Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo thủy phần

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:73

Thêm vào BST

Báo xấu

17
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung nghiên cứu tập trung vào việc chế tạo cảm biến thủy phần dùng tụ trụ, khảo sát sự phụ thuộc của điện dung tụ theo hàm lượng nước (thông số điện môi trong điện trường của tụ), đề xuất mạch điện tử xử lý tín hiệu đo và đối chiếu với thiết bị Riceter của hãng Kett (Nhật Bản). Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo thủy phần

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Bùi Thị Dung NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BN ĐO THỦY PHẦN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2013
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Bùi Thị Dung NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BN ĐO THỦY PHẦN Chuyên ngành: Vật lý Vô tuyến và Điện tử Mã số: 60440105 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Phạm Quốc Triệu Hà Nội – Năm 2013
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình làm luận văn thạc sĩ, tôi kính xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS. Phạm Quốc Triệu đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Đỗ Trung Kiên cùng các thầy, cô giáo trong bộ môn Vật lý vô tuyến và điện tử đã giúp đỡ nhiệt tình trong quá trình học tập và làm luận văn của tôi. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn toàn bộ các thầy cô trong khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã cho tôi những kiến thức quý báu trong thời gian học tập tại trường. Tôi xin kính cảm ơn gia đình, bố mẹ, anh em và bạn bè đã động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn. Hà Nội, tháng 12 năm 2013 Học viên cao học BÙI THN DUNG
MỤC LỤC MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 Chương 1- CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU THỦY PHẦN ........................................... 2 1.1. Cảm biến độ "m không khí ............................................................................... 2 1.1.1. Những định nghĩa cơ bản về không khí "m.................................................. 2 1.1.2. Phân loại "m kế ............................................................................................... 5 1.1.3. Ẩm kế ngưng tụ ............................................................................................... 6 1.1.4. Ẩm kế hấp thụ ................................................................................................. 8 1.1.5. Ẩm kế biến thiên trở kháng ......................................................................... 12 1.1.6. Ẩm kế điện ly ................................................................................................. 17 1.2. Thủy phần trong nguyên liệu, sản ph"m ....................................................... 19 1.2.1. Vai trò của thủy phần trong nguyên liệu, sản ph"m ................................. 19 1.2.2. Chuyển đổi đo lường ..................................................................................... 20 Chương 2- MỘT SỐ MẠCH ĐIỆN THƯỜNG DÙNG VỚI CẢM BIẾN ......... 25 2.1. Mạch khuếch đại vi sai .................................................................................... 25 2.1.1. Chế độ một chiều........................................................................................... 26 2.1.2. Chế độ xoay chiều.......................................................................................... 27 2.2. Mạch khuếch đại .............................................................................................. 29 2.3. Mạch cầu khử điện áp lệch.............................................................................. 30 2.4. Cầu đo điện dung và góc tổn hao.................................................................... 31 2.5. Mạch lặp lại điện áp......................................................................................... 33 2.6. Mạch cầu điện trở ............................................................................................ 34 Chương 3 - NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY ĐO........................... 35 3.1. Nghiên cứu chế tạo máy đo thủy phần của gạo theo nguyên lý điện dẫn ... 35 3.1.1 Nghiên cứu số liệu thực nghiệm.................................................................... 35 3.1.2. Cơ sở thiết kế máy đo độ "m của thóc, gạo (thang đo tuyến tính) ........... 40 3.2. Nghiên cứu chế tạo máy đo thủy phần theo nguyên lý điện dung............... 43 3.2.1. Tụ điện............................................................................................................ 43 3.2.2. Cầu điện dung Booton 72B........................................................................... 47
3.3. Kết quả thực nghiệm........................................................................................ 48 3.3.1. Khảo sát sự thay đổi điện dung C theo lượng vật chất: ............................ 48 3.3.2. Khảo sát sự phụ thuộc điện dung C theo thủy phần gạo .......................... 54 3.3.3. Đề xuất mạch chức năng cho thiết bị đo thủy phần................................... 55 KẾT LUẬN .............................................................................................................. 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... PHỤ LỤC ................................................................................................................. 65
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý Nm kế ngưng tụ.................................................................7 Hình 1.2. Đường cong áp suất hơi phụ thuộc vào nhiệt độ của một số dung dịch bão hòa ...............................................................................................................................9 Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý đầu đo dùng clorua liti ...................................................11 Hình 1.4. Hàm lượng nước trong chất hấp thụ là hàm của độ Nm và nhiệt độ .........13 Hình 1.5.a. Sự phụ thuộc của điện trở vào độ Nm tương đối ....................................14 Hình 1.5.b. Mạch đo có Nm kế điện trở.....................................................................14 Hình 1.6. Sơ đồ cấu tạo và mạch tương đương của Nm kế tụ điện Al2O3 .. ...............16 Hình 1.7. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của Nm kế điện ly...............................................18 Hình 1.8. Thiết bị đo H theo nguyên lý cân sấy MB45 ............................................22 Hình 1.9. Thiết bị KETT F512……………………………………………………..23 Hình 1.10. Thiết bị GMK 303RS ..............................................................................23 Hình 1.11. Thiết bị KETT PM 600 ...........................................................................24 Hình 2.1. Mạch khuếch đại vi sai..............................................................................25 Hình 2.2. Phân cực cho mạch vi sai ..........................................................................26 Hình 2.3 Mạch KĐVS ở chế độ đơn .........................................................................27 Hình 2.4. Mạch KĐVS hoạt động ở chế độ đồng pha ..............................................29 Hình 2.5. Sơ đồ bộ khuếch đại đo lường gồm ba KĐTT ghép nối điện trở .............30 Hình 2.6. Sơ đồ khử điện áp lệch ..............................................................................31 Hình 2.7. Cầu đo tụ điện tổn hao ít ...........................................................................31 Hình 2.8 Cầu đo tụ điện tổn hao lớn .........................................................................32 Hình 2.9. Sơ đồ mạch lặp điện áp .............................................................................33 Hình 2.10. Sơ đồ mạch cầu điện trở..........................................................................34 Hình 3.1. Đồ thị phụ thuộc của H % theo ρ ..............................................................37 Hình 3.2. Sự phụ thuộc của điện trở suất của gạo theo nhiệt độ...............................38 Hình 3.3. Mạch nguyên lý của máy đo .....................................................................41
Hình 3.4. Sơ đồ máy đo độ Nm của thóc gạo ............................................................42 Hình 3.5. Kết quả so sánh giữa hai máy đo ..............................................................42 Hình 3.6. Tụ điện phẳng............................................................................................44 Hình 3.7 Tụ trụ ..........................................................................................................45 Hình 3.8. Hai tụ trụ được chế tạo ..............................................................................46 Hình 3.9 Mạch cầu đo trong thiết bị Booton 72B.....................................................47 Hình 3.10. Thiết bị đo điện dung DL8000 ................................................................48 Hình 3.11 Đồ thị thực nghiệm biểu diễn quan hệ CMN phụ thuộc lượng mẫu..........51 Hình 3.12 Đồ thị thực nghiệm biểu diễn quan hệ CMN phụ thuộc lượng mẫu..........53 Hình 3.13. Đồ thị tổng hợp các quan hệ CMN (tụ nhỏ) theo các lượng mẫu khác nhau... 53 Hình 3.14. Đồ thị tổng hợp các quan hệ CMN (tụ lớn) theo các lượng mẫu khác nhau..... 54 Hình 3.15. Tương quan độ Nm và điện dung của mẫu gạo Si ...................................55 Hình 3.16. Tương quan độ Nm và điện dung của mẫu gạo Tám Điện Biên..............55 Hình 3.17 Khối tạo tín hiệu sine ...............................................................................56 Hình 3.18 Sơ đồ mạch phát xung.............................................................................56 Hình 3.19 Sơ đồ mạch chia tần ................................................................................57 Hình 3.20 Sơ đồ mạch tạo sóng sine và khuếch đại công suất ................................58 Hình 3.21. Mạch cầu Sauty .......................................................................................59 Hình 3.22. Mạch khuếch đại vi sai............................................................................59 Hình 3.23. Đồ thị biểu diễn tương quan giữa Vout và lượng mẫu L ........................61 Hình 3.24. Đồ thị biểu diễn tương quan giữa Vout và H..........................................62
DANH MỤC BẢNG Bảng 1. Giá trị áp suất hơi bão hòa trên mặt nước và trên dung dịch muối clorua liti ..........................................................................................................10 Bảng 3.1. Tương quan giữa điện trở suất và độ Nm của gạo....................................35 Bảng 3.2. Giá trị của điện trở suất ρ (Ω.cm).............................................................37 Bảng 3.3. Số liệu của hàm đa thức và lũy thừa.........................................................38 Bảng 3.5. So sánh thông số nhiệt của gạo và của nhiệt trở Ge pha tạp Cu...............39 Bảng 3.7. So sánh số chỉ của máy Kett và máy lắp ráp ............................................43
MỞ ĐẦU Là một đất nước nông nghiệp, Việt Nam có lượng sản phNm nông nghiệp hết sức phong phú. Có hàng trăm các chủng loại sản phNm đầu ra thường xuyên cần được bảo quản, thu mua hoặc giao dịch buôn bán như thóc gạo, ngô, đỗ, lạc, vừng, cà phê, thuốc lá v.v… Tất cả các hoạt động đó đều yêu cầu một chỉ tiêu riêng về độ Nm (lượng nước trong sản phNm hay thủy phần). Nhiều công trình khoa học, nhiều hãng sản xuất trên thế giới đã quan tâm nghiên cứu chế tạo các thiết bị đo thủy phần phục vụ đối tượng trên. Tại Việt Nam, cũng đã có đề tài cấp nhà nước nghiên cứu và chế tạo thành công máy đo thủy phần thóc gạo dùng nguyên lý điện dẫn. Trong luận văn này, chúng tôi nghiên cứu thiết kế, chế tạo một loại thiết bị đo thủy phần sử dụng nguyên lý cảm biến điện dung. Ưu điểm của cảm biến này là có khả năng đánh giá thủy phần trong các sản phNm nông nghiệp đa dạng hơn về chủng loại, đồng thời kết cấu cũng nhỏ gọn, bền về phương diện cơ học, dễ mang xách, vận hành tại hiện trường. Nội dung nghiên cứu tập trung vào việc chế tạo cảm biến thủy phần dùng tụ trụ, khảo sát sự phụ thuộc của điện dung tụ theo hàm lượng nước (thông số điện môi trong điện trường của tụ), đề xuất mạch điện tử xử lý tín hiệu đo và đối chiếu với thiết bị Riceter của hãng Kett (Nhật Bản). Kết cấu của luận văn gồm ba Chương như sau: Chương 1. Chuyển đổi tín hiệu thủy phần Chương 2. Một số mạch điện thường dùng với cảm biến Chương 3. Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy đo Các kết quả thu được cho thấy thiết bị dùng cảm biến điện dung có khả năng đo thủy phần các sản phNm nông nghiệp. Tuy nhiên, để trở thành thương phNm áp dụng trên thị trường, cần có thêm thời gian nghiên cứu, hiệu chỉnh, chuNn hóa số liệu trên từng đối tượng cụ thể.
Chương 1- CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU THỦY PHẦN 1.1. Cảm biến độ "m không khí [5] Độ Nm cao của không khí và của chất khí nói chung có thể có hậu quả nghiêm trọng đối với các quá trình lý hóa và sinh lý. Bởi vậy đo độ Nm là điều bắt buộc trong nhiều thiết bị và môi trường làm việc vì những lý do có thể liệt kê dưới đây. Trong đời sống, độ Nm tương đối cần phải duy trì để đảm bảo cảm giác dễ chịu cho con người thay đổi trong một khoảng tương đối rộng: từ 35% đến 70%. Nếu độ Nm tương đối thấp hơn 70%, bộ máy tiêu hóa bị kích thích, còn nếu lớn hơn 70% thì sự ra mồ hôi bị giảm nghiêm trọng. Nói chung độ Nm ảnh hưởng đến tiêu thụ năng lượng; độ Nm càng cao thì càng tốn phí năng lượng để có điều kiện môi trường. Trong công nghiệp, các điều kiện về độ Nm rất khác nhau phụ thuộc vào sản phNm cụ thể. Trong một số trường hợp, phải duy trì độ Nm không đổi trong môi trường làm việc, thí dụ, trong công nghiệp dệt, bởi vì sự thay đổi độ Nm làm thay đổi các đặc tính của sợi (như sức căng cơ học). Trong công nghiệp thực phNm, điều kiện bảo quản thực phNm tối ưu phụ thuộc vào loại sản phNm, thường là nhiệt độ T = 00 C và độ Nm trong khoảng 85% - 90%. Độ Nm cao quá làm cho thực phNm bị hỏng, và thấp quá làm giảm trọng lượng do bay hơi nước. Vấn đề phát hiện vết hơi nước: trong nhiều quá trình công nghiệp, việc tránh vết hơi nước trong không khí hoặc trong các chất khí (cacbon, etylen, khí tự nhiên…) là rất quan trọng, bởi vì sự có mặt của hơi nước ở một lượng đáng kể có thể gây nên những phản ứng phụ hoặc gây nên quá trình ngưng tụ. Nhu cầu phát hiện độ Nm rất nhỏ cỡ phần triệu thể tích (ppm) đặc biệt quan trọng đối với một số ứng dụng công nghiệp như năng lượng hạt nhân, vi điện tử, luyện kim, gia công nhiệt, điện áp cao. 1.1.1. Những định nghĩa cơ bản về không khí "m Xét không khí Nm có thể tích V ở nhiệt độ T. Khối lượng M không khí Nm chứa trong thể tích V là tổng của khối lượng không khí khô ma và khối lượng của hơi nước là mV . Gọi áp suất tổng của áp suất riêng phần của không khí khô pa và
của hơi nước pV ( P = pa + pV ) . Khi đó một số khái niệm chung được định nghĩa như sau: - Tỷ lệ trộn r (kg/kg): Tỷ lệ trộn r là tỷ số giữa khối lượng hơi nước và khối lượng không khí khô mà lượng hơi nước trộn trong đó: mV r= (1.1) ma - Áp suất hơi bão hòa: Áp suất hơi bão hòa ps (T ) (đo bằng Pa) là áp suất hơi nước ở trạng thái cân bằng với nước (lỏng) ở nhiệt độ T. Đây là giá trị lớn nhất mà áp suất riêng phần pV có thể đạt tới nhiệt độ T. Lớn hơn áp suất này sẽ xảy ra ngưng tụ. - Độ m tương đối: [10] Độ Nm tương đối U (%) là tỷ số giữa áp suất riêng của hơi nước và áp suất hơi bão hòa ở nhiệt độ T: pV U= .100 (1.2) ps (T ) Áp suất hơi nước trong thể tích khí Độ Nm tương đối (U) = −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− x 100 Áp suất hơi nước tối đa (bão hòa) trong cùng thể tích khí đó (nhiệt độ cố định) - Điểm ngưng tụ (điểm sương) là nhiệt độ mà tại đó hơi nước trong không khí ngưng tụ thành nước ( nhiệt độ được hạ thấp trong khi áp suất khí không thay đổi). Cũng có thể hiểu điểm ngưng tụ là nhiệt độ mà tại nhiệt độ đó, hỗn hợp khí bão hòa và không có khả năng chứa thêm hay hấp thụ hơi nước. Như vậy, khi đó, hơi nước sẽ bắt đầu ngưng tụ thành nước và tách khỏi hỗn hợp khí đó. Giọt nước sẽ đọng trên bề mặt của các vật nằm trong thể tích khí đó. - Thí dụ về hơi nước trong khí quyển Đám mây đen giông bão có chứa tới 10 g hơi nước trong 1m3 khí (tương đương với 100.000 tấn nước trên 2,59 km2)
Mây đen trung bình có chứa tới 0,8 g hơi nước trong 1m3 khí Đám mây mưa nhẹ có chứa tới 0,2 g hơi nước trong 1m3 khí Đám mây trắng nhẹ có chứa khoảng 0.1 g hơi nước trong 1m3 khí Trong trường hợp mây đen giông bão lượng hơi nước 10g/m3 khí tương đương với 100.000 tấn nước trên 2,59 km2. - Nhiệt độ m: Nhiệt độ Nm Th ( 0 C ) là nhiệt độ cân bằng của một khối lượng nước hóa hơi và không khí trong trường hợp khi nhiệt lượng cần thiết để hóa hơi chỉ được trích từ không khí. - Enthalpy riêng: Tổng nhiệt lượng chứa trong không khí Nm có nguồn gốc chính là enthalpy tương ứng với không khí khô ở 0o C . Enthalpy riêng i (đo bằng kJ/kg) được tính cho một đơn vị khối lượng của không khí khô. Thí dụ, để chuyển không khí Nm có chứa khối lượng không khí khô ma xác định bởi điều kiện A ( T = TA , r = rA ) sang điều kiện ( T = TB , r = rB ) cần cung cấp một năng lượng: (i A − iB ).ma (1.3) Trong đó i A và iB là enthalpy riêng ở điều kiện A và B. Tiện lợi của enthalpy riêng là có thể nhóm nhiệt lượng “nhạy” tương ứng với thay đổi nhiệt độ (TB − TA ) giữa A và B với nhiệt lượng “Nn” tương ứng với sự thay đổi ( rB − rA ) của tỷ lệ trộn giữa A và B thành một số hạng: i (T , r ) = C pa .T + r ( L0 + C pv .T ) (1.4) Trong đó: - C pa là nhiệt dung riêng của không khí khô, 1,006kJ/kg. 0 C (T = 200 C ) ; - C pv là nhiệt dung riêng của hơi nước, 1,84kJ/kg. 0 C (T = 200 C ) ; - L0 là nhiệt lượng Nn của quá trình bay hơi ở T=0 0 C , 2501kJ/kg Mối liên hệ giữa các đại lượng đặc trưng cho độ m:
- Tỷ lệ trộn và áp suất hơi: pv r =δ (1.5) P − pv Trong đó: Mv δ= ≅ 0,622 Ma M a và M v là khối lượng phân tử của không khí và hơi nước. - Nhiệt độ Nm và áp suất hơi: pv = ps (Th ) − AP(T − Th ) (1.6) Trong đó: C pa P − ps (Th ) A= . (1.7) δ LTh P Với A=0,00064 khi (Th = 200 C ) . 1.1.2. Phân loại "m kế Có thể phân chia Nm kế thành hai loại chính: - Loại thứ nhất dựa trên nguyên lý vật lý cho phép trực tiếp xác định độ Nm, thí dụ Nm kế ngưng tụ, Nm kế điện ly. - Loại thứ hai có nguyên lý dựa trên việc do tính chất của vật có lien quan đến độ Nm, thí dụ Nm kế biến thiên trở kháng. Các loại Nm kế khác nhau này, tùy theo nguyên tắc hoạt động, cho phép tiếp cận với một trong những thông số của không khí Nm đã mô tả ở mục trước. Các thông số của không khí Nm và loại Nm kế thích hợp để đo chúng được liệt kê như sau: - Nhiệt độ hóa sương Td đo bằng Nm kế ngưng tụ, Nm kế hấp thụ, Nm kế oxit nhôm và Nm kế điện ly; - Nhiệt độ Nm Th đo bằng psychromet; - Độ Nm tương đối U đo bằng Nm kế biến thiên điện trở và Nm kế biến thiên điện dung.
Nói chung rất khó so sánh các loại Nm kế khác nhau bởi vì chúng đo các thông số khác nhau của không khí Nm. Trước khi chọn một Nm kế cần phải biết thông số chính muốn đo để chọn lựa thiết bị cho phép đo với độ sai lệch nhỏ nhất. 1.1.3. Ẩm kế ngưng tụ a. Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của Nm kế Khi làm lạnh một vật có thể đo nhiệt độ của nó một cách liên tục cho đến khi hình thành lớp sương hoặc lớp băng trên bề mặt của nó. Tiếp theo, ổn định quá trình làm lạnh bằng cách giữ trạng thái cân bằng giữa không khí và lớp sương. Nhiệt độ đo chính là điểm sương Td (dew point) còn gọi là điểm băng giá T f (frost point). Bắt đầu từ điểm sương này người ta đo áp suất hơi trong không khí Nm. Các Nm kế đo điểm sương chỉ đáng tin cậy khi chúng được tự động hóa. Trên hình 1.1 biểu diễn sơ đồ nguyên lý của một Nm kế tự động theo nguyên lý ngưng tụ. Các phần tử của Nm kế ngưng tụ bao gồm: - Gương bằng kim loại và hệ thống điều chỉnh nhiệt độ của gương; - Cảm biến đo nhiệt độ của gương (điện trở platin hoặc cặp nhiệt độ); - Nguồn phát chùm tia ánh sáng và đầu đo quang. Nguồn sáng chiếu vào gương sao cho đầu đo không nhạy cảm khi không có ngưng tụ hơi nước. Lúc này hệ thống điều khiển phát tín hiệu để làm lạnh gương (bằng hiệu ứng Peltier hoặc bằng nito lỏng) cho đến khi xuất hiện sự ngưng tụ. Khi xuất hiện lớp sương trên bề mặt gương, ánh sáng bị tán xạ đến đầu thu quang kích thích phát tín hiệu nung nóng gương thông qua bộ điều khiển. Khi nhiệt độ gương tăng, lớp sương biến mất cùng với sự chấm dứt hiện tượng tán xạ ánh sáng và một chu kỳ làm lạnh mới lại bắt đầu. Bằng cách hiệu chỉnh thích hợp có thể nhận được lớp ngưng tụ có bề dày cố định và tạo ra trạng thái cân bằng giữa hơi nước và lớp ngưng tụ. Cảm biến nhiệt độ đặt phía sau gương cho phép xác định nhiệt độ của gương.
Đầu thu Hiệu chỉnh quang Nguồn sáng gương Nguồn nuôi Cảm biến nhiệt độ Làm nguội Nung nóng Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý "m kế ngưng tụ b. Các yếu tố ảnh hưởng Gradient nhiệt độ và sự dò nhiệt ảnh hưởng rất mạnh đến độ chính xác của đầu đo. Theo lý thuyết, nhiệt độ hóa sương là nhiệt độ của bề mặt phân biên giữa không khí và nước. Tuy nhiên, trên thực tế luôn luôn tồn tại gradient nhiệt độ giữa bề mặt này và cảm biến nhiệt độ vì nó đặt sau gương. Đấy là chưa kể đến sai số gây nên bởi hiệu ứng dẫn nhiệt của dây dẫn. Tuy vậy, đây là sai số hệ thống và có thể loại bỏ bằng cách chuNn Nm kế. Khi điểm hóa sương thấp hơn 00 C , nước có thể tồn tại dưới dạng băng hoặc dạng chất lỏng chậm đông. Do vậy, với cùng tỷ lệ trộn r có thể có hai điểm cân bằng tương ứng với áp suất riêng phần khác nhau. Trong trường hợp này, với cùng tỷ lệ trộn r cho trước, nhiệt độ hóa sương và nhiệt độ băng giá có thể khác nhau. Để tránh hiện tượng này có thể áp dụng biện pháp làm lạnh ở nhiệt độ rất thấp để chắc chắn là đã đạt được tráng thái rắn sau đó nâng lên nhiệt độ đóng băng. Quá trình chuyển trạng thái giữa nước và băng không nhất thiệt phải xảy ra xung quanh điểm 00 C . Một số máy đo có thể làm việc ở trong nước chậm đông
nhiệt độ thấp hơn −100 C . Các thiết bị tốt còn được trang bị them bộ phận quan sát quang học làm việc bình thường ngay cả ở nhiệt độ hóa sương. c. Các đặc trưng Đây là loại Nm kế duy nhất có phạm vi đo rộng, từ −700 C đến 1000 C , thậm chí có thể mở giộng giới hạn trên cao hơn nữa cho những ứng dụng đặc biệt. Thí dụ, một số Nm kế có thể làm việc ở +1800 C để đo nhiệt độ hóa sương của axit hoặc để đo áp suất cao. Độ chính xác khi đo điểm hóa sương Td phụ thuộc vào độ chính xác khi đo nhiệt độ vào sai số hệ thống. Một số Nm kế có độ chính xác đến ±0, 20 C . Đối với những chất có độ hóa sương cao hơn 200 C , thời gian hồi đáp cỡ khoảng vài phút. Ở −800 C phải mất 3 giờ với lưu lượng 10 l/h để hình thành một lớp băng 0,3µm, tương đương với thời gian hồi đáp ở điều kiện này. Ưu điểm nổi bật của Nm kế ngưng tụ là có thể làm việc trong môi trường ăn mòn (thí dụ khí nhiên liệu). Tuy vậy, sự phức tạp về cấu tạo, giá thành cao, nhu cầu hiệu chỉnh thường xuyên là những nhược điểm chính làm Nm kế loại này chỉ được sử dụng trong phòng thí nghiệm. 1.1.4. Ẩm kế hấp thụ a. Nguyên tắc đo Nguyên tắc đo độ Nm dùng Nm kế hấp thụ dựa trên hai hiện tượng: - Áp suất hơi ở phía trên của một dung dịch bão hòa chứa các muối hòa tan nhỏ hơn áp suất ở bên trên mặt nước với cùng điều kiện nhiệt độ như nhau. (hình 1.2) - Độ dẫn điện của một muối kết tinh nhỏ hơn rất nhiều so với độ dẫn điện của dung dịch của chính muối đó với tỷ lệ cỡ 10−3 ÷ 10−4 . Hiện tượng này cho phép thực hiện việc nung nóng dung dịch và hiệu chỉnh công suất nung.
Hình 1.2. Đường cong áp suất hơi phụ thuộc vào nhiệt độ của một số dung dịch bão hòa Khi đo độ Nm bằng Nm kế hấp thụ người ta nung nóng dung dịch muối chứa trong Nm kế cho đến khi áp suất hơi bão hòa ở phía trên dung dịch bằng áp suất hơi ở trong môi trường không khí bình thường. Biết được nhiệt độ này sẽ xác định được áp suất hơi và nhiệt độ hóa sương. Thông thường người ta chọn dung dịch muối bão hòa sao cho ở một nhiệt độ cho trước áp suất hơi càng nhỏ càng tốt. Trên thực tế clorua liti (LiCl) là muối duy nhất được sử dụng để chế tạo Nm kế (hình 1.2). Trong bảng 1 ghi các giá trị áp suất hơi bão hòa trên mặt nước và trên dung dịch muối colorua liti bão hòa ở nhiệt độ khác nhau. Đường cong áp suất hơi gần như tương ứng với đường cong độ Nm tương đối 12%.
Bảng 1. Giá trị áp suất hơi bão hòa trên mặt nước và trên dung dịch muối clorua liti Nhiệt độ Áp suất hơi trên Áp suất hơi trên Độ Nm tương đối dung dịch mặt nước mặt LiCl ps ( LiCl , T ) U= (%) ps ( H 2O, T ) T, 0 C ps (nước, T), Pa ps (LiCl, T), Pa 5 872,47 119,2 13,7 10 1227,94 157,6 12,8 15 1705,32 203,6 11,9 20 2338,54 260,6 11,1 25 3168,74 353,2 11,1 30 4245,20 473,9 11,2 35 5626,45 628,7 11,2 40 7381,27 823,6 11,2 45 9589,84 1066,1 11,1 50 12344,78 1364,6 11,1 55 15752,26 1727,5 11,0 60 19933,09 2163,4 10,9 65 25023,74 2681,1 10,7 Thí dụ: ứng với cùng một giá trị của áp suất hơi bằng 2163Pa, nhiệt độ hóa sương là 18,8 0 C (cân bằng trên nước) nhưng nhiệt độ cân bằng của dung dịch LiCl bão hòa là 60 0 C . b. Ẩm kế LiCl Cảm biến có cấu tạo bao gồm một ống được bao bọc bởi một lớp vải tNm dung dịch LiCl trên đó có cuốn hai điện cực bằng kim loại không bị ăn mòn. Giữa hai điện cực này đặt một điện áp xoay chiều cho dòng điện chạy qua trong dung dịch để đốt nóng và làm bay hơi nước. Khi nước bay hơi hết, dòng điện giữa các điện cực giảm xuống một cách đáng kể bởi vì độ dẫn của muối clorua liti ở thể rắn nhỏ hơn rất nhiều so với độ dẫn của dung dịch, do vậy nhiệt độ của cảm biến giảm xuống.
Đồng thời, vì LiCl là chất ưa nước nên nó lại hấp thụ hơi nước, độ Nm tăng và dòng điện I lại tăng lên làm cho nhiệt độ của cảm biến tăng lên. Cuối cùng sẽ đạt được cân bằng giữa muối rắn LiCl và dung dịch. Theo nguyên lý nêu trên, cân bằng này xảy ra ở nhiệt độ liên quan trực tiếp đến áp suất hơi và cũng đồng thời đến nhiệt độ hóa sương Td . Như vậy có thể xác định được Td . Trong hệ thống này phần tử điều chỉnh chính là clorua liti. Sơ đồ nguyên lý của Nm kế LiCl biểu diễn trên hình 1.3. Nguồn xoay chiều ~ Chỉ thị nhiệt độ Cảm biến đo nhiệt độ Bằng điện trở platin Điện cực Sợi thủy tinh Ống kim loại bọc cách điện Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý đầu đo dùng clorua liti c. Các đặc trưng Ẩm kế clorua liti là loại đo nhiệt độ hóa sương với độ chính xác cao. Việc đo nhiệt độ cân bằng thực hiện bằng cách đốt nóng cảm biến (thay vì phải làm lạnh
như trong trường hợp cảm biến ngưng tụ) là ưu điểm của loại cảm biến này là sự đơn giản, độ tin cậy cao và giá thành thấp. Độ chính xác có thể đạt tới ±0, 20 C . Độ chính xác này phụ thuộc vào độ chính xác của cảm biến nhiệt độ đặt trong đầu đo, vào cấu tạo của đầu đo và điều kiện sử dụng (như sự lưu thông không khí, nhiệt độ môi trường). Nếu cảm biến được chuNn hóa, độ chính xác là ±10 C khi tốc độ lưu thông không khí thấp hơn 0,5m/s. Thời gian hồi đáp của đầu đo LiCl tương đối lớn, cỡ hang chục phút. Phạm vi đo nhiệt độ hóa sương của các chất nằm trong khoảng từ −100 C đến 600 C . Độ chính xác khi đo Td đối với các khoảng nhiệt độ hóa sương như sau: −100 C ≤ Td ≤ 340 C và 410 C ≤ Td ≤ 650 C , độ chính xác: ±10 C 340 C ≤ Td ≤ 410 C , độ chính xác: ±20 C 1.1.5. Ẩm kế biến thiên trở kháng Ẩm kế biến thiên trở kháng có phần tử nhạy là chất hút Nm. Khi sử dụng người ta đo sự thay đổi của một tính chất vật lý của nó (như điện trở hoặc điện dung) phụ thuộc vào độ Nm của môi trường. Các phần tử nhạy của cảm biến có kích thước rất nhỏ cho phép đo gần như theo điểm với thời gian hồi đáp nhỏ. Các chất hút Nm có khả năng chứa lượng nước thay đổi phụ thuộc vào độ Nm tương đối của không khí. Nếu muốn chế tạo cảm biến dựa trên nguyên tắc này cần phải sử dụng các chất có tính chất điện là hàm của lượng nước (tức là của độ Nm), hàm này phải ổn định theo thời gian, có tính thuận nghịch và tuyến tính. Các cảm biến độ Nm dựa trên nguyên lý biến thiên trở kháng được phân thành bao họ chính: - Ẩm kế điện trở; - Ẩm kế tụ điện dùng chất điện môi polymer; - Ẩm kế tụ điện dùng chất điện môi là Al2O3 a. Ẩm kế điện trở - Nguyên tắc hoạt động và phương pháp chế tạo