IV. Giới thiệu về cảm biến đo độ ẩm
4. Ẩm kế hấp thụ
Nguyên lý làm việc
Nguyên lý làm việc của ẩm kế hấp thục dựa trên sự hấp thụ hơi nước của một số chất như Clorua Liti hoặc Anhidrit Photphoric. Các chất này khi ở trạng thái khô điện trở của chúng rất cao, lúc hút ẩm hơi nước ở môi trường xung quanh, điện trở giảm một cách đáng kể qua đó xác định được độ ẩm của môi trường cần đo.
Quá trình đo độ ẩm bằng cách nung nóng dung dịch muối chứa trong ẩm kế cho đến khi áp suất hơi bão hòa ở phía trên dung dịch bằng áp suất hơi của môi trường không khí bình thường. Từ nhiệt độ đó xác định được áp suất hơi và nhiệt độ hóa sương. Thường người ta chọn dung dịch muối bão hòa sao cho ở một nhiệt độ cho trước, áp suất hơi càng nhỏ càng tốt.
Cảm biến đo độ ẩm Trang 23 Hình 22. Đường cong áp suất hơi nước phụ thuộc vào nhiệt độ của một số dung dịch bão hòa
Nhiệt độ dung dịch T: 0C
Áp suất hơi trên bề mặt nước PH2O (T, Pa)
Áp suất hơi trên mặt LiCl (T, Pa)
Độ ẩm tương đối
2 ( ) ( ) H O T %
LiCl T
U P
P
5 872,47 118,2 13,7
10 1227,94 157,6 12,8
15 1705,32 203,6 11,9
20 2338,54 260,6 11,1
25 3168,74 353,9 11,1
30 4245,20 473,9 11,2
35 5626,20 628,7 11,2
40 5626,45 823,6 11,2
45 7381,27 1066,1 11,1
50 9589,84 1364,6 11,1
55 12344,26 1727,5 11,0
60 15752,26 2163,4 10,9
65 25023,74 2681,1 10,7
Bảng 1. Giá trị áp suất hơi bão hòa trên mặt nước và trên dung dịch muối Clorua Liti bão hòa ở những nhiệt độ khác nhau.
Đường cong áp suất hơi gần tương ứng với đướng cong độ ẩm tương đối 12%. Ví dụ:
Cùng một giá trị áp suất hơi tương ứng là P = 2163Pa, nhiệt độ hóa sương của hơi nước là 18,80C nhưng nhiệt độ cân bằng của dung dịch muối Clorua Liti bão hòa là 600C.
Ẩm kế Clorua Liti
Cảm biến có cấu tạo gồm một ống được bao bọc bởi một lớp vải tẩm dung dịch Clorua Liti trên đó quấn hai điện cực bằng kim loại không bị ăn mòn. Các điện cực được đốt nóng bằng một nguồn cung cấp để làm bay hơi nước.
Cảm biến đo độ ẩm Trang 24 Hình 23. a. Ẩm kế Clorua Liti, b. Cấu tạo
Khi nước bay hơi hết, điện trở của cảm biến tăng và dòng điện cực giảm đáng kể. Khi đó ở môi trường có không khí ẩm Clorua Liti hấp thụ hơi nước ở môi trướng xung quanh nên độ ẩm tăng, điện trở của nó giảm và dòng điện tăng làm cho nhiệt độ của cảm biến lại tăng. Tại một thời điểm nào đó sẽ đạt được sự cân bằng giữa muối LiCl và độ ẩm. Sự cân bằng này xảy ra ở nhiệt độ liên quan đến áp suất hơi và đồng thời đến nhiệt độ hóa sương TS. Qua đó có thể xác định được nhiệt đố hóa sương TS.
Đặc điểm của cảm biến LiCl là có thể đo nhiệt độ hóa sương với độ chính xác cao. Quá trình đo nhiệt độ cân bằng thực hiện bằng đốt nóng nên đơn giản, có độ tin cậy cao và giá thành hạ. Độ chính xác có thể đạt đến ±0,20C tùy thuộc vào cảm biến nhiệt độ, cấu tạo của cảm biến và điều kiện sử dung. Thời gian hồi đáp cỡ chục phút, phạm vi đo nhiệt độ hóa sương của các chất từ -100C đến 600C.
Ví dụ: với nhiệt độ hóa sương -100C ≤ Ts ≤ 340C và 410C ≤ Ts ≤ 650C, độ chính xác đạt được là ±10C còn với dải đo từ -340C ≤ Ts ≤ 410C thì độ chính xác đạt được là ±20C.
Ẩm kế Anhidrit Photphoric Mô tả cảm biến như hình dưới:
Cảm biến đo độ ẩm Trang 25 Hình 24. Ẩm kế Anhidrit photphoric.
Cảm biến gồm một ống cách điện với đường kính không lớn lắm, mặt trong đặt hai điện cực xoắn 2 và 3, giữa chúng được phủ một lớp màng mỏng P2O5, màng mỏng có điện trở ở dạng khô và điện trở bị giảm khi hút ẩm. Không khí ẩm cần đo được đưa qua ống với tốc độ không đổi. Khi đó liên tục diễn ra hai quá trình: sự hút ẩm của màng để tạo thành Anhidrit Photphoric và điện phân nước để tái sinh Anhidrit Photphoric.
2 5 2 3
3 2 2 2 5
2
2 0,5
P O H O HPO
HPO H O P O
Trong quá trình đo, dòng điện đi qua chỉ thị tỷ lệ với độ ẩm tuyệt đối của không khí:
. . . F Z q P I M
Trong đó F là hằng số Faraday, Z là độ kiềm, q là lưu tốc chất khí (m3/s); M là trong lượng phân tử của nước; P là độ ẩm tuyệt đối (g/m3).
Cảm biến trên cho phép đo hơi nước với dải đo từ 10-4 ÷ 1% theo khối lượng và có sai số