Lý thuyết bài giảng môn Kỹ thuật cảm biến và đo lường nội dung chương 10: Đo độ ẩm

lOMoARcPSD| 38777299
CHƯƠNG 10.- ĐO ĐỘ ẨM
10.1.- Khái niệm chung.
Độ ẩm là ại lượng vật lý ể chỉ một lượng hơi nước tồn tại trong một lượng
khí nhất ịnh tức là ộ ẩm ược xác ịnh như hàm lượng hơi nước trong không khí hay
trong các chất khí khác. Việc xác ịnh ộ ẩm óng vai trò rất quan trọng trong sản
xuất và ời sống hàng ngày. Giúp chúng ta kiểm soát ược ộ ẩm theo yêu cầu và mục
ích nhất ịnh.Theo thuật ngữ chuyên môn thì ộ ẩm không khí là nồng ộ hơi nước
trong không khí. Độ ẩm thường ược o lường là :
Độ ẩm tuyệt ối và ộ ẩm tương ối. Độ ẩm tuyệt ối bằng khối lượng hơi nước
có trong một ơn vị thể tích không khí hay chất khí ( ơn vị tính g/m3).
Điểm sương (ở nhiệt ộ và áp suất mà tại ó chất khí bắt ầu tích tụ hơi nước thành chất lỏng).
Độ ẩm tương ối (hoặc RH - Relative humidity) là tỷ lệ hàm lượng hơi ẩm của
không khí so với mức hơi ẩm bão hòa ở cùng nhiệt ộ và áp suất, nói cách khác ó là
tỷ số giữa ộ ẩm tuyệt ối với ộ ẩm cực ại (khi hơi nước bão hòa) ở nhiệt ộ và áp suất
ang xét. Độ ẩm tương ối tính bằng %.
Hoặc có thể ịnh nghĩa : Độ ẩm tương ối là tỷ số của lượng hơi nước của không
khí không bão hòa với lượng hơi nước của không khí bão hòa ở cùng một iều kiện nhiệt ộ và áp suất.
Trong thực tế thường sử dụng ộ ẩm tương ối. Độ ẩm
tương ối ký hiệu là : φ ( % ) p φ = n .100% = hn .100% nb pbh
trong ó : ωn lượng hơi nước của không khí không bão hòa,
ωnb lượng hơi nước của không khí bão hòa, phn
áp suất riêng phần của hơi nước, pbh áp suất riêng
phần của hơi nước bão hòa.
Độ ẩm là một thông số quan trọng tác ộng trực tiếp ến con người, ến thiết bị máy
móc và các quá trình lý hóa.
Độ ẩm thay ổi trong một dải rộng từ 30% ến 70%. Với ộ ẩm nhỏ hơn 35% bộ máy
tiêu hóa bị kích thích. Nếu lớn hơn 75% sự ra mồ hôi giảm nghiêm trọng.
Trong công nghiệp, ộ ẩm ảnh hưởng trực tiếp ến thiết bị, máy móc nhất là các thiết
bị iện, iện tử. Do vậy việc o, xác ịnh ộ ẩm và chống ẩm là nhiệm vụ rất quan trọng
trong các quá trình công nghệ, iều khiển và thiết kế chế tạo thiết bị. lOMoARcPSD| 38777299
Độ ẩm là một ại lượng vật lý, coi là một ại lượng không iện. Việc o, xác ịnh
một ại lượng vật lý là biến ổi những tin tức về ại lượng ó thành một dạng nào ó thích
hợp nhất ối với con người hoặc máy móc ở trình ộ phát triển của kỹ thuật. Thường
là biến ổi từ một ại lượng không iện thành một ại lượng iện.
Vai trò quan trọng ầu tiên trong việc thu thập thông tin o là các bộ chuyển ổi.
Các bộ cảm biến óng vai trò cực kỳ quan trọng trong lĩnh vực o lường và iều
khiển. Chúng cảm nhận và áp ứng theo các kích thích thường là các ại lượng không
iện, chuyển ổi các ại lượng này thành các ại lượng iện và truyền các thông tin về hệ
thống o lường iều khiển, giúp chúng ta nhận dạng ánh giá và iều khiển mọi
biến trạng thái của ối tượng.
10.2.- Cảm biến ộ ẩm.
Bộ cảm biến là thiết bị iện tử cảm nhận những trạng thái hay quá trình vật lý
hay hóa học ở môi trường cần khảo sát, và biến ổi thành tín hiệu iện ể thu thập thông
tin về trạng thái hay quá trình ó.
Cảm biến thường ược ặt trong các vỏ bảo vệ tạo thành ầu thu hay ầu dò (Test
probe), có thể có kèm các mạch iện hỗ trợ, và nhiều khi trọn bộ ó lại ược gọi luôn
là "cảm biến". Tuy nhiên trong nhiều văn liệu thì thuật ngữ cảm biến ít dùng cho vật
có kích thước lớn. Thuật ngữ này cũng không dùng cho một số loại chi tiết, như cái
núm của công tắc bật èn khi mở tủ lạnh, dù rằng về mặt hàn lâm núm này làm việc như một cảm biến.
Có nhiều loại cảm biến khác nhau và có thể chia ra hai nhóm chính : -
Cảm biến vật lý: sóng iện từ, ánh sáng, tử ngoại, hồng ngoại, tia X, tia
gamma, hạt bức xạ, nhiệt ộ, áp suất, âm thanh, rung ộng, khoảng cách, chuyển ộng,
gia tốc, từ trường, trọng trường,... -
Cảm biến hóa học: ộ ẩm, ộ PH, các ion, hợp chất ặc hiệu, khói,...
Cảm biến ẩm thường có hai loại : -
Loại thứ nhất dựa trên hiện tượng vật lý cho phép xác ịnh ộ ẩm : ẩm kế
ngưng tụ, ẩm kế iện ly. -
Loại thứ hai dựa trên tính chất của vật có liên quan ến ộ ẩm : ẩm kế trở
kháng, cảm biến iện dung, nhiệt dẫn.
10.2.1.- Ẩm kế biến thiên trở kháng.
Ẩm kế biến thiên trở kháng là các cảm biến iện trở và tụ iện mà các phần tử
nhạy là các chất hút ẩm. Tính chất iện ( iện trở, iện dung) của các cảm biến phụ
thuộc vào ộ ẩm của môi trường. Các cảm biến ộ ẩm dựa trên nguyên lý biến thiên
trở kháng ược phân thành ẩm kế iện trở và ẩm kế tụ iện.
a.- Ẩm kế iện trở. lOMoARcPSD| 38777299
Ẩm kế iện trở là các thiết bị o ộ ẩm dựa trên các cảm biến iện trở, chúng ược phân thành hai loại : -
Điện trở kim loại : là một ế có kích thước nhỏ cỡ vài mm2 ược phủ
chất hút ẩm và gắn hai iện cực bằng kim loại không bị ăn mòn và ôxy hóa. Giá trị
iện trở o ược giữa hai cực phụ thuộc vào hàm lượng nước (tỷ số giữa khối lượng
nước hấp thụ với khối lượng chất khô) và vào nhiệt ộ chất hút ẩm. Hàm lượng nước
lại phụ thuộc vào ộ ẩm tương ối và nhiệt ộ (hình 10.1). Rv 80 60 40 20 10 8 6 4 2 1 0 0 20 40 60 80 100 U (%)v Hình 10.1.- Đường
cong ặc trưng cho sự phụ
thuộc của iện trở với ộ ẩm tương ối. -
Chất iện phân : là nhưng chất dẫn iện, iện trở của chúng phụ thuộc
vào thể tích trong ó thể tích bị thay ổi theo hàm lượng nước. Do ó có thể biến ổi ộ
ẩm tương ối thành tín hiệu iện.
Thực tế, iện trở Rm phụ thuộc ồng thời cả ộ ẩm tương ối và cả nhiệt ộ. Với
cảm biến iện trở có thể sử dụng với dải o từ 5 % ến 95 % và dải nhiệt ộ từ 10 oC ến
50 oC hoặc 60 oC. Thời gian hồi áp cỡ 10 giấy và sai số là ± 2 ÷ 5 %.
b.- Ẩm kế tụ iện.
Giả sử có một tụ iện, giữa hai bản cực là không khí, có thể coi như cảm biến
o ộ ẩm là do hơi ẩm có trong không khí làm thay ổi hằng số iện môi và ược xác ịnh theo công thức : ε = 1 + 211 ( P + 48pbh .U ).10-6 T T
trong ó : T là nhiệt ộ tuyệt ối (o K)
P là áp suất của khí ẩm (mmHg)
pbh là áp suất hơi nước bão hòa ở nhiệt ộ T (mmHg) U
là ộ ẩm tương ối (%). lOMoARcPSD| 38777299
Từ công thức trên, nhận thấy hằng số iện môi của khí ẩm tức là iện dung của tụ tỷ
lệ với ộ ẩm tương ối. Nếu thay ổi không khí bằng một chất iện môi khác giữa hai
tấm cực của tụ iện thì có thể tạo ra một cảm biến o ộ ẩm.
b.1.- Ẩm kế tụ iện polymer.
Hình 10.2.- Ẩm kế tụ iện Polymer.
Hình 10.2 mô tả cảm biến tụ iện Polymer, gồm một màng polymer có ộ dày 6 ÷ 12
μm có khả năng hấp thụ hơi nước. Lớp polymer ược phủ trên iện cực thứ nhất là
tantan, sau ó tiếp tục phủ lên polymer một lớp Crôm dày 100 ÷ 10000 Ao làm iện
cực thứ hai. Lớp Crôm gây nên các vết nứt làm tăng khả năng tiếp xúc của lớp này
với không khí. Thời gian hồi áp của tụ phụ thuộc vào ộ dầy của lớp iện môi (cỡ vài
giây). Với cảm biến tụ iện Polymer có thể o ộ ẩm trong dải từ 0% ÷ 100%, dải nhiệt
ộ làm việc từ - 40oC ÷ 100oC, sai số từ 2% ÷ 3%.
b.2.- Ẩm kế tụ iện Al2O3.
Ẩm kế tụ iện Al2O3 là một tụ iện trong ó Al2O3 là chất iện môi (hình 10.3), ược chế
tạo bằng phương pháp Anot hóa bản thân tấm nhôm làm iện cực thứ nhất của tụ.
Hình 10.3.- Sơ ồ cấu trúc và mạch tương ương của cảm biến.
a.- sơ ồ cấu trúc tụ iện Al2O3 ; b.- Sơ ồ tương ương. lOMoARcPSD| 38777299
Điện cực thứ hai là một màng kim loại mỏng ược tạo thành trên mặt kia của
lớp iện môi. Chiều dày của lớp Al2O3 nhỏ hơn hoặc bằng 0,3 μm. Sự thay ổi trở
kháng của tụ phụ thuộc vào áp suất riêng phần của hơi nước mà không phụ thuộc
vào nhiệt ộ. Quá trình anot hóa ược thực hiện bằng iện phân dung dịch H2SO4 với
tấm nhôm làm anot. Oxy hình thành trên Al và ôxy hóa bề mặt tạo thành Al . Lớp 2O3
ôxýt nhôm có cấu trúc xốp nên tiếp xúc tốt với không khí ẩm.
Điện cực thứ hai phủ lên lớp Al2O3 có thể dùng ồng (Cu), vàng (Au) platin (Pt), Niken-Crôm và Nhôm. Cảm biến tụ iện Al ) trong phạm v
2O3 cho phép o nhiệt ộ iểm sương (tS i thay
ổi từ - 80oC ến 70oC với giải áp từ 0 ến 100 Pa, thời gian hồi áp cỡ vài giây.
Cảm biến trên có nhược iểm không sử dụng ược trong môi trường chứa chất
ăn mòn như NaCl, lưu huỳnh …
10.3.- Các phương pháp o ộ ẩm.
10.3.1.- Phương pháp bốc hơi ẩm. Nguyên lý :
Tốc ộ bốc hơi nước từ một vật ẩm phụ thuộc vào ộ ẩm của không khí. Khi ộ ẩm
càng tăng thì tốc ộ bốc hơi ẩm càng giảm và khi ộ ẩm ạt 100 % thì quá trình bốc hơi
ẩm hầu như không xẩy ra. Như vậy nếu o ược tốc ộ bốc hơi ẩm thì qua ó có thể xác
ịnh ược ộ ẩm của không khí tức là dựa vào mối liên hệ giữa tốc ộ bốc hơi ẩm và ộ ẩm môi trường.
Quá trình bốc hơi nước là quá trình thu nhiệt nên thân nhiệt của vật ẩm sẽ giảm
xuống thấp hơn nhiệt ộ bình thường. Tốc ộ bốc hơi nước càng tăng, cường ộ nhiệt
tổn hao càng lớn, nhiệt ộ của vật ẩm càng hạ thấp. Như vậy mức ộ hạ nhiệt của vật
ẩm là ại lượng ặc trưng cho tốc ộ bốc hơi ẩm và cũng chính là ại lượng mà qua ó
xác ịnh ộ ẩm của không khí.
Để o ộ ẩm theo phương pháp bốc hơi ẩm thường sử dụng hai nhiệt kế dịch thể. Một
nhiệt kế bình thường dùng o nhiệt ộ không khí, gọi là nhiệt kế khô, có nhiệt ộ tk.
Nhiệt kế thứ hai có bầu dịch ược bọc một lớp bông luôn luôn ẩm. Bông ẩm bốc hơi
lấy nhiệt của thân nhiệt kế nên nhiệt ộ của nó giảm xuống và có giá trị là ta và ược
gọi là nhiệt ộ của nhiệt kế ẩm.
Quá trình bốc hơi của bề mặt nhiệt kế ẩm xẩy ra mạnh khi ộ ẩm môi trường thấp.
Hiệu hai nhiệt ộ này phụ thuộc vào tốc ộ bốc hơi của nhiệt kế ẩm tức là phụ thuộc
vào ộ ẩm của môi trường.
Có thể xác ịnh ược lượng ẩm bay ra từ bầu nhiệt kế ẩm theo công thức : W a =
( p pbha h).101,3.103.F ( 1 ) po lOMoARcPSD| 38777299
Khi quá trình ã ổn ịnh, nhiệt lượng cần thiết cho quá trình bay hơi ược lấy từ
không khí bao xung quanh bầu nhiệt kế ẩm, ược xác ịnh theo công thức :
Q = α . ( tk - ta ) . F ( 2 )
trong ó : β' hệ số trao ổi chất ( Kg/s.m2.Pa )
pbha áp suất bão hòa của hơi nước ứng với nhiệt ộ nhiệt kế ẩm (Pa)
ph phân áp suất của hơi nước có trong không khí ẩm (Pa)
F diện tích bề mặt của bầu nhiệt kế ẩm (giả sử toàn bộ diện tích này ược làm ẩm) (m2).
po áp suất khí quyển (Pa) α hệ số tỏa nhiệt (W/m2. ộ)
t và ta nhiệt ộ của nhiệt kế khô và nhiệt ộ nhiệt kế ẩm (oC). Khi quá trình bay hơi
ã ổn ịnh thì lượng nhiệt ẩn ứng với số lượng ẩm Wa nói trên có giá trị bằng : Q' = Wa . r ( 3 )
Nhìn chung, có thể xem Q = Q' , lúc ó ta có : α.( t - ta ).F = r . ( p p bha
h).101,3.103.F po
Từ ó : pbha - ph = A . ( tk - ta ) . po ( 4 ) trong ó : A = '
3 gọi là hệ số bốc hơi ẩm, nó phụ thuộc nhiều r. .101,3.10
vào tốc ộ gió trong khu vực ang khảo sát,
cấu tạo của nhiệt kế ẩm và ược xác ịnh theo công thức tính gần úng : 6,75 -5 A = ( 65 + ) . 10 v
lúc này : v tốc ộ gió ở lân cận bầu nhiệt kế ẩm ( m/s )
Từ công thức ( 4 ) có thể xác ịnh công thức tính phân áp suất của hơi nước có trong
không khí ẩm ang khảo sát là :
ph = pbha - A.( tk - ta ).po ( 5 ) lOMoARcPSD| 38777299
Từ phương trình ( 5 ) có thể tính ược ộ ẩm tương ối dựa theo các giá trị t t nhiệt ộ t k a).
k và ta như sau : φ = phn = pbha A.( po pbh pbh
trong ó : pbh áp suất hơi nước bão hòa ứng với nhiệt ộ khô (Pa)
Chú ý : giá trị áp suất pbh hoàn toàn không phụ thuộc vào pkq . Ở iều kiện
thường gập của kỹ thuật iều hòa không khí có thể nhận A = 6,66 . 10-4 1/ ộ.
Hệ số A sẽ giảm nhanh khi tốc ộ dòng không khí thổi tăng lên và thấy khi v = 2,5
÷ 3 m/s thì hệ số A gần như không ổi và lúc ó nó có giá trị : A = 0,00067
Để tạo ra nhiệt kế ẩm thường quấn vải xung quanh bầu thủy ngân của nhiệt kế rồi
em thấm ướt nó. Yêu cầu của lớp vải quấn là phải có khả năng hút nước tốt. Nhiệt
ộ của nước ể thấm ướt lớp vải bọc không cần phải khác so với nhiệt ộ môi trường.
Ẩm kế bốc hơi nên lắp ặt ở những vị trí kín gió ể tránh ảnh hưởng của gió lên tốc ộ bốc hơi ẩm.
10.3.2.- Phương pháp iểm sương.
Cơ sở lý thuyết của phương pháp iểm sương là dựa vào tính chất chuyển trạng thái
của không khí từ không bão hòa hơi nước sang bão hòa hơi nước khi giảm nhiệt ộ.
Trước hết o nhiệt ộ của không khí và dựa vào giá trị nhiệt ộ này xác ịnh áp suất hơi
nước bão hòa trong không khí Pmax (tra theo các bảng chuẩn). Giảm nhiệt ộ của
không khí cho ến khi nó chuyển trạng thái không bão hòa sang trạng thái bão hòa
hơi nước và o nhiệt ộ ở trạng thái này. Nhiệt ộ này ược gọi là nhiệt ộ iểm sương, bởi
vì ây là nhiệt ộ mà hơi nước trong không khí bắt ầu ngưng ọng thành sương. Để phát
hiện thời khắc này thì ặt một cái gương ể quan sát. Khi trên mặt gương bắt ầu phủ
mờ bụi nước thì ó chính là iểm sương. Dựa vào nhiệt ộ iểm sương xác ịnh áp suất
hơi nước bão hòa Ps . Đây cũng chính là áp suất hơi nước trong không khí. Độ ẩm
tương ối ược xác ịnh theo công thức : P φ = s . 100 % Pmax
Như vậy phương pháp iểm sương o ược ộ ẩm tuyệt ối và tương ối.
10.3.3.- Phương pháp biến dạng.
Các chất khi thay ổi ộ ẩm ều thay ổi kích thước. Dựa vào sự biến dạng của những
vật thể hút ẩm vào ộ ẩm mà nó hút ược có nghĩa là phụ thuộc vào ộ ẩm môi trường
xung quanh nó. Tuy nhiên muốn sử dụng tính chất này ể làm cảm biến o ộ ẩm òi hỏi
phải ảm bảo ộ nhạy cần thiết, mối liên hệ giữa kích thước và ộ ẩm phải nhất quán,
quán tính của cảm biến phải nhỏ nghĩa là vật chất làm cảm biến o ộ ẩm phải nhạy
cảm với sự thay ổi ộ ẩm của môi trường xung quanh. Tóc là vật liệu ảm bảo ầy ủ
những yêu cầu cơ bản trên ây của một cảm biến o ộ ẩm và ã ược sử dụng ể chế tạo lOMoARcPSD| 38777299
ra ẩm kế tóc (tóc ã ược khử dầu) tức là sử dụng sự thay ổi chiều dài của sợi tóc khi
ộ ẩm thay ổi. Ẩm kế tóc o ược ộ ẩm tương ối của không khí.
10.3.4.- Phương pháp iện dẫn.
Các vật liệu cách iện khi thay ổi ộ ẩm sẽ thay ổi khả năng cách iện của nó
(thay ổi hệ số dẫn iện). Đo iện trở của vật liệu cách iện sẽ xác ịnh ược ộ ẩm của nó
mà ộ ẩm của vật liệu lại trực tiếp phụ thuộc vào ộ ẩm của môi trường không khí bao quanh nó.
Một vật liệu cách iện ược sử dụng làm cảm biến o ộ ẩm phải tuân thủ những yêu
cầu cơ bản ã ược nêu ra trên ây về ộ nhạy, về tính nhất quán và về tính nhạy cảm
với sự thay ổi ộ ẩm môi trường xung quanh.
Cũng có thể sử dụng các chất hút ẩm ể làm cảm biến o nhiệt ộ theo nguyên lý iện
dẫn. Bởi vì khi ộ ẩm môi trường khí quyển thay ổi thì ộ ẩm mà nó hút ược cũng thay
ổi ể ảm bảo sự cân bằng áp suất hơi nước trong không khí và trên bề mặt chất hút
ẩm, dẫn ến hệ số iện dẫn của chất hút ẩm cũng thay ổi theo. Có thể sử dụng nguyên
lý tạo sự cân bằng áp suất hơi nước trong khí quyển và áp suất hơi nước bão hòa
trên bề mặt chất hút ẩm bằng cách thay ổi nhiệt ộ của chất hút ẩm.
10.4.- Thiết bị o ộ ẩm.
10.4.1.- Thiết bị o ộ ẩm không tự ộng.
a.- Ẩm kế Assmann.
Ẩm kế Assmann (hình 10.4.a) gồm có hai nhiệt kế thủy ngân có cấu tạo như nhau,
một nhiệt kế làm nhiệt kế khô, nhiệt kế còn lại tại bầu nhiệt ược quấn vải rồi em
thấm ướt dùng làm nhiệt kế ướt. Để ạt ược một nhiệt ộ xác ịnh, khí i qua các bầu
nhiệt cần ược thổi với vận tốc lớn hơn 2 m/s nhờ một quạt gió. Áp suất riêng phần
của hơi nước trong khí có thể tính ược theo công thức :
p = pư - 0,00066.b.( tk - tư ) trong ó :
b - chiều cao của Barometer, tính bằng Torr. tk
, tư - nhiệt ộ khô và nhiệt ộ ướt o ược.
pư - áp suất bão hòa ở nhiệt ộ tư. a) b) lOMoARcPSD| 38777299
Hình 10.4.- Sơ ồ nguyên tắc ẩm kế Assmann.
a.- Sơ ồ nguyên tắc ẩm kế Assmann loại cổ iển ; b.- Ẩm kế o theo phương pháp bốc hơi ẩm.
Trường hợp không có ẩm kế Assmann ta có thể xác ịnh ộ ẩm môi trường theo
phương pháp bốc hơi ẩm bằng thiết bị mô tả ở hình 10.4.b. b.- Ẩm kế tóc.
Cấu tạo gồm : chùm sợi tóc có ầu trên buộc cố ịnh, ầu dưới vắt qua một ròng
rọc nhỏ và buộc vào vật nặng P. Nếu ộ ẩm tỉ ối của không khí tăng (hoặc giảm thì
chùm sợi tóc C bị dãn ra (hoặc co lại) và làm quay ròng rọc, do ó kim S gắn với trục
của ròng rọc sẽ quay theo trên mặt chia ộ ghi sẵn các gía trị của ộ ẩm tỉ ối.
Ẩm kế tóc là loại ẩm kế ơn giản nhất dùng o ộ ẩm tỉ ối của không khí nhưng
có ộ chính xác không cao.
Hình 10.5.- Cấu tạo ẩm kế tóc.
c.- Ẩm kế iểm sương.
Cấu tạo thiết bị gồm : -
Bình trụ : bằng kim loại mạ sáng bóng ặt nằm ngang và bên trong
chứa một phần ête lỏng. -
Ống thủy tinh : ầu dưới của bình có nhiều lổ nhỏ ược nhúng vào
ête lỏng trong bình trụ. -
Quả bóp cao su : nối với ầu trên của ống thủy tinh. lOMoARcPSD| 38777299
Nguyên lý hoạt ộng : quả bóp cao su dùng ể bơm không khí vào bình trụ, làm
ête bay hơi nhanh và do ó bình bị lạnh dần. Khi nhiệt ộ bình giảm xuống dưới nhiệt
ộ nào ó, hơi nước trong không khí trở nên bão hòa và ọng thành sương. Nhiệt ộ ó
ược gọi là iểm sương. Để dễ quan sát lúc sương xuất hiện trên mặt trước của bình,
người ta lắp thêm vành tròn bằng kim loại mạ sáng bóng cách nhiệt với bình ở mặt
trước của nó. Đọc giá trị iểm sương trên nhiệt kế và dựa vào bảng tra cứu, ta có thể
xác ịnh ược ộ ẩm tỉ ối của không khí ở nhiệt ộ cho trước với ộ chính xác khá cao.
Hình 10.6.- Ẩm kế iểm sương.
10.4.2.- Thiết bị o ộ ẩm tự ộng.
a.- Thiết bị o ộ ẩm bằng phương pháp bốc hơi ẩm : hình 10.7. I R8 II
Hình 10.7.- Sơ ồ cấu tạo thiết bị o ộ ẩm bằng phương pháp bốc hơi ẩm. lOMoARcPSD| 38777299
Hệ thống thiết bị ược cấu tạo bởi hai cầu : -
Cầu I gồm : iện trở R1 , R2 , R3 , Rk . -
Cầu II gồm : iện trở R1 , R8 , R4 , Ra , R3 .
trong ó : Rk - nhiệt kế iện trở khô.
Ra - nhiệt kế iện trở ẩm.
R5 , R6 - dùng hiệu chỉnh giá trị thang o.
R8 , R9 - dung giảm dòng qua nhiệt kế ẩm.
Nguồn cung cấp cho hai cầu là nguồn xoay chiều có iện áp 6,3 V.
Điện áp mất cân bằng Uab của cầu I tỷ lệ với nhiệt ộ nhiệt kế khô. Điện áp mất cân
bằng Udc của cầu II tỷ lệ với nhiệt ộ của nhiệt kế ẩm. Như vậy, iện áp giữa hai iểm
c, d sẽ tỷ lệ với hiệu nhiệt ộ của nhiệt kế khô và nhiệt kế ẩm.
Khi xuất hiện iện áp Ucd thì iện áp này ược ưa vào bộ khuếch ại, tín hiệu ra của bộ
khuếch ại sẽ iều chỉnh ộng cơ ảo chiều quay sao cho Ucd tiến tới 0. Vị trí của ộng cơ
ảo chiều xác ịnh ộ ẩm tương ối của môi trường o.
Sai lệch của dụng cụ khi nhiệt ộ xung quanh + 20 oC sẽ không vượt quá ± 0,5 %.
Giới hạn o của dụng cụ từ 20 % ÷ 100 %. Thiết bị ược chia làm 3 khoảng o : - Từ 15 oC ÷ 40 oC. - Từ 40 oC ÷ 70 oC. - Từ 70 oC ÷ 100 oC.
b.- Thiết bị o ộ ẩm bằng phương pháp biến dạng : hình 10.8. lOMoARcPSD| 38777299
Hình 10.8.- Sơ ồ cấu tạo thiết bị o ộ ẩm bằng phương pháp biến dạng.
Cấu tạo thiết bị gồm hai phần :
- Phần chuyển ổi : là một biến áp vi sai, cấu tạo bởi cuộn sơ cấp I và hai
cuộn thứ cấp IIa , IIb ược mắc xung ối với nhau. Cuộn sơ cấp ược cung
cấp bởi nguồn iện xoay chiều có iện áp 6,3 V và có một biến trở R dùng
iều chỉnh dòng cuộn sơ cấp.
Trong biến áp vi sai có ặt lõi pherít 2, ầu trên của lõi ược gắn với lò xo 3 làm nhiệm
vụ iều hòa sự thay ổi chiều dài của chum tóc 1 và ể giữ cân bằng của lõi pherít trong
biến áp vi sai. Một chum àu tóc ược gắn cố ịnh, ầu còn lại ược gắn với lõi pherít.
Khi ưa iện áp xoay chiều vào cuộn sơ cấp của biến áp vi sai, trong hai cuộn dây thứ
cấp IIa và IIb sẽ xuất hiện dòng iện cảm ứng nhưng lại phụ thuộc vào vị trí của lõi
pherít. Nếu lõi pherít nằm chính giữa thì iện áp ra của cuộn thưc cấp Ura = 0. Nếu
lõi pherít dịch chuyển lên trên thì UIIa ˃ UIIb và iện áp ra của cuộn thứ cấp Ura = UIIa - UIIb và ngược lại.
- Phần mạch o : là một cầu ược cấu tạo bởi các iện trở R1 , R2 , R3 . Điện
trở R4 dùng iều chỉnh giá trị thang o.
Khi ộ ẩm tương ối bên ngoài thay ổi sẽ làm chiều dài chum tóc thay ổi nên làm cho
lõi pherít thay ổi vị trí và làm xuất hiện iện áp ra ở cuộn thứ cấp. Nếu có sự sai lệch
thì ược ưa vào bộ khuếch ại, tín hiệu ra của bộ khuếch ại sẽ iều chỉnh ộng cơ ảo
chiều quay nhằm iều chỉnh con trượt trên biến trở R3 ể cầu tiến tới triệt tiêu sai lệch.
Khi sự sai lệch hết thì ộng cơ ảo chiều ngừng quay và vị trí con chạy trên biến trở
R3 sẽ xác ịnh giá trị của ộ ẩm tương ối.
c.- Thiết bị o ộ ẩm bằng phương pháp iểm sương : hình 10.9.
Thiết bị o ộ ẩm bằng phương pháp iểm sương còn ược gọi là ẩm kế quang (gương).
Sơ ồ khối ơn giản của một ẩm kế gương loại nhỏ mô tả trên hình 10.8. lOMoARcPSD| 38777299
Hình 10.9.- Ẩm kế quang (gương).
Nguyên lý hoạt ộng :
Nhiệt ộ iểm sương (t ) là nhiệt ộ cần phải làm lạnh không khí ẩm xuống tới ó S
ể ạt trạng thái bão hòa ở iều kiện ẳng dung ẩm (d = const). Đó chính là nhiệt ộ ể sao
cho áp suất hơi nước bão hòa ở nhiệt ộ iểm sương (p ) bằng áp suất hơi nước bão S
hòa ở nhiệt ộ môi trường (pt).
Từ ịnh nghĩa về nhiệt ộ iểm sương có thể thấy nguyên lý hoạt ộng cơ bản của ẩm
kế quang là sử dụng một gương phản chiếu mà nhiệt ộ bề mặt của nó ược iều chỉnh
chính xác nhờ một thiết bị iện cung cấp nhiệt ộ. Nhiệt ộ gương ược iều chỉnh ở ngưỡng tS.
Không khí cần o ộ ẩm ược dẫn qua bề mặt gương và hệ thống iều khiển làm lạnh
gương (dựa trên hiệu ứng Peltier hoặc Nitơ lỏng) cho ến khi xuất hiện sự ngưng tụ
nước. Khi xuất hiện lớp sương trên bề mặt gương, ánh sáng bị tán xạ ến ầu thu quang
và kích thích bộ phận phát tín hiệu làm nóng gương thông qua hệ iều khiển. Khi
nhiệt ộ gương tăng, lớp sương biến mất và chấm dứt hiện tượng tán xạ ánh sáng,
chu kỳ sau làm lạnh lại bắt ầu. Với sự hiệu chỉnh thích hợp sẽ nhận ược lớp ngưng
tụ với ộ dày xác ịnh và tạo ược trạng thái cân bằng giữa hơi nước và lớp ngưng tụ.
Cảm biến nhiệt ộ ặt sau gương cho phép xác ịnh và iều chỉnh nhiệt ộ gương.
Cấu tạo ẩm kế quang : một bơm nhiệt dựa trên hiệu ứng Peltier. Bơm nhiệt chuyển
ến bề mặt gương mỏng ã gắn cảm biến nhiệt ộ. Cảm biến này là một phần của cặp
nhiệt số ể chỉ nhiệt ộ gương. Mạch của ẩm kế ược mắc kiểu vi sai. Với hệ thống
optocouple phía dưới ể o ộ phản chiếu của gương.
Thiết bị có hai bộ optocouple : bộ optocouple phía trên và bộ optocouple phía dưới.
Cảm biến ược cân bằng quang nhờ bộ chắn ánh sáng của hệ thống optocouple
phía trên. Bộ optocouple phía trên gồm các èn LED và Phototranzitor (bộ thu quang) lOMoARcPSD| 38777299
dùng ể bù trôi. Các èn LED và bộ thu quang của bộ optocouple phía trên ược bố trí lệch một góc 45o.
Bơm nhiệt iều khiển nhiệt ộ gương ở phía dưới. Tại thời iểm nước ngưng tụ,
ặc tính gương giảm bất ngờ tạo nên sự thay ổi dòng ánh sáng ở bộ thu quang. Tín
hiệu của bộ thu quang qua bộ iều khiển iều chỉnh dòng iện qua bơm nhiệt ể duy trì
theo nhiệt ộ trên bề mặt gương ở mức iểm sương cho ến trạng thái ổn ịnh.
Ưu iểm của ẩm kế quang là có phạm vi o rộng từ - 70 oC ến 100 oC, ộ chính
xác cao ± 0,2% và có thể làm việc trong môi trường ăn mòn.
Nhược iểm của thiết bị là có cấu tạo phức tạp, giá thành ắt và phải hiệu chỉnh thường xuyên.
Hình 10.10.- Sơ ồ bơm nhiệt Peltier, các chân nhiệt ặt song song, nhưng nối tiếp về iện.
Hiệu ứng nhiệt iện, hay hiệu ứng Peltier-Seebeck, là sự chuyển nhiệt năng
trực tiếp thành iện năng và ngược lại, trên một số kết nối giữa hai vật dẫn iện khác
nhau. Kết nối này thường gọi là cặp nhiệt iện. Cụ thể, chênh lệch nhiệt ộ giữa hai
bên kết nối sinh ra một hiệu iện thế giữa hai bên kết nối và ngược lại. Hiệu ứng này
là cơ sở cho ứng dụng trong một số máy lạnh và máy phát iện, không có các bộ phận chuyển ộng.
Nguyên lý hoạt ộng.
Năm 1821, Thomas Johann Seebeck phát hiện ra rằng hai dây dẫn khác loại
nối với nhau và ặt ở hai nhiệt ộ khác nhau (tức là có gradient nhiệt) thì tạo ra một
iện áp. Sự chênh nhiệt dẫn ến dòng nhiệt truyền, làm khuếch tán các hạt mang iện.
Dòng chảy của các hạt mang iện giữa các vùng nóng và lạnh lại tạo ra một iện áp khác nhau.
Năm 1834, Jean Charles Athanase Peltier phát hiện ra hiệu ứng ngược lại,
rằng một dòng iện chạy qua mối nối nhau của hai dây dẫn khác loại nhau, thì tùy lOMoARcPSD| 38777299
thuộc vào chiều dòng iện, làm cho nó hoạt ộng như một phần tử làm nóng hoặc làm mát.
Hiệu ứng ược gọi là hiệu ứng Peltier và Bơm nhiệt Peltier hoạt ộng theo hiệu ứng này.
d.- Máy o ộ ẩm iện tử.
Là một thiết bị iện tử có kiểu dáng nhỏ gọn dạng ể bàn hoặc treo tường, dùng
ể o ộ ẩm tương ối trong không khí. Trong máy o ộ ẩm sẽ có một ầu dò nhạy với ộ
ẩm của không khí, tất cả các dữ liệu o ược sẽ hiển thị trên màn hình của Ẩm kế.
Thông thường máy o ộ ẩm dạng này sẽ ược tích hợp luôn ầu dò ể o luôn nhiệt
ộ của không khí. Ngoài ra trong các máy o ộ ẩm hiện ại sẽ có thêm các tính năng
tiện ích khác như : Hiển thị thời gian, lịch, hay thêm phần o áp suất khí quyển, dự
báo thời tiết, ặt giờ, lịch mặt trăng ...
Hình 10.11.- Máy o ộ ẩm iện tử.