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:
r=

-

mV
ma

(1.1)

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:
U=

pV
.100

ps (T )

(1.2)

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:
r =δ

pv
P − pv

(1.5)

Trong đó:
δ=

Mv
≅ 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)

C pa P − ps (Th )
.
δ LTh
P

(1.7)

Trong đó:

A=

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
quang

Nguồn sáng

Hiệu chỉnh

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
Độ Nm tương đối

Nhiệt độ

Áp suất hơi trên

Áp suất hơi trên

dung dịch

mặt nước

mặt LiCl

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

U=

ps ( LiCl , T )
(%)
ps ( H 2O, T )

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


Trong Nm kế điện trở, người ta dùng một lượng nhất định chất hút Nm phủ
lên đế có kích thước nhỏ (vài mm 2 ). Trên đế này cũng đồng thời phủ thêm hai điện
cực bằng kim loại không bị oxy hóa. Giá trị của điện trở R đo được giữa hai điện
cực phụ thuộc vào hàm lượng nước (tỷ số giữa khối lượng nước hấp thụ và khối
lượng chất khô) và vào nhiệt độ chất hút Nm, mà hàm lượng nước lại phụ thuộc vào
độ Nm tương đối và nhiệt độ (hình 1.4).
X

10°C

0

50°C

80°C

U (%)

100

Hình 1.4. Hàm lượng nước trong chất hấp thụ là hàm của độ "m và nhiệt độ
Một số nhà chế tạo dùng chất lỏng làm chất hút Nm. Các chất điện phân là
những chất dẫn điện. Điện trở của chúng phụ thuộc vào thể tích, mà thể tích lại thay
đổi theo hàm lượng nước. Người ta sử dụng tính chất này để tìm cách biến đổi độ
Nm tương đối thành tín hiệu điện. Trên hình 1.5.a biểu diễn đường cong đặc trưng
cho sự phụ thuộc của điện trở vào độ Nm tương đối của phần tử nhạy của Nm kế. Có
thể thấy rằng phạm vi thay đổi điện trở của Nm kế tương đối rộng, từ 1 MΩ đến tận

80 MΩ.
Trên thực tế, điện trở Rm của Nm kế phụ thuộc đồng thời vào độ Nm tương
đối và nhiệt độ. Tuy vậy, ảnh hưởng của nhiệt độ có thể bù trừ bằng cách sử dụng
sơ đồ mạch đo thế như biểu diễn trên hình 1.5.b. Trong mạch này điện trở RA mắc
nối tiếp với Rm và có cùng hệ số nhiệt với Rm .


Hình 1.5.a. Sự phụ thuộc của điện trở vào độ "m tương đối

Rm
G

V1

~

RA

V2

Hình 1.5.b. Mạch đo có "m kế điện trở
- Các đặc trưng:
Các đặc trưng đo lường chủ yếu của Nm kế điện trở biến thiên được liệt kê như sau:
- Dải đo độ Nm:

từ 5% đến 95%

- Dải nhiệt độ:

từ −100 C đến +50 hoặc 600 C

- Thời gian hồi đáp:

~ 10s

- Độ chính xác:

±2% đến ±5%

b. Ẩm kế tụ điện polymer
Ẩm kế tụ điện dùng chất điện môi polymer là một màng polymer dày cỡ µm
có khả năng hấp thụ phân tử nước của không khí. Sự hấp thụ hơi nước này làm thay
đổi hằng số điện môi ε của lớp polymer do đó làm thay đổi điện dung của tụ điện


dùng lớp polymer này làm chất điện môi. Thực nghiệm cho thấy, sự thay đổi của
điện dung tụ điện là hàm tuyến tính của độ Nm với một hệ số ít phụ thuộc vào nhiệt
độ.
Lớp polymer được phủ trên điện cực thứ nhất bằng tantan, sau đó một lớp Cr
0

0

dày 100 A÷ 10000 A được phủ tiếp lên polymer bằng phương pháp bay hơi trong
chân không để làm điện cực thứ hai. Lớp phủ Cr gây nên các vết nứt trong lớp điện
môi làm tăng khả năng tiếp xúc của lớp này với không khí của môi trường nghiên
cứu, do vậy trên thực tế thời gian hồi đáp của Nm kế không phụ thuộc vào bề dày
lớp điện môi.
Các đặc trưng đo lường chủ yếu của Nm kế tụ điện dùng chất điện môi là
polymer như sau:

-

Phạm vi đo: từ 0% đến 100% trong dải nhiệt độ làm việc thay đổi từ -

400 C đến 800 C hoặc 1000 C ;

-

Độ chính xác: từ ±2% đến ±3% ;

-

Thời gian hồi đáp: cỡ vài giây.

Ngoài ra phải kể đến một số đặc tính ưu việt khác của cảm biến như: ít chịu
ảnh hưởng của nhiệt độ, phần tử nhạy cảm có thể nhúng vào nước mà không bị hư
hỏng.
c. Ẩm kế tụ điện Al2O3
Trong Nm kế này, lớp điện môi là Al2O3 được chế tạo bằng phương pháp
anot hóa tấm nhôm, và bản than tấm nhôm đóng vai trò là điện cực thứ nhất của tụ
điện. Điện cực thứ hai là một màng mỏng kim loại được chế tạo trên mặt kia của
lớp điện môi (hình 1.6).


Điện cực ngoài

R1
C0
R0
C2

R2

Điện cực trong
Hình 1.6. Sơ đồ cấu tạo và mạch tương đương của "m kế tụ điện Al2O3
Các kết quả nghiên cứu cho thấy, nếu chiều dày lớp Al2O3 nhỏ hơn 0,3µm thì
thay đổi trở kháng của tụ điện chỉ phụ vào áp suất riêng phần của hơi nước và
không phụ thuộc vào nhiệt độ, do vậy có thể đo độ Nm tuyệt đối của môi trường.
Quá trình anot hóa để tạo lớp điện môi được thực hiện bằng cách điện phân
dung dịch axit sunfuric H 2 SO4 trong nước dùng nhôm làm anot. Oxy hình thành
trên điện cực Al sẽ oxy hóa bề mặt điện cực này thành Al2O3 . Oxit nhôm là chất
cách điện nên sẽ tạo thành nhiều điểm đánh thủng làm cho lớp này có cấu trúc xốp.
Thí dụ: trong bể chứa axit H 2 SO4 nồng độ 15% ở nhiệt độ 100 C điện phân dưới điện
áp 15V, sẽ được lớp oxit nhôm xốp chứa 7,7.1010 lỗ hổng trên diện tích 1 cm 2 ,
0

đường kính lỗ hổng thay đổi trong khoảng 100 ÷ 300 A . Như vậy, tương ứng với bề
mặt ngoài bằng 1 cm 2 sẽ có bề mặt hấp thụ bằng 0, 2m 2 .
Để thay đổi hình dạng và sự phân bố lỗ hổng (tức là thay đổi tính chất của lớp điện
môi đối với độ Nm) có thể tác động bằng nhiều cách như:
-

Thay đổi nhiệt độ và nồng độ dung dịch điện phân chưa trong bể;

-

Thay đổi điện áp nguồn;

-

Thay đổi thời gian oxy hóa anot;


-

Thêm các ion phụ gia vào dung dịch.

Các Nm kế chế tạo theo chế độ nêu trên thích hợp với độ Nm thấp. Đối với chế độ
ứng dụng này, yêu cầu lớp điện môi phải càng mỏng càng tốt. Vì vậy sau khi oxy
hóa anot, lớp điện môi được mài cơ học với mục đích giảm bề dày để làm cho cảm
biến chỉ nhạy ở nhiệt độ hóa sương của môi trường bao quanh.
Điện cực thứ hai phủ trên lớp điện môi Al2O3 thường là một trong những kim
loại như Al, Cu, Au, Pt, Pd, hoặc hợp chất Ni-Cr.
Các đặc trưng đo lường chính của Nm kế tụ điện sử dụng chất điện môi
Al2O3 như sau:

-

Ẩm kế cho phép đo nhiệt độ hóa sương Td trong phạm vi thay đổi từ −800 C
đến +700 C .

-

Cảm biến được chế tạo để sử dụng trực tiếp tại điểm cần đo độ Nm.

-

Thời gian hồi đáp cỡ vài giây.

Ưu điểm của cảm biến này là có thể làm việc trong dải áp suất rất rộng, từ chân

không đến hàng trăm bar.
Tuy nhiên, cần tránh sử dụng cảm biến trong môi trường có chứa các chất ăn
mòn như NaCl, lưu huỳnh vì chúng có thể ăn mòn nhôm và làm hư hỏng phần tử
nhạy Nm của Nm kế.
1.1.6. Ẩm kế điện ly
a. Nguyên lý hoạt động và phương pháp chế tạo
Ẩm kế điện ly dùng để đo lượng hơi nước rất nhỏ trong không khí hoặc trong các
chất khí. Phần tử nhạy của Nm kế cấu tạo từ một ống dài ~10cm ở bên trong có cuốn
hai điện cực bằng platin hoặc rodi giữa chúng là lớp P2O5 (anhydride phosphoric).
Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của Nm kế điện ly biểu diễn trên hình 1.7.
Khi chất khí nghiên cứu chạy qua ống đo, hơi nước sẽ bị lớp anhydride phosphoric
hấp thụ thành H 2 PO3 . Điện áp một chiều cỡ 70V đặt giữa hai điện cực sẽ gây nên
hiện tượng điện phân nước giải phóng O2 , H 2 và tái sinh P2O5 .