CN100554941C - 基于饱和蒸汽压的水蒸气校准吸收池 - Google Patents

基于饱和蒸汽压的水蒸气校准吸收池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于饱和蒸汽压的水蒸气校准吸收池，其特征在于包括有恒温水浴池，恒温水浴池中放置有温度计、U形等位计、圆形瓶，所述的圆形瓶、U形等位计的一端与不锈钢筒联通，不锈钢圆筒上有导管经过二通活塞和真空泵连接，U形等位计的另一端连接有导管，导管前段外壁环绕有冷凝管，导管后段分成二路，其中一路与与压力计连接，另一路经过三通活塞与抽气泵连接；不锈钢筒的两端有对称的透明视窗，透明视窗的外侧分别安装有氮气管的出口。测量范围在-101.30kPa-101.30kPa之间，控温精度为±0.05℃，是一种简单方便便宜的实验室用仪器。

Description

基于饱和蒸汽压的水蒸气校准吸收池
技术领域
本发明属于一种气体的校准仪器，具体是一种基于饱和蒸汽压的可加热的水蒸气校准吸收池。
背景技术
作为碳氢化合物燃烧的主要产物之一，H2O的排放量是燃烧效率的重要指示，对燃烧过程排放H2O浓度进行连续在线监测，是实现对燃烧过程有效控制、及时调整燃料输入，从而提高燃烧效率、节约能源的有效手段。同时为了实现对燃烧过程的有效控制，许多相关的工业生产中都需要对燃烧过程中H2O、CO2的排放进行实时测量，这就限制了基于采样的传统气体检测方法如气相色谱法、湿化学方法等的应用，因为抽取测量及预处理过程需要一定的时间延迟，一般在几十秒到几分钟的量级，这样就不能进行实时的分析和连续监测，而且由于燃烧过程产生的H2O、CO2温度很高，进行取样十分困难；抽取系统的另一个主要缺点是设备的维护，这种设备的连接处容易引起堵塞、泄露、取样管也容易老化，整个系统的维护费用大。相比较而言，在燃烧环境下对H2O、CO2进行基于吸收光谱技术的传感测量十分有利，因为这种传感方法不需要对气体进行取样，从而避免了对气流或燃烧环境的干扰，更重要的是，光谱传感测量的速度可以达到KHz或更高，适用于对快速变化的环境进行实时监测，因此，基于吸收光谱技术的光学传感器是在燃烧环境下对气体进行非侵入式实时测量的理想工具，有着重要的应用前景。
基于可调谐半导体激光器吸收光谱技术包括直接吸收光谱技术、波长调制光谱技术以及频率调制光谱技术。直接吸收光谱技术是一种不需要定标的气体测量方法，但容易受到背景噪声的影响，检测灵敏度很低，为了提高检测的灵敏度一般采用波长调制的方法，这种方法必须在已知温度下对已知浓度的气体进行标定，然而现实中得到已知浓度和温度的水蒸气是很困难的，所以采用基于饱和蒸汽压的方法对H2O进行定标是一种可行有效的方法。
发明内容
本发明提出了一种用在可调谐半导体激光吸收光谱技术上的对难以获得标准气体的水蒸气进行定标基于饱和蒸汽压的水蒸气校准吸收池。
本发明的技术方案如下：
基于饱和蒸汽压的水蒸气校准吸收池，其特征在于包括有恒温水浴池，恒温水浴池中放置有温度计、U形等位计、圆形瓶，所述的圆形瓶、U形等位计的一端与不锈钢筒联通，不锈钢筒上有导管经过二通活塞和真空泵连接，U形等位计的另一端连接有导管，导管前段外壁环绕有冷凝管，导管后段分成二路，其中一路与与压力计连接，另一路经过三通活塞与抽气泵连接；不锈钢筒的两端有对称的透明视窗，透明视窗的外侧分别安装有氮气管的出口。
所述的透明视窗由5度夹角的楔形窗口与固定在窗口上的透明镜片组成。
本发明采用3度到5度的楔形窗口，可有效的减小光传输时的标准具效应。窗口外持续排放的干燥氮气可以避免由于受环境水蒸气凝结在窗口对光路造成的影响。同时它还可以作为实验仪器对不同温度下水蒸气的线强等重要参数的测量提供条件。校准吸收池的测量范围在-101.30kPa-101.30kPa之间，控温精度为±0.05℃，是一种简单方便便宜的实验室用仪器。
本发明利用基于饱和蒸汽压的方法实现了实验室内对水蒸气的定标。这种方法简单可行而且成本很低，完全满足利用可调谐二极管激光吸收光谱技术对大气中以及燃烧和高温环境下水蒸气测量的定标要求，也可以对不通温度及浓度的水蒸气的线强、线宽等重要参数测量提供条件。
图1是本发明结构示意图。
具体实施方式
图1中标号含义如下：1、抽气泵，2、真空泵，3、三通活塞，4、二通活塞，5、冲洗管，6、恒温水浴，7、玻璃窗片，8、蝶形阀1，9、玻璃管道，10、蝶形阀2，11、蝶形阀3，12、冷凝管，13、精密数字压力计，14、不锈钢筒，15、高精度温度计，16、U形等位计，17、圆形瓶18、磁性搅拌器
可加热校准吸收池利用饱和蒸汽压原理：在一定温度下，纯液体与其蒸汽达到平衡，这时的蒸汽压力称为该温度下的饱和蒸汽压，此温度就是该压力下的沸点。对一种液体而言一个沸点对应唯一的一个饱和蒸汽压，也就是一个温度对应唯一的一个饱和蒸汽压。测量不通温度下的纯净水蒸气的饱和蒸汽压，再通过查表或计算公式计算就得到了该温度下对应的纯净水蒸气的密度。
本发明具体操作使用过程如下：关闭三通活塞3，使其与抽气泵、大气皆不通，打开两通活塞4，开动真空泵2，抽空导管及不锈钢筒内的气体，关闭真空泵2及两通活塞4，迅速打开蝶形阀10灌入圆形瓶17中纯净液体水大约2/3体积，关闭两通活塞4，在U形等位计16内灌入约1/2体积的纯净水如图所示。旋转三通活塞3使气体管道与抽气泵1接通，抽气后关闭三通活塞3，使气体管道与抽气泵1、大气皆不通，保持两分钟观察精密数字压力计15的度数是否变化，如果数字精密压力计15度数保持不变，则表示系统不漏气。可以进行下一步的工作。将包括智能控温、不锈钢加热器、搅拌器18的恒温水浴6的温度调制到t℃，再次开动抽气泵1，接通冷凝水，抽气减压至液体水沸腾，使圆形瓶17和U形等位计16之间的蒸汽不断经U形管内的液体水排出，如此沸腾3分钟以上(时间由不锈钢筒14的体积决定，如果不锈钢筒14直径8cm、长30cm则需3分钟)，排出空气。当空气被排出干净后，注意此时的恒温水浴6温度一定要保持恒温。旋转三通活塞3与大气相连，缓缓放入空气，直至U形等位计两侧液面平齐，关闭三通活塞3，通过精密数字压力计15记录压力并记录温度t。饱和蒸汽压与它的沸点温度有一一对应关系，所以已知了温度t和该温度的饱和蒸汽压就可以通过查表法或公式计算的方法得到此状态下水蒸气的密度。为了使楔形窗口不受环境空气中水蒸气冷凝的影响，在加热的过程中使干燥氮气不断经过冲洗管冲洗窗口，保证光路不受干扰。此校准吸收池的测量范围在-101.30kPa-101.30kPa之间，控温精度为±0.05℃，可以作为燃烧或高温下水蒸气测量的校准池。

Claims (2)

1、基于饱和蒸汽压的水蒸气校准吸收池，其特征在于包括有恒温水浴池，恒温水浴池中放置有温度计、U形等位计、圆形瓶，所述的圆形瓶、U形等位计的一端与不锈钢筒联通，不锈钢筒上有导管经过二通活塞和真空泵连接，U形等位计的另一端连接有导管，导管前段外壁环绕有冷凝管，导管后段分成二路，其中一路与与压力计连接，另一路经过三通活塞与抽气泵连接；不锈钢筒的两端有对称的透明视窗，透明视窗的外侧分别安装有氮气管的出口。
2、根据权利要求1所述的校准吸收池，其特征在于所述的透明视窗由5度夹角的楔形窗口与固定在窗口上的透明镜片组成。
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