Phân tích ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp đo điểm sương độ ẩm khác nhau.
nguyên tắc kiểm tra
Thiết bị đo độ ẩm có thể được chia thành các loại: loại gương lạnh, loại điện phân hấp thụ toàn phần, loại điện dung Al2O3, loại điện dung màng mỏng, loại điện trở, loại bi khô ướt và loại cơ khí. Trong đó, máy đo độ ẩm vi mô điện phân hấp thụ toàn phần và máy đo điểm sương điện dung Al2O3 thường được sử dụng để đo độ ẩm thấp, trong khi máy đo độ ẩm loại điện trở, loại bi khô ướt và loại cơ khí chỉ có thể được sử dụng để đo độ ẩm tương đối. Máy đo độ ẩm loại gương lạnh, loại điện dung màng mỏng (bằng sáng chế của Vaisala) không chỉ có thể được sử dụng để đo độ ẩm thấp mà còn có thể được sử dụng để đo độ ẩm trung bình và cao, tức là độ ẩm tương đối. Các thiết bị nêu trên đều có ưu điểm và nhược điểm riêng. Trong đó, máy đo điểm sương gương lạnh là phương pháp đo chính xác nhất, đáng tin cậy nhất, cơ bản nhất, được sử dụng rộng rãi trong truyền tải tiêu chuẩn, nhưng nhược điểm là giá thành tương đối cao và cần người vận hành và bảo trì có kinh nghiệm.
1.1
máy đo điểm sương gương lạnh
1.1.1
Nguyên tắc đo lường
Khi hơi ẩm đo được đi vào buồng đo điểm sương, bề mặt gương lạnh sẽ được quét qua; khi nhiệt độ bề mặt gương cao hơn nhiệt độ điểm sương của hơi ẩm, bề mặt gương ở trạng thái khô; lúc này, ánh sáng phát ra từ nguồn sáng trong thiết bị phơi sáng quang điện hầu như được phản xạ lên bề mặt gương, cảm biến quang điện cảm nhận và xuất ra tín hiệu quang điện, mạch điều khiển so sánh, khuếch đại và điều khiển bơm nhiệt điện để làm mát bề mặt gương. Khi nhiệt độ bề mặt gương giảm xuống nhiệt độ điểm sương của hơi ẩm, bề mặt bắt đầu đóng sương (đóng băng), ánh sáng xuất hiện phản xạ khuếch tán trên bề mặt gương, tín hiệu phản xạ do cảm biến quang điện tạo ra bị suy yếu, sự thay đổi được vòng điều khiển so sánh, khuếch đại, bơm nhiệt điện được điều chỉnh để giảm công suất làm lạnh một cách thích hợp, cuối cùng, nhiệt độ bề mặt gương được giữ ở nhiệt độ điểm sương của khí mẫu. Nhiệt độ gương được cảm biến nhiệt điện trở bạch kim đặt gần phần dưới của bề mặt gương lạnh và được hiển thị trên cửa sổ hiển thị.
Hiện nay, các công ty trên thế giới sản xuất máy đo điểm sương gương lạnh, như GE, Edgetech, MBW của Thụy Sĩ, v.v., đều áp dụng nguyên lý này. MICHELL của Anh sử dụng hệ thống phát hiện đường dẫn quang kép, nghĩa là ánh sáng phản xạ và ánh sáng tán xạ được phát hiện đồng thời, Vaisala của Phần Lan sử dụng sóng âm làm hệ thống phát hiện.
Trong quá trình đo, hơi nước trong khí cần đo gần đạt trạng thái bão hòa khi nhiệt độ giảm. Do tác động của trọng lực, các phân tử nước hấp phụ lên bề mặt gương tạo thành một lớp màng nước mỏng. Đây là giai đoạn đầu tiên của quá trình hình thành sương. Khi nhiệt độ gương tiếp tục giảm, độ dày của màng nước tăng dần, đây là giai đoạn thứ hai của quá trình hình thành sương. Trong giai đoạn này, sự chênh lệch lực giữa lực hấp dẫn của các phân tử nước và sức căng bề mặt của màng nước thay đổi, và ảnh hưởng của yếu tố sau dần chiếm ưu thế. Lúc này, bất kỳ yếu tố không ổn định nào trên bề mặt làm mát, chẳng hạn như vết xước nhỏ trên bề mặt gương, sẽ khiến màng nước ngưng tụ thành các giọt. Khi nhiệt độ gương tiếp tục giảm, các giọt sương bắt đầu xuất hiện. Qua kính hiển vi, ta có thể thấy sự phát triển riêng lẻ và phân bố không đều của các giọt sương, sau đó lớp sương lan tỏa trên bề mặt với tốc độ rất nhanh. Lúc này, ta có thể cho rằng trạng thái cân bằng lỏng-hơi bắt đầu, tức là đạt đến điểm sương.
1.1.2
Kết cấu
1.1.2.1
Gương
Gương cần có khả năng chống thấm nước, dẫn nhiệt tốt, chống mài mòn, chống ăn mòn và hiệu suất quang học tốt. Trước đây, vàng được sử dụng làm gương, hiện nay rhodium được sử dụng làm gương.
1.1.2.2
Làm mát gương
Trước đây, người ta đã sử dụng phương pháp làm lạnh bằng bay hơi etylen ete, làm lạnh cơ học, làm lạnh bằng khí hóa lỏng hoặc đá khô, làm lạnh bằng khí nén. Phương pháp được sử dụng phổ biến nhất là làm lạnh nhiệt điện hoặc kết hợp nhiệt điện với làm lạnh cơ học (điểm sương dưới -60°C). Bài báo này tập trung vào phương pháp làm lạnh nhiệt điện.
Làm lạnh nhiệt điện, còn được gọi là làm lạnh bán dẫn, là phương pháp làm lạnh Peltier (từ tên tiếng Anh là Peltier). Nguyên lý hoạt động là khi dòng điện một chiều chạy qua một phần tử nano được cấu tạo từ hai kim loại khác nhau, nhiệt sẽ được truyền từ kim loại này sang kim loại khác, điều này hoàn toàn ngược lại với phép đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện. Do đó, khi đầu lạnh của Peltier được nối với gương và đầu còn lại được sử dụng làm đầu tản nhiệt, gương có thể được làm lạnh. Để đạt được các mức nhiệt độ thấp khác nhau, có thể áp dụng phương pháp chồng chất nhiều lớp. Dữ liệu do công ty GE của Hoa Kỳ cung cấp cho thấy, nhìn chung, nếu nhiệt độ phòng là 25°C, chênh lệch nhiệt độ giữa đầu lạnh và đầu lạnh có thể đạt tới 55°C, chênh lệch nhiệt độ giữa đầu lạnh và đầu lạnh có thể đạt tới 75°C, chênh lệch nhiệt độ giữa đầu lạnh và đầu lạnh có thể đạt tới 105°C, và chênh lệch nhiệt độ giữa đầu lạnh và đầu lạnh có thể đạt tới 120°C khi làm lạnh ở mức thứ năm. Khả năng làm lạnh của các công ty khác nhau sẽ có sự khác biệt nhỏ. Nhiệt độ ở đầu nóng càng cao thì hiệu suất làm mát càng cao, và chênh lệch nhiệt độ ở đầu nóng càng lớn. Để giảm nhiệt độ ở đầu lạnh, người ta thường sử dụng làm mát bằng không khí, làm mát bằng nước và làm lạnh cơ học. Tuy nhiên, việc giảm nhiệt độ không thể đạt đến mức vô hạn. Điều quan trọng cần lưu ý là khả năng làm lạnh của nó không đại diện cho phạm vi đo của ẩm kế điểm sương. Phạm vi đo của ẩm kế điểm sương được định nghĩa là nhiệt độ bề mặt gương có thể đo được khi lớp sương hoặc lớp băng có độ dày nhất định. Do đó, ở điểm sương/băng thông thường, phạm vi đo của ẩm kế điểm sương thường cao hơn khả năng làm mát của nó khoảng 5°C, và ở điểm băng thấp, phạm vi đo thường cao hơn từ 10°C đến 12°C. Ví dụ, máy đo điểm sương DP19 do công ty MBW của Thụy Sĩ sản xuất, khi nhiệt độ phòng là 10°C, phạm vi đo thấp nhất là -60°C, khi nhiệt độ phòng là 20°C, phạm vi đo thấp nhất là -55°C, khi nhiệt độ phòng là 35°C, phạm vi đo thấp nhất là -45°C. Do độ dẫn nhiệt cao của hydro và heli, phạm vi đo sẽ giảm đi vài độ. Khi áp suất của khí cần đo tăng lên, phạm vi đo cũng sẽ giảm. Đối với không khí và nitơ, trong điều kiện áp suất cao hơn bình thường, cứ mỗi áp suất khí quyển tăng thêm, phạm vi đo sẽ giảm khoảng 0,67°C.
1.1.2.3
Thiết bị đo nhiệt độ
Hiện nay, hầu hết các điện trở bạch kim bốn dây được sử dụng để đo nhiệt độ. Giá trị điện trở và nhiệt độ của phần tử cảm biến nhiệt độ điện trở bạch kim có mối quan hệ tuyến tính gần đúng trong phạm vi nhiệt độ khá rộng, độ chính xác cao, độ ổn định tốt, tín hiệu đầu ra mạnh, hiển thị kỹ thuật số tiện lợi.
1.1.2.4
Hệ thống phát hiện
Hiện nay, ngoại trừ thiết bị đo điểm sương gương lạnh được công ty Vaisala của Phần Lan phát triển gần đây, sử dụng nguyên lý sóng âm để đo, các thiết bị khác đều sử dụng đầu dò quang điện để đo và điều khiển. Công nghệ đầu dò quang điện đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ và đã hoàn thiện. Tuy nhiên, nhược điểm của nó là không thể phân biệt được nước siêu lạnh với băng giá.
1.1.3
Lưu ý khi sử dụng
1.1.3.1
Nước siêu lạnh và băng giá
Trong khoảng nhiệt độ 0-20°C, nước siêu lạnh dễ dàng hình thành trên bề mặt gương. Do áp suất hơi bão hòa trên bề mặt băng và bề mặt nước khác nhau, nếu nước siêu lạnh hình thành trên bề mặt gương, giá trị đo được sẽ thấp hơn điểm đóng băng, và nhiệt độ cũng khác nhau. Ví dụ, khi điểm đóng băng là -10°C, nhiệt độ nước siêu lạnh tương ứng là -11,23°C. Vì vậy, cần hết sức cẩn thận ở nhiệt độ này. Nếu thiết bị được trang bị kính nội soi, có thể quan sát và phân biệt bằng kính nội soi. Hiện nay, hầu hết các thiết bị đều có chức năng kiểm tra, tức là kiểm tra khả năng làm lạnh tối thiểu của chúng. Lúc này, chúng ta có thể sử dụng chức năng kiểm tra để làm cho nhiệt độ của gương thấp hơn -20°C, đảm bảo có lớp băng trên gương, và sau đó tiến hành đo chính thức.
1.1.3.2
Hiệu ứng Kelvin
Áp suất hơi nước bão hòa trên bề mặt khác với áp suất trên mặt phẳng. Khi tiếp xúc với bề mặt kim loại, áp suất hơi nước cân bằng, tức là áp suất hơi nước bão hòa tại bề mặt nước cong, tăng lên do tác động của sức căng bề mặt, được gọi là hiệu ứng Kelvin. Do hiệu ứng Kelvin, nhiệt độ điểm sương thu được thấp hơn nhiệt độ điểm sương của khí thực tế được đo.
1.1.3.2
Hiệu ứng Raoul
Điều này có nghĩa là áp suất hơi nước cân bằng của hệ thống thấp hơn áp suất hơi nước bão hòa của nước tinh khiết khi có chất tan trong nước trên bề mặt gương. Các chất tan trong nước này có thể có sẵn trong gương hoặc trong khí cần đo. Theo định luật Raoul, sự giảm áp suất hơi nước cân bằng tỷ lệ thuận với nồng độ dung dịch, đó là lý do tại sao sẽ xảy ra hiện tượng ngưng tụ sớm trước khi đạt đến nhiệt độ điểm sương của khí cần đo.
Hiệu ứng Kelvin hoàn toàn ngược lại với hiệu ứng Raoul, vì vậy nó sẽ bù trừ cho nhau một phần. Tuy nhiên, trong phép đo điểm sương, hiệu ứng Raoul lại có ảnh hưởng đáng kể hơn hiệu ứng Kelvin, bởi vì các chất hòa tan trong nước chắc chắn sẽ có mặt ít nhiều trên gương và khí cần đo, và các tạp chất trong khí đôi khi có thể xảy ra phản ứng hóa học hoặc phản ứng quang hóa với các chất không tan trong nước trên gương để chuyển hóa thành các chất hòa tan. Tình trạng này càng rõ rệt hơn trong phép đo độ ẩm của khí công nghiệp. Do đó, cần phải loại bỏ các hạt rắn trong khí bằng cách sử dụng thiết bị lọc thích hợp, và tiếp tục loại bỏ các chất hòa tan còn lại trên bề mặt gương bằng cách lặp lại quá trình ngưng tụ sương và loại bỏ sương, phương pháp này được sử dụng rộng rãi.
Trong thực tế, chúng ta thường thấy bề mặt gương không đồng đều khi bắt đầu xuất hiện lớp màng bám, lớp màng này luôn xuất hiện ở một số khu vực nhất định trên gương. Nguyên nhân thường là do các vết xước trên gương, bởi vì ở những vùng bị lỗi này, một mặt, vật liệu còn sót lại rất khó loại bỏ, mặt khác, các khuyết tật ở góc cạnh đóng vai trò như "lõi bị lộ", đẩy nhanh quá trình lộ màng. Do đó, khi sử dụng máy đo điểm sương, đặc biệt là khi vệ sinh gương, cần phải cẩn thận để tránh gây hư hại cơ học cho gương.
1.1.3.3
Sự nhiễm bẩn gương
Một nguyên nhân là hiệu ứng Raoul, nguyên nhân khác là thay đổi mức độ tán xạ nền phản xạ. Hiệu ứng Raoul chủ yếu do các chất hòa tan trong nước gây ra. Nếu chất này có trong khí cần đo (thường là các muối hòa tan), gương sẽ bị đọng sương sớm, dẫn đến sai lệch dương trong kết quả đo. Nếu chất gây ô nhiễm là các hạt không hòa tan trong nước, chẳng hạn như bụi, v.v., mức độ tán xạ của nền sẽ tăng lên, khiến cho máy đo điểm sương quang điện bị trôi về 0.
1.1.3.4
Kênh lấy mẫu
Do hàm lượng hơi nước trong khí quyển rất cao, và phân tử nước là phân tử phân cực, nên nó dễ dàng hấp thụ vào thành trong của đường ống hoặc xuyên qua đường ống. Vì vậy, hệ thống đường dẫn khí phải được bịt kín tốt trong quá trình đo, độ dày thành ống ít nhất là 1mm, để ngăn nước từ môi trường bên ngoài xâm nhập hoặc rò rỉ. Nếu nhiệt độ của môi trường đo thay đổi đột ngột, cần kiểm tra lại độ kín của đường ống.
Nếu khí cần đo được thải trực tiếp ra khí quyển, cần xem xét vấn đề hơi nước khuếch tán vào hệ thống đo. Phương pháp thường dùng nhất là nối một ống có chiều dài phù hợp vào cửa xả. Chiều dài và đường kính của ống được lựa chọn dựa trên nguyên tắc không ảnh hưởng đến áp suất trong buồng đo.
Đường ống lấy mẫu nên càng ngắn càng tốt, số lượng khớp nối nên được giảm thiểu và cần tránh "khoảng không chết" để giảm thiểu sự nhiễu loạn của nước nền.
Đường ống lấy mẫu và thành khoang đo sạch sẽ, nhẵn mịn, và vật liệu kỵ nước được lựa chọn. Hình 2-2 là đường cong giải hấp theo thời gian của các vật liệu khác nhau khi chúng được đặt trong môi trường khí khô ở trạng thái hấp phụ bão hòa. Từ kết quả thực nghiệm, ta có thể rút ra thứ tự lựa chọn vật liệu như sau: thép không gỉ, PTFE, đồng, polyetylen, và tệ nhất là ống nylon và cao su, không nên được sử dụng trong các phép đo điểm đóng băng thấp. Ngoài ra, mặc dù đường kính ngoài của ống là 6 mm hoặc 1/4 inch, nhưng ống thép không gỉ được đánh bóng bên trong vẫn được sử dụng trong các phép đo điểm đóng băng thấp.
Khi đo điểm sương cao, chúng ta phải chú ý rằng điểm sương phải thấp hơn nhiệt độ môi trường 3°C để tránh hiện tượng ngưng tụ hơi nước trong đường ống.
Khi máy đo độ ẩm điểm sương đo độ ẩm, phạm vi lưu lượng là 0,25L/phút đến 1L/phút. Trong phạm vi này, sự thay đổi vận tốc dòng chảy không ảnh hưởng đến kết quả đo.
Việc lấy mẫu có thể được chia thành hai loại, một là lấy mẫu áp suất, tùy theo phương pháp lấy mẫu khác nhau, có thể chia thành đo áp suất và đo áp suất khí quyển. Xem hình 2-3 và 2-4 tương ứng. Loại còn lại là đo ở áp suất khí quyển, tức là mẫu được lấy bằng bơm. Trong trường hợp này, do phương pháp lấy mẫu khác nhau nên thường dẫn đến áp suất dương và áp suất âm giả tạo. Nếu lấy mẫu theo cách thể hiện trong hình 2-5, máy đo điểm sương đo trong điều kiện có áp suất, sẽ gây ra sai số dương cho kết quả đo. Nếu bơm và lưu lượng kế đổi vị trí, máy đo điểm sương hoạt động trong điều kiện áp suất âm, sẽ gây ra sai số âm cho phép đo. Phương pháp lấy mẫu chính xác được thể hiện trong hình 2-6.
1.1.4
Ứng dụng
Phạm vi đo của máy đo độ ẩm điểm sương rất rộng. Hiện nay, phạm vi đo của một loạt máy đo độ ẩm điểm sương do công ty MBW của Thụy Sĩ phát triển đã đạt đến -95°C~70°C, đáp ứng được hầu hết các yêu cầu đo lường.
1.1.5
Ưu điểm và nhược điểm
Ưu điểm: Đây là phép đo cơ bản, chính xác, thiết bị ổn định và không bị trôi. Thiết bị có độ chính xác cao nhất có thể đạt ±0,1°C.
Nhược điểm: Giá thành cao, yêu cầu cao đối với người vận hành và cần bảo trì. Nhạy cảm với chất gây ô nhiễm. Đôi khi có nước siêu lạnh trong khoảng nhiệt độ -20°C~0°C, vì vậy cần đặc biệt cẩn thận để phân biệt nước siêu lạnh với băng giá.
1.2
Máy đo nước siêu nhỏ dùng cho điện phân hấp thụ hoàn toàn.
1.2.1
Nguyên tắc đo lường
Bằng phương pháp lấy mẫu liên tục, mẫu khí chảy qua một tế bào điện phân có cấu trúc đặc biệt, hơi ẩm trong đó được lớp pentoxit photpho hấp thụ như một chất hút ẩm và được thải ra bằng điện phân thành hydro và oxy, đồng thời pentoxit photpho được tái tạo. Quá trình phản ứng có thể được biểu diễn như sau:
P2O5+H2O=2HPO3
2HPO3=H2+1/2O2+P2O5
Kết hợp (1), (2), sẽ được:
2H2O=2H2+O2
Khi quá trình hấp thụ và điện phân cân bằng, nước đi vào buồng điện phân sẽ được lớp màng pentoxit photpho hấp thụ và trải qua quá trình điện phân. Nếu biết nhiệt độ môi trường, áp suất môi trường và lưu lượng khí, có thể suy ra mối quan hệ giữa dòng điện điện phân của nước và hàm lượng nước trong mẫu khí theo định luật điện phân Faraday và định luật khí:
Theo công thức:
Dòng điện phân của nước, μA;
Hàm lượng nước trong mẫu khí, μL/L (tức là tỷ lệ thể tích)
Lưu lượng khí, ml/phút
Áp suất môi trường, Pa;
Nhiệt độ tuyệt đối của môi trường, tính bằng k;
Như công thức trên cho thấy, cường độ dòng điện điện phân tỷ lệ thuận với hàm lượng nước trong mẫu khí, do đó có thể đo hàm lượng nước trong mẫu khí bằng cách đo dòng điện điện phân của nước. Trong điều kiện áp suất khí quyển tiêu chuẩn và 20°C, khí lý tưởng chảy qua buồng điện phân với tốc độ dòng chảy 100ml/phút. Khi hàm lượng nước trong mẫu khí là 1μL/L (ppmv), dòng điện điện phân được tính từ công thức là 13,4μA. Loại thiết bị này thường lấy ppmv làm đơn vị và có thể trực tiếp đọc giá trị ppmv của hàm lượng ẩm trong mẫu khí.
Do tác dụng xúc tác của điện cực bạch kim, phản ứng điện phân nước là một quá trình thuận nghịch, vì vậy khi mẫu khí cần đo là hydro, oxy hoặc chứa đủ hydro và oxy, cân bằng sẽ dịch chuyển sang trái, hydro và oxy được tạo ra từ quá trình điện phân sẽ kết hợp để tạo thành nước, sau đó quá trình điện phân thứ cấp được thực hiện, làm cho giá trị dòng điện điện phân tổng cộng cao hơn, tức là "hiệu ứng hydro" và "hiệu ứng oxy", hay "hiệu ứng tổng hợp". Thí nghiệm cho thấy khi sử dụng thiết bị đo hàm lượng nước trong loại khí này, kết quả đo cao hơn từ vài đến mười ppmv, nhưng độ lệch nồng độ phản ứng nằm trên giá trị nền, do đó có thể trừ đi.
1.2.2
Kết cấu
Thiết bị này bao gồm hai phần: hệ thống đường dẫn khí và mạch điện, hệ thống đường dẫn khí chủ yếu bao gồm một buồng điện phân và một bộ phận điều khiển đường dẫn khí.
1.2.2.1
Ắc quy
Trong ống thủy tinh, hai điện cực bạch kim được quấn thành hình xoắn ốc kép, và một lớp màng pentoxit photpho được phủ đều giữa các điện cực như một chất hút ẩm. Dưới các điều kiện đo lường đã được chỉ định, cấu trúc quấn bên trong có thể đảm bảo sự hấp thụ và điện phân toàn bộ lượng nước đi vào bể. Thành bể thủy tinh thuận lợi cho việc phủ pentoxit photpho đồng đều. Vì bạch kim có chức năng tạo ra hydro và oxy, đặc biệt là khí giàu hydro, để phản ứng lại tạo ra nước, nên một số công ty đã sử dụng rhodium thay cho bạch kim.
Đối với lớp phủ phốt pho pentoxit khô, khi đưa mẫu khí "hoàn toàn khô" vào và đặt điện áp DC thích hợp vào điện cực, một giá trị dòng điện nền nhỏ sẽ được tạo ra trong mạch. Giá trị dòng điện nền này chỉ liên quan đến cấu trúc của tế bào, tình trạng của lớp phủ, nhiệt độ và loại mẫu, chứ không liên quan đến hàm lượng nước trong mẫu. Vì giá trị dòng điện nền luôn có thể được cộng thêm vào dòng điện điện phân của hơi ẩm có trong mẫu khí, nên khi đo cần trừ đi hàm lượng ẩm thực tế của môi trường khỏi giá trị đo của thiết bị.
1.2.2.2
Hệ thống điều khiển khí nén
Hệ thống khí nén bao gồm van điều khiển, buồng điện phân, van điều chỉnh lưu lượng, lưu lượng kế và máy sấy. Việc điều khiển đường dẫn luồng khí được thực hiện bởi van điều khiển.
1.2.3
Lưu ý khi sử dụng
Từ công thức, ta có thể biết rằng kết quả đo, cụ thể là độ ẩm của khí (μL/L, ppmv), được tính toán dựa trên lưu lượng khí và dòng điện phân, do đó lưu lượng khí phải được kiểm soát và đo lường chính xác. Loại thiết bị này thường sử dụng lưu lượng kế kiểu phao, hoạt động ở nhiệt độ 20°C, áp suất 1 atm, sử dụng không khí để hiệu chuẩn. Nếu điều kiện sử dụng không phải là điều kiện tiêu chuẩn, ví dụ như ở nhiệt độ và áp suất khác nhau, hoặc khí cần đo không phải là không khí, thì cần phải hiệu chuẩn lại hoặc hiệu chỉnh theo hệ số hiệu chỉnh.
1.2.4
Ứng dụng
Phạm vi đo từ vài μL/L (ppmV) đến 2000 μL/L (ppmV), và độ chính xác là 5% giá trị đo hoặc 1% toàn dải đo. Phát minh này có thể được sử dụng cho nhiều loại khí trơ, một số khí hữu cơ và vô cơ không phản ứng với P2O5. Ví dụ bao gồm không khí, nitơ, hydro, oxy, argon, heli, neon, carbon monoxide, carbon dioxide, sulfur hexafluoride, metan, etan, propan, butan, khí tự nhiên và một số khí freon. Nó không thể được sử dụng cho một số khí ăn mòn và khí có thể phản ứng với P2O5, chẳng hạn như etanol, một số khí axit, khí hydrocarbon không bão hòa.
1.2.5
Ưu điểm và nhược điểm
Ưu điểm: Đo lường tuyệt đối, ổn định, không bị trôi lệch.
Nhược điểm: Tuổi thọ pin có hạn và cần phải được tái tạo. Độ ẩm cao và thấp (<1ppmv) đều làm giảm tuổi thọ. Phản hồi chậm trong điều kiện độ ẩm thấp. Yêu cầu tốc độ dòng khí cao. Không thể sử dụng trong một số loại khí ăn mòn và khí phản ứng với P2O5. Có một số vấn đề cần lưu ý.
1.3
Máy đo độ ẩm điện dung oxit nhôm
1.3.1
Nguyên lý đo, cấu trúc và phạm vi ứng dụng
Thiết bị này có nhiều hình thức khác nhau, chẳng hạn như loại cầm tay chạy bằng pin, loại xử lý dữ liệu bằng vi xử lý, loại hiển thị đa thông số, v.v. Nhưng bản chất của nó là một tụ điện, bằng cách phủ một lớp mỏng alumina xốp lên một chất nền dẫn điện và sau đó phủ một lớp mỏng vàng lên lớp alumina đó. Chất nền dẫn điện và lớp vàng mỏng tạo thành điện cực của tụ điện. Hơi nước được hấp thụ bởi alumina xốp thông qua lớp vàng mỏng, và trở kháng của tụ điện tỷ lệ thuận với số lượng phân tử nước, tức là áp suất hơi nước. Áp suất riêng phần của hơi ẩm có thể thu được bằng cách đo trở kháng hoặc điện dung của tụ điện, và giá trị điểm sương có thể thu được bằng cách chuyển đổi.
Lớp oxit nhôm mỏng nằm giữa các điện cực nhôm và vàng có khả năng phản ứng với nước trong phạm vi áp suất hơi bão hòa từ 10⁻³ Pa (điểm sương khoảng -110 °C). Do ái lực mạnh với nước, cùng với hằng số điện môi lớn hơn của nước, các thiết bị này có tính chọn lọc cao đối với nước, nhưng không phản ứng với các loại khí thông thường khác cũng như các khí và chất lỏng hữu cơ.
Độ chính xác là ±1~±2°C trong phạm vi độ ẩm trung bình và cao, và ±2~±3°C trong phạm vi độ ẩm thấp, chẳng hạn như -100°C. Cảm biến không phản ứng với khí hydrocarbon, CO, CO2 và khí chứa HCFC, nhưng độ trôi của cảm biến sẽ khác nhau tùy thuộc vào loại khí. Một số khí ăn mòn như amoniac, SO3 và clo sẽ làm hỏng cảm biến và cần tránh càng nhiều càng tốt.
1.3.2
Lưu ý khi sử dụng
Phạm vi đo thông thường của loại dụng cụ này là -110°C đến +20°C. Khi điểm sương cao hơn, dụng cụ sẽ có độ trôi lớn hơn. Cần chú ý đến hệ số nhiệt độ. Do phản ứng với áp suất riêng phần của hơi nước, chúng ta cần chú ý đến sự thay đổi áp suất tổng của khí trong quá trình đo.
Nó có thể tránh được ô nhiễm bụi và dầu, và lưu lượng khí lớn hơn, đạt 3~5 (L/phút) hoặc thậm chí cao hơn.
1.3.3
Ưu điểm và nhược điểm
Ưu điểm: Phát minh này có phạm vi phản hồi rộng, từ 1μL/L (ppmv) đến 80%RH, có thể lắp đặt từ xa, sử dụng được tại hiện trường, hoạt động tương đối ổn định, phản hồi nhanh, hệ số nhiệt độ nhỏ, không liên quan đến sự thay đổi lưu lượng, có tính chọn lọc cao đối với nước, có thể sử dụng trong phạm vi nhiệt độ và áp suất rộng, chi phí bảo trì hàng ngày thấp và kích thước nhỏ gọn.
Nhược điểm: Phương pháp này là phép đo gián tiếp, hoạt động ở nhiệt độ cao hơn hoặc một số loại khí gây ra hiện tượng trôi lệch, bị ảnh hưởng bởi khí ăn mòn, cần phải hiệu chuẩn định kỳ để khắc phục sự lão hóa, hiện tượng trễ và nhiễm bẩn. Do giá trị phản hồi không tuyến tính, mỗi cảm biến cần được hiệu chuẩn và không thể sử dụng một cách phổ biến.
1.4
Máy đo độ ẩm điện dung màng mỏng
1.4.1
Nguyên lý đo, cấu trúc và phạm vi ứng dụng
Người ta sử dụng một lớp màng polyme muối polyamine hoặc cellulose acetate được phủ lên hai điện cực dẫn điện. Hằng số điện môi giữa hai điện cực có thể thay đổi khi màng hấp thụ nước hoặc mất nước. Cũng có một kỹ thuật sử dụng các polyme nhiệt rắn chịu được nhiệt độ cao, cho phép các cảm biến này được đo liên tục ở nhiệt độ cao hơn 100°C. Hiện tại tôi đang sử dụng các màng có trọng lượng phân tử cao như Visala.
1. Chức năng chính là hỗ trợ các bộ phận khác của cảm biến.
2. Một trong các điện cực được làm bằng vật liệu dẫn điện.
3. Lớp màng mỏng. Đây là phần quan trọng nhất của cảm biến, lượng nước hấp thụ của màng phụ thuộc vào độ ẩm tương đối của môi trường xung quanh. Độ dày của màng là 1-10 (μm).
4. Điện cực trên cũng đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất của cảm biến. Để có phản hồi nhanh, cần có độ thấm nước cao hơn. Nó cũng là một vật liệu dẫn điện.
5. Một miếng đệm tiếp xúc cho điện cực trên. Vì có nhiều hạn chế trong thiết kế điện cực trên, nên cần một kim loại riêng biệt để tạo tiếp xúc tốt.
Phạm vi đo rộng, từ -50°C đến 100°C điểm sương. Nó có thể được sử dụng trong phạm vi nhiệt độ rộng, đôi khi không cần bù nhiệt độ. Nhựa nhiệt rắn chịu nhiệt độ cao cho phép đo liên tục các cảm biến độ ẩm điện dung này ở nhiệt độ 185°C, với nhiệt độ cao nhất được sử dụng tùy thuộc vào vật liệu đóng gói của cảm biến. Một ưu điểm khác của cảm biến nhựa nhiệt rắn là hệ số nhiệt độ nhỏ trong phạm vi nhiệt độ -50°C đến 100°C, do đó nó có thể dễ dàng đo trong phạm vi rộng.
Tất cả các cảm biến độ ẩm tương đối đều nhạy cảm với nhiệt độ và nếu được hiệu chuẩn ở một nhiệt độ nhất định, sẽ gây ra sai số khi sử dụng ở nhiệt độ khác. Một ưu điểm của cảm biến polymer là chúng ít phụ thuộc vào nhiệt độ, tức là hệ số nhiệt độ nhỏ hơn. Do đó, khi nhiệt độ sử dụng khác với nhiệt độ hiệu chuẩn, sai số sẽ nhỏ. Cần có bù nhiệt độ điện tử nếu sử dụng ở nhiệt độ giới hạn hoặc nếu cần độ chính xác cao. Khi phạm vi nhiệt độ nhỏ hơn 50°C, việc bù nhiệt độ rất dễ dàng. Khi phạm vi nhiệt độ rộng hơn, việc bù nhiệt độ sẽ khó khăn hơn. Tuy nhiên, độ chính xác của cảm biến polymer hiện đại có thể đạt ±1%RH trong phạm vi hẹp và ±3%RH trong phạm vi nhiệt độ và độ ẩm rộng. Sau một thời gian sử dụng hoặc sau khi bị nhiễm bẩn, cần phải hiệu chuẩn lại.
1.4.2
Ưu điểm và nhược điểm
Ưu điểm: Hệ thống có những ưu điểm như phản hồi nhanh, phạm vi đo nhiệt độ và độ ẩm rộng, độ tuyến tính tốt, độ trễ thấp, độ ổn định và khả năng lặp lại tốt, hệ số nhiệt độ thấp và chi phí thấp.
Nhược điểm: Hầu như không có.
1.5
máy đo độ ẩm loại điện trở
1.5.1
Nguyên tắc và cấu trúc đo lường
Vật liệu nhạy cảm sử dụng dung dịch polyme của muối amoni bậc bốn làm chất nền, và nhóm chức phản ứng với polyme nhựa để tạo ra nhựa nhiệt rắn có cấu trúc ba chiều và ổn định tốt. Sự thay đổi độ ẩm tương đối có thể dẫn đến sự thay đổi điện trở giữa cực âm và cực dương.
1.5.2
Ưu điểm và nhược điểm
Nó không có hiện tượng trễ và lão hóa, hệ số nhiệt độ thấp, chi phí thấp và tiêu thụ năng lượng thấp. Phạm vi nhiệt độ là -10°C~80°C, độ lặp lại tốt hơn 0,5%RH, độ chính xác cao hơn, nói chung là ±2%RH, trong phạm vi rất hẹp có thể đạt ±1%RH.
Nhược điểm: Đây là thiết bị đo gián tiếp, cần được hiệu chuẩn định kỳ và không phù hợp với một số chất gây ô nhiễm. Nếu sử dụng trong phạm vi nhiệt độ rộng, cần phải bù nhiệt độ. Nó nhạy cảm với chất gây ô nhiễm hơn cảm biến điện dung. Nó không phù hợp với độ ẩm thấp, mất độ nhạy khi độ ẩm tương đối dưới 15%RH, nhưng vẫn hoạt động tốt khi độ ẩm tương đối gần 100%RH, tuy nhiên hiện tượng ngưng tụ đôi khi làm hỏng cảm biến.
Một số chất gây ô nhiễm có ảnh hưởng lớn đến cảm biến điện trở, trong khi những chất khác lại ảnh hưởng lớn đến cảm biến điện dung. Do đó, khi lựa chọn cảm biến, chủ yếu phụ thuộc vào bản chất của chất gây ô nhiễm.
1.6
Máy đo độ ẩm cơ học
1.6.1
Nguyên tắc và cấu trúc đo lường
Chiều dài của các vật liệu polyme hữu cơ như tóc, màng ruột, nylon và polyimide sẽ thay đổi theo độ ẩm tương đối. Máy đo độ ẩm cơ học tận dụng đặc tính này để chế tạo các vật liệu trên thành phần tử cảm biến độ ẩm dạng dải tuyến tính hoặc phủ lên vật liệu đàn hồi để cuộn thành phần tử cảm biến độ ẩm dạng dây lỏng lẻo, sau đó thông qua thiết bị khuếch đại cơ học, sự thay đổi về lượng hình học do sự thay đổi độ ẩm gây ra được hiển thị bằng kim chỉ thị hoặc ghi lại bằng bút ghi, từ đó trực tiếp chỉ ra độ ẩm tương đối. Phát minh này thích hợp để đo nhiệt độ và độ ẩm của môi trường trong nhà như phòng thí nghiệm, phòng máy tính, nhà kho và nhà máy.
1.6.2
Ưu điểm và nhược điểm
Ưu điểm: Giá rẻ, không nhạy cảm với hầu hết các chất gây ô nhiễm, không tốn điện và có thể ghi hình vĩnh viễn.
Nhược điểm: dễ bị trôi tín hiệu, nếu sử dụng trong thời gian dài ở độ ẩm nhất định sẽ mất độ nhạy, không thể sử dụng ở nhiệt độ dưới 0°C, phản hồi chậm, vận chuyển hoặc rung lắc sẽ làm hỏng hiệu năng.
1.7
Máy đo độ ẩm dạng quả cầu khô-ướt
1.7.1
Nguyên tắc
Máy đo độ ẩm quả cầu khô-ướt bao gồm hai nhiệt kế có thông số kỹ thuật giống hệt nhau, một là nhiệt kế quả cầu khô, bọt khí được đặt trong khí cần đo để đo nhiệt độ môi trường xung quanh, giá trị hiển thị được biểu thị bằng Ta (ta). Cái còn lại là nhiệt kế quả cầu ướt, được bọc bằng một lớp vải gạc đặc biệt để giữ ẩm. Khi không khí xung quanh quả cầu ướt ở trạng thái chưa bão hòa, hơi ẩm trên lớp vải gạc của quả cầu ướt sẽ bay hơi liên tục, vì hơi ẩm bay hơi cần hấp thụ nhiệt, nên nhiệt độ của quả cầu ướt sẽ giảm, giá trị hiển thị được biểu thị bằng Tw (tw). Tốc độ bay hơi của quả cầu ướt có liên quan đến hàm lượng hơi ẩm của khí xung quanh. Khi độ ẩm của khí thấp hơn, sự bay hơi nhanh hơn, nhiệt độ của quả cầu ướt thấp hơn, và ngược lại. Sau khi thu được nhiệt độ chính xác của quả cầu khô và ướt, giá trị độ ẩm được tính toán bằng phương trình quả cầu ướt.
Do tính đơn giản và chi phí thấp, máy đo độ ẩm kiểu quả cầu khô-ướt đã là loại được sử dụng phổ biến nhất trong một thời gian dài trước đây.
A humidity meter with good design and maintenance, in the temperature range of 5°C~80°C, if the temperature accuracy is ±0.2°C, the relative humidity accuracy is about ±3%RH. The accuracy of this principle is dependent on the accuracy of the thermometer. Platinum resistance thermometers are often used for some precise measurements. In general, the dry-wet ball hygrometer is a basic measurement method. If the calibrated thermometer is used and the operation is correct, such as the Assmann hygrometer, accurate, reliable and repeatable measurement results can be obtained. So in the past, this hygrometer was often used as a standard. However, many operators, especially in the industrial field, do not have enough energy and time, so the results are not accurate and unreliable. At present, the wet and dry spherical hygrometer is gradually replaced by modern instruments.
1.7.2
Ưu điểm và nhược điểm
Benefits: When the relative humidity is close to 100%RH, a higher accuracy can be obtained. Although there will be errors if the wet ball thermometer is polluted or used improperly, the maintenance cost is very low because of the simple device. The invention can be used in the situation that the room temperature is higher than 100°C, which is the basic measurement, the stability is good, the stability is simple, the cost is low.
Disadvantage: Some techniques are needed to obtain accurate measurements and calculations are needed to obtain the final results. A large number of gas samples are required, and the gas samples may be humidified by a wet gauze. When the relative humidity of the measured gas is lower than 15%RH, it is very difficult to reduce the temperature of the wet ball. When the temperature of wet ball is lower than 0°C, it is difficult to obtain reliable results. The volume cannot be too small because water is constantly supplied to the wet ball thermometer. Because dust, oil or other pollutants can pollute the gauze, or the water flow is insufficient, the temperature of the wet ball is higher, and the result of relative humidity is higher. In addition, the factors that affect the results are temperature measurement error, wind speed, radiation error and so on. When the temperature difference of dry and wet ball is 0.1°C at 20°C, the relative humidity error is 1%RH.
