影响湿空气的露点温度测量的吸收线1392.53 nm的水蒸气

文摘

HITRAN数据库(高分辨率透射分子吸收数据库)是一个非常有用的参考选择行分子物种。在水蒸气的情况下,一个特定的强吸收线λ≈1392.5 nm适用于分子的检测,不仅因为它的高强度,还因为它是分开周边的转换,从而避免任何重叠。首先,我们现在使用的光学系统分布反馈(DFB)激光器二极管,发光λ与权力≈≈1392.5 nm 3 mW和线宽≤10 MHz。计量的需要,我们正在寻找一种手段控制环境空气中的水蒸气浓度近乎实时的,尤其是当一个光学冷镜使用湿度计。后者仪器广泛应用由于其性能对测量的精度和可重复性。这里,使用分子吸收设备的使用这种仪器检查从的角度对测量相对湿度的影响。本文报告测量频率观测线的位置λ= 1392.5337 nm为不同的空气压力和比较HITRAN数据库中给定的值。此外,我们将讨论利用水蒸气的可能性的检测光谱观察形状和位置的变化产生的吸收线在露点温度测量的光学冷镜湿度计。

1。介绍

在空气中水蒸气浓度,通常表示为相对湿度,在许多领域中扮演着重要角色包括质量计量。在这最后的科学领域,其价值必须确定和控制精度,在测量中引用一个未知的质量与标准相比国际单位制(SI) (1,2]。

冷镜光学湿度计广泛用于计量和校准实验室和工业应用要求精度高、相对湿度测量的可重复性好3,4]。的确,获得这种类型的仪器测量的准确性一般比同其他设备根据不同的测量原理(例如,干湿球湿度计,电容和电阻湿度计)。在这项工作中,我们考虑一个水汽探测装置的基础上,吸收光谱技术(5,6),强调并讨论凝结湿度计的侵袭性的程度。

吸收测量的敏感性根本上是吸收的强度限制过渡审问也由光学交互路径长度。的水蒸气,相对强烈的孤立的吸收线,围绕1392.53 nm的波长,与邻近的转换选择避免重叠。

注意,一个相关的问题,探讨了考虑了j . Weremczuk和艾尔。7)使用另一种方法计算分子的数目的冷凝表面的探测器。

2。理论背景和吸收信号

水分子有一个非常大的数量的吸收线与近红外强度相对较高,尤其是在乐队在1378海里(7255厘米⁻¹),如图1。这些线的光谱宽度从几兆赫到几兆赫,根据压力和温度条件下的空气中水蒸气和也的其他物种混合。

在一般情况下,发射波长可调谐单模分布反馈激光器二极管的变异的操作温度或权力的电流,在单模操作几兆赫。因此,测量波长的中心观察到,我们选择工作在低空气压力,为了充分吸收扫描整个配置文件。

在我们的实验中,可用激光二极管允许mode-hope-free波长可调谐性,超过5 GHz,通过电流的变化。

所有的结果,本文报道了吸收线为1392.53海里。直接吸收光谱是基于比尔-朗伯定律。具体来说,强度( )单色辐射的频率穿越气体细胞包含一个吸收的物种,在频率= ,经历了一个变化由以下关系。 ( )辐射的强度是通过细胞;S (T)和g ( - - - - - - 分别是,强度和吸收线的形状;和是压力和吸收介质的摩尔分数。的长度是包含吸收物种的细胞。因此,吸收线是通过调整激光波长,涵盖整个宽度的线。这个测量过程的细节将在部分3。

图2显示了信号同步记录获得的电压( )和( )为1392.53海里。

( )对应的强度与激光功率在入口处的外壳( )后,观察到的顺序外壳= 0.53米,7 hPa的湿空气压力。

请注意,( )代表产生的激光功率变化扫描的激光二极管的电流电压斜坡,必要的改变,没有跳模式下,激光二极管的波长。随后,我们将这些录音的结果相对应的吸收线的比例 ,使没有背景的吸收线激光功率。在此表示,图3使水蒸气吸收线的记录观察到两个潮湿的空气压力。

吸收线测量使用的中心波长计(伯利、模型20 dl)主真空下操作,之前校准实验室参考氦氖激光633海里。波长测量的分辨率,固定操作电流和温度激光二极管,是10的秩序⁻⁴nm。

在表1,计算结果8),以及更新后的值在HITRAN [9),报告的水蒸气从工作位置托斯(10]。表示对应的值在真空波长,= 1 /σ,在那里是波数厘米吗⁻¹。

当测量的不确定性与吸收线的中心波长为1392.53 nm包括在内,新测量是在非常好的协议提供的价值HITRAN数据库。同时,可能会有潮湿的空气压力的影响,我们认为线中心的位置。

3所示。经验和测量过程

光谱学的单模分布反馈激光器二极管(SPECDILAS d从激光组件)排放约1392.5 nm(功率3兆瓦,线宽< 10 MHz)作为光源探测水汽在空气中在一个密封的外壳,由吸收光谱技术。外壳配备温度传感器(100欧姆的铂电阻温度计或pt - 100),一个压力表(Thermovac TM230),谐振传感器晴雨表(德鲁克、模型141 DPI),两个吸湿的电容探针(Vaisala、模型高熔点234),和冰冷的镜子湿度计(一般的东部,1500)。每一个传感器直接放置在密封的外壳。温度探测器可以测量空气的温度的不确定性的顺序10⁻²K。

图4(一)显示装置和图的示意图表示4 (b)部分的照片。压力传感器(德鲁克模型)允许一个测量大气压力的不确定性5 Pa的顺序。这些传感器都是以前从引用在实验室校准。至于露点湿度计,只是这里使用观察影响造成的水汽吸收lineshape测量方法是基于。内的激光注入通过光纤测量室。它经历了两个平面镜子之间往返,适当的涂料= 1392海里。总路径长激光束可以调整0.53米至1.40米之间。

激光束的强度(λ)是测量输入的外壳(PD1光电二极管)和(λ后)通路长度内外壳(PD2光电二极管)。图2我显示了强度,₀(λ),(λ),观察激光的波长扫描之间和通过调节电流通过激光二极管使用电压斜坡。激光二极管的温度设置和维护持续超过0.02 K的proportional-integral-derivative (PID)类型的反馈控制回路。

4所示。经验和结果

4.1。露点温度的测量

正如我们已经指出的,一旦连接到一个参考,光学湿度计可以获得水分测量,是完全令人满意。然而,来证明这一事实需要控制湿度的变化,无论何时,我们评估了数量级的扰动造成的空气湿度水蒸气凝结在镜子上的仪器,在露点温度的测量。湿度计的湿度传感器安装在非磁性不锈钢外壳体积17 dm³。它由一个5毫米直径镜、光学质量高、露点测量的温度控制。

我们演示了凝结的影响湿度计在吸收线的形状,当它打开时也停止了。

图5(一个)显示的效果开始1392.53 nm的湿度计吸收线的形状在空气中水汽在大气压力。两条曲线之间的区域对应的水分子被冷凝的湿度计的镜子上的露珠。来解释这一结果,使用半经验的方法,我们评价一个数量级的水蒸气凝结在镜子上的圈地的湿度计在设置在操作。

这种变化也决定从测量相对湿度测量使用电容式湿度计和温度传感器。

在潮湿的空气压力的情况下订的100 Pa,如图5 (b)湿度计的影响,吸收线的形状是显然不太明显,因为小数量的水蒸气在测试室。

4.2。露层稳定湿度计的镜子上

水分子的数量的变化在圈地,冷凝后的一部分,他们在镜子上的工具,评估的基础上有些近似。(我)露层的厚度估计的分辨率正常眼 ,这是10⁻⁴和4×10⁻⁴rad [11]。(2)因此,稳定存款表面的露水湿度计镜子,观察到一个距离25厘米的顺序,将由以下给出的平均厚度。 (3)水分子,我们考虑接受配置哦键长和角度如图6。

建立一个水分子的大部分在给定的结构,我们把它近似球体的直径等于最大的原子间的距离,也就是说,罪= 2 0.958×52.25°= 1.51,这使得它的体积≈1.80×10⁻³⁰米³。

的体积露层覆盖的镜子的表面Φ= 5毫米直径估计由以下关系。 在液体状态下,分子的谎言接近彼此因为氢键的形成和破坏给无序,但非常紧凑排列的分子。

如果这个分子排列也见于露层的情况下,分子的数目被困由以下给出。 因子对应的平均填充分数1/5安排水分子的体积,露层形式湿度计的镜子上。这比从一个简单的计算推导出考虑露层密度接近1克/厘米³和18.015 g的摩尔质量。翻译的质量,这个数字的水蒸气分子对应于一个露层由以下质量。 和分别是水蒸气的摩尔质量和阿伏伽德罗常数。

4.3。在潮湿的空气相对湿度和水分子的数量

水蒸气的分压在压力容器内的湿空气由以下给出。 ,是潮湿的空气中水蒸气的摩尔分数: 。

在哪里 饱和蒸汽压,由(12]: 在这里 在哪里在摄氏度。

为= 22.7°C, ,的因素 ,与空气中的水汽在这空气温度和压力健康保护局= 1011.27,= 。

因此 ; 。

水蒸气的密度计算的关系: 。

然后, 。

因此,潮湿的空气中水蒸气的质量,占领整个商会(17 dm的体积³),开启湿度计之前。 时的温度湿度计镜子达到露点的温度时,停止露层的变化,其温度然后servo-locked温度露点。附件内的水蒸气在空气质量就会减少 。

因此,通过使用关系(5)和(8),水蒸气的数量减少的变化 。

这意味着实验的条件下,使用冷凝湿度计来测量露点的温度降低约2%的相对湿度。由于经常寻求测量精度水平,特别是在质量计量,这种扰动的含水率是不容忽视的。

如图7对吸收线为1392.53纳米,这影响是很明显的和可测量的相对价值的集成信号在整个范围的吸收线。相对湿度和 ,了电容式湿度和温度传感器,分别是49.1%和46.7%。因此,实验不同,订单的2.4%,非常类似与计算的结果。这表明,我们的方法用来评估期间空气的水分含量的微扰凝结湿度计的操作是非常现实的。

5。讨论

为了礼物,用另一种方式,测量露点温度的影响吸收线,我们观察到的变化随着时间的吸收信号相关的总宽度线为不同条件下的湿度和气压。图的曲线7显示了两个阶段的吸收,在同等条件下的图的记录5。提出了以这种方式,效果开始吸收水蒸气的冷凝湿度计信号更加明显。

以同样的方式,类似于图的条件下获得的结果5 (b),显示吸收信号的发展随着时间的推移,显示在图中8。在这个实验中,电容的迹象记录温度和湿度传感器,用图表示8通过和 ,是不可靠的。唯一测量湿空气的温度,在这两种情况下都几乎恒定的光学湿度计和湿空气的总压强。

6。结论

光学检测技术,基于选择性吸收的原子和分子,仍在各领域的应用。的确,开发新的波长可调发射的激光源范围可以立即利用该技术检测微量的污染物在极端条件下(高温、高压、辐射区域,等等)。在这项工作中,我们使用一个低功率单模分布反馈激光器二极管探测水汽在空气中包含在一个封闭的房间,可以把空气压力下从1大气(≈10⁵Pa)下降到10 Pa。考试的吸收线为1392.53 nm,水蒸气在空气中,允许一个新的测量中央波长比10⁻³nm。这个值是在良好的协议与报道HITRAN数据库。这个结果也让我们观察和评估的水蒸气量的变化在潮湿的空气中,冷凝过程引起的光学镜的露水湿度计在一个封闭的外壳和低卷。所开发的计算给出了一个数量级相当类似,在潮湿的空气在大气压力的情况下。最后,这个结果表明,有必要建立适当的程序,根据实验条件与外壳的体积和它的状态外,当使用露点湿度计来获得一个可靠的测量相对湿度的空气样本。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由联合实验室计量(LCM) Laboratoire国家德Metrologie et d 'Essais(而言)和法国的国立des艺术技术学院(Cnam)会。作者希望感谢所有同事的团队质量和相关的数量和更特别d·马克鼓起他的批判性和建设性的阅读手稿。

引用

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