,si單位標(biāo)準(zhǔn)濕度發(fā)生器的工作原理應(yīng)建立在堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)上,并反映新的技術(shù)進(jìn)展,標(biāo)準(zhǔn)濕度發(fā)生器的量值可溯源到SI單位。濕度發(fā)生器是在一定的溫度、壓力下產(chǎn)生恒定濕氣的,它也被用于校準(zhǔn)濕度計(jì)。1.擴(kuò)散滲透法的工作原理為了滿足溯源性校準(zhǔn)的需要,很多國家的濕度實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)建立或正在建立低霜點(diǎn)濕度發(fā)生器,其水蒸氣濃度低于1ppm。低霜點(diǎn)濕度發(fā)生器的工作原理有:單壓法、雙壓法、分流法、擴(kuò)散滲透法等。單壓法低霜點(diǎn)濕度發(fā)生器可直接實(shí)現(xiàn)霜點(diǎn),它幾乎不依賴于已有的水蒸氣壓數(shù)據(jù)和氣體的非理想性。重要的是,該方法不取決于氣源的干燥程度,而這一點(diǎn)可能是其他類型濕度發(fā)生器的主要誤差來源。美國的單壓法低霜點(diǎn)濕度發(fā)生器LFPG飽和器和控溫裝置都有新設(shè)計(jì),從-20℃~-80℃霜點(diǎn)范圍,LFPG和雙壓法濕度發(fā)生器比對時,只有很小的系統(tǒng)誤差。2.濕度發(fā)生器的原理德國PTB建立了一套新的庫侖法濕度發(fā)生器。在該發(fā)生器中,由電解水產(chǎn)生的氫和氧在催化劑的作用下重新還原成水。電解電流和載氣流速決定庫侖法濕度發(fā)生器的最終濕度。該發(fā)生器有一個優(yōu)點(diǎn),即產(chǎn)生的水蒸氣壓不限于水面或冰面,而是由電解法產(chǎn)生的,因此可直接溯源到物質(zhì)的量這個基本單位。因此,該方法對于低霜點(diǎn)是非常有價(jià)值的,它不僅避免了霜點(diǎn)和摩爾分?jǐn)?shù)之間的轉(zhuǎn)換,還避免了冰的不同形態(tài)所可能帶來的霜點(diǎn)誤差。3.濕度波動異常的產(chǎn)生過程可由在線測量滲透管路水的一種滲透法濕度發(fā)生器是一種主要的濕度發(fā)生器,它通過水在滲透管中滲透后,載帶水蒸氣進(jìn)入氣流中而產(chǎn)生一定的濕度。目前,滲透法濕度發(fā)生器可用磁力天平在線測量滲透管內(nèi)水的質(zhì)量變化,克服了離線測量過程中滲透管內(nèi)水的質(zhì)量變化帶來的系統(tǒng)誤差,從而得到準(zhǔn)確的濕度量值。該方法要求載帶氣源干燥,流量控制穩(wěn)定。滲透法濕度發(fā)生器適合產(chǎn)生ppm到ppb量級的水蒸氣濃度。4.飽和鹽溶液的溯源用飽和鹽溶液和非飽和鹽溶液都能產(chǎn)生濕度,用飽和鹽溶液產(chǎn)生一定濕度我們比較熟悉,國際法制計(jì)量組織R121國際建議包括有關(guān)飽和鹽溶液濕度固定點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)值數(shù)據(jù)。非飽和鹽溶液作為可溯源的濕度發(fā)生器則是近些年的事情,瑞士Rotronic公司選取了一系列非飽和鹽溶液,經(jīng)溯源性和穩(wěn)定性考核,獲得了一系列非飽和鹽溶液的濕度標(biāo)準(zhǔn)值。在使用非飽和鹽濕度發(fā)生器時應(yīng)注意:測試腔體要干燥,須將非飽和鹽溶液全部轉(zhuǎn)移到吸收纖維上,吸收纖維要潔凈且最好用鑷子夾吸收纖維。世界上對濕度測量和校準(zhǔn)的需求日益增加,這是追求越來越好的產(chǎn)品質(zhì)量的結(jié)果和遵守ISO9000質(zhì)量體系的要求。此外,對檢測實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可的質(zhì)量要求,也促進(jìn)了新濕度標(biāo)準(zhǔn)的建立和發(fā)展。四、濕度專家小組濕度領(lǐng)域的國際合作和比對日益頻繁。1994年,CCT/BIPM組成了濕度專家工作組,其目的是促進(jìn)濕度標(biāo)準(zhǔn)的國際比對,討論修改濕度測量的名詞術(shù)語和定義,研究低水蒸氣濃度濕度測量標(biāo)準(zhǔn),以及高溫高濕測量標(biāo)準(zhǔn)等問題。1.濕度標(biāo)準(zhǔn)比對1997年,歐洲國家完成了露點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)比對,參加國有芬蘭、法國、德國、意大利、荷蘭、西班牙和英國。在-50℃~0℃的露點(diǎn)范圍,有些國家的測量結(jié)果超差。2000年,APMP完成了區(qū)域濕度標(biāo)準(zhǔn)比對,中國參加了這次濕度標(biāo)準(zhǔn)比對,并取得了很好的成績。目前,國際間正在組織進(jìn)行濕度量值的關(guān)鍵比對CCT-K6。2.濕度與水分方面的受1998年,在英國倫敦召開了“第三屆國際濕度與水分學(xué)術(shù)研討會”。在此次會議上確定以后每4年舉辦一次有關(guān)濕度與水分方面的國際會議。2002年,“第四屆國際濕度與水分學(xué)術(shù)研討會”在我國臺灣舉行;2006年5月,“第五屆國際濕度與水分學(xué)術(shù)研討會”在巴西里約熱內(nèi)盧舉行。中國計(jì)量科學(xué)研究院易洪當(dāng)選為本次大會技術(shù)指導(dǎo)委員會委員。3.濕度的定義及測量(1)濕度測量不確定度評定文件起草近年來,國際濕度專家工作組開始起草有關(guān)濕度測量不確定度評定文件。文件針對多種不同的發(fā)生器和露點(diǎn)儀等檢測條件,進(jìn)行了測量不確定度分析評定。濕度測量量值的質(zhì)量提高不僅源于技術(shù)和實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn),還源于更嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)測量不確定度分析和實(shí)驗(yàn)過程評估。(2)濕度名詞術(shù)語和定義修改國際濕度專家工作組正在對濕度名詞術(shù)語和定義進(jìn)行修改。需要指出的是,相對濕度的定義在100℃以上、一個大氣壓下是不適用的,因?yàn)樵谝粋€大氣壓下溫度高于100℃,水不可能達(dá)到飽和。因此,Lovell-Smith等人嘗試對相對濕度進(jìn)行重新定義。絕對濕度的術(shù)語也傾向于改為水蒸氣體積濃度,以避免將一些表示絕對濕度的量與絕對濕度概念本身相混淆。高純氣體中的水蒸氣含量習(xí)慣上被稱為微量水,根據(jù)濕度和水分的定義,這里的微量水并不是指水分含量,而是一個濕度的概念,應(yīng)對此加以注意。在近些年的論文中,也有將其稱為微量濕度的。濕度至少有十幾種不同的定義和測量量,目前,ISO還沒有濕度術(shù)語和定義的標(biāo)準(zhǔn)化文件,在國家層面上,已有幾個國家起草了權(quán)威的濕度術(shù)語和定義,其中包括美國的ASHRAE手冊和英國的BS1339標(biāo)準(zhǔn)等,它們已被廣泛采用。國際濕度專家工作組計(jì)劃以這些國家的濕度術(shù)語和定義為藍(lán)本并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修改。我國也正在進(jìn)行濕度計(jì)量常用名詞術(shù)語和定義的修改。(3)飽和水蒸氣壓數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)飽和水蒸氣壓是濕度測量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),它的協(xié)調(diào)一致也是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。對飽和水蒸氣壓數(shù)據(jù)的確認(rèn)必然加強(qiáng)濕度標(biāo)準(zhǔn)和濕度測量工作,濕度單位的轉(zhuǎn)換,飽和水蒸氣壓計(jì)算公式及氣體的非理想性修正,都必須加以協(xié)調(diào)和確認(rèn)。Sontag和Huang兩位專家分別給出了飽和水蒸氣壓和增強(qiáng)因子的計(jì)算公式。有關(guān)極低水蒸氣壓的測量方法也值得關(guān)注。(4)濕度計(jì)算軟件的協(xié)調(diào)很多濕度儀器公司提供有關(guān)濕度計(jì)算和轉(zhuǎn)換的軟件,這大大方便了人們的使用。但是使用的人對這些軟件在計(jì)算中作了哪些假設(shè),計(jì)算結(jié)果在什么情況下是有效的并不清楚。要解決這些問題,軟件編寫者首先要使程序編寫盡可能透明,要說明公式的來源以及測量結(jié)果的不確定度。更好的解決方法是所有編程者使用同樣的數(shù)據(jù)庫,英國、美國已有標(biāo)準(zhǔn)化的濕度計(jì)算軟件。國際濕度專家工作組已用Excel軟件