Ẩm kế ngưng tụ

Ẩm kế ngưng tụ[29][30], hay còn gọi là ẩm kế gương lạnh, ẩm kế quang[31], ẩm kế điểm sương gương lạnh (chilled-mirror dew point hygrometer)[32], là một trong những loại ẩm kế chính xác nhất, đáng tin cậy nhất, do đó, thường được sử dụng để định chuẩn.[32] Ẩm kế ngưng tụ hoạt động dựa trên nguyên tắc đo điểm sương. Điểm sương (dew point) là nhiệt độ mà tại đó, hơi nước trong hỗn hợp khí đạt đến trạng thái bão hòa, độ ẩm tương đôi trong không khí đạt đến 100%, hơi nước mất nhiệt ẩn hóa hơi và bắt đầu ngưng tụ.[33][34]

Nguyên lý hoạt động cơ bản của ẩm kế là sử dụng một gương kim loại bằng đồng phủ kim loại rhodi hoặc vàng có nhiệt độ bề mặt được điều chỉnh chính xác nhờ một thiết bị làm lạnh nhiệt điện (thermo-electric cooler - TEC) hoặc bơm nhiệt Peltier. Tia sáng mạnh chiếu từ nguồn sáng (đèn LED) đập tới gương phản xạ chiếu tới đầu thu là một tế bào quang dẫn (photo-transistor). Mẫu khí cần đo độ ẩm được dẫn qua bề mặt gương và bề mặt gương được làm lạnh dần cho đến khi xuất hiện sự ngưng tụ. Khi lớp sương xuất hiện, ánh sáng bị tán xạ tới đầu thu quang, giảm lượng sáng đo được bởi đầu thu. Do vậy, đầu thu quang dẫn sẽ kích thích bộ điều khiển phát tín hiệu để bơm nhiệt bên dưới gương hoạt động và làm nóng gương. Gương bị nung nóng, lớp sương biến mất và chấm dứt hiện tượng tán xạ ánh sáng, chu kỳ làm lạnh mới lại bắt đầu.[35] Chu kỳ tiếp tục cho đến khi tạo thành trạng thái cân bằng giữa hơi nước và lớp ngưng tụ, khi đó lớp ngưng tụ có độ dày xác định. Để đo nhiệt độ gương, sử dụng cảm biến đo nhiệt độ kiểu điện trở hoặc cặp nhiệt ngẫu.[36] Ẩm kế ngưng tụ có hệ thống ghép quang (optocoupler) bên trên gồm đèn LED và đầu thu quang dẫn dùng để bù trôi. Hệ thống ghép quang dưới mặt gương dùng để đo độ phản xạ của gương. Cảm biến được cân bằng quang nhờ bộ chắn ánh sáng của bộ ghép quang phía trên.[37] Tốc độ làm lạnh bề mặt gương thông thường không được quá 1 °C một phút.[27]

Ẩm kế ngưng tụ được sử dụng phổ biến từ đầu thập kỷ 1960 do lúc đó, thiết bị bơm nhiệt điện và hệ thống đầu thu quang điện đã phát triển mạnh. Trước thập kỷ 1960, ẩm kế ngưng tụ chủ yếu được sử dụng trong các phòng thí nghiệm do việc sử dụng môi chất làm lạnh rất khó kiểm soát nhiệt độ và việc phát hiện hơi nước ngưng tụ chủ yếu bằng mắt thường.[32] Theo Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 12045:2017 (ISO 6327:1981), có hai nhóm phương pháp làm lạnh bề mặt gương: tự động và không tự động. Phương pháp làm lạnh không tự động đòi hỏi sự chú ý liên tục từ người vận hành, như làm lạnh đoạn nhiệt (khí CO2 nén trong bình, được xả lên mặt gương, khí CO2 giãn nở qua vòi phun và hạ nhiệt độ) hoặc dùng ống thổi dung môi bay hơi (etylen oxit – C2H4O). Phương pháp dùng thiết bị tự động bao gồm phương pháp tiếp xúc gián tiếp với chất làm lạnh qua điện trở nhiệt và bơm nhiệt điện (hiệu ứng Peltier). Chất làm lạnh điện trở nhiệt bao gồm khí nitơ lỏng (có thể hạ nhiệt độ lạnh xuống đến −80 °C) hoặc hỗn hợp cacbon đioxit rắn–aceton (có thể hạ xuống −50 °C).[27]

Ưu điểm của ẩm kế ngưng tụ là phạm vi đo rộng, có độ chính xác cao và ổn định hơn các loại thiết bị đo độ ẩm khác. Ẩm kế ngưng tụ sử dụng giàn lạnh nhiệt điện (TEC) hai cấp có thể đo nhiệt độ ngưng sương xuống −35 °C; còn ở hệ thống giàn lạnh bốn hoặc năm cấp, ẩm kế ngưng tụ có thể đo điểm sương xuống đến −80 °C.[38] Những thiết bị ẩm kế dành cho phòng thí nghiệm và các ngành công nghiệp đặc biệt có thể đạt độ chính xác ±0,1 °C; còn các ẩm kế ngưng tụ thông dụng có thể đạt độ chính xác ±0,2 °C.[32] Phạm vi đo của ẩm kế ngưng tụ rất rộng, từ −80 °C đến 100 °C, có thể mở rộng tới 180 °C.[38][39] Ẩm kế ngưng tụ còn có ưu điểm là có thể làm việc trong môi trường ăn mòn, như đo độ ẩm trong khí nhiên liệu.[39]

Nhược điểm của ẩm kế ngưng tụ là cấu tạo phức tạp, giá thành cao hơn những thiết bị cùng loại và việc sử dụng–bảo trì thiết bị khó khăn nên ít được sử dụng đại trà trong công nghiệp, mà chủ yếu được dùng trong phòng thí nghiệm để định chuẩn. Ẩm kế ngưng tụ cần được vệ sinh và hiệu chuẩn thường xuyên bởi nhân viên kỹ thuật chuyên nghiệp, để duy trì các mức độ chính xác cao.[32] Ngoài ra, ẩm kế ngưng tụ rất dễ bị ảnh hưởng bởi tạp chất môi trường. Ngay cả trong môi trường làm việc rất sạch, vẫn có thể xuất hiện những tạp chất bẩn trên bề mặt gương, do vậy tác động đến việc ánh sáng thu nhận bởi đầu đọc và ảnh hưởng đến kết quả đo.[40] Với ẩm kế ngưng tụ, gradient nhiệt độ và sự rò nhiệt cũng ảnh hưởng nhiều đến độ chính xác của đầu cảm biến. Do vậy, người ta sử dụng mạch PACER (Programmable Automatic Contaminant Error Reduction) giúp giảm sai sót do bụi bẩn, cho phép làm lạnh–nung nóng chính xác, vì vậy không cần cắt mạch để lau gương.[41]

Ẩm kế biến thiên trở kháng

Ẩm kế biến thiên trở kháng[42][43] là những loại cảm biến mà các phần tử nhạy là các chất hút ẩm. Các loại ẩm kế này hoạt động dựa trên tính chất điện (như điện trở, điện dung) của các cảm biến phụ thuộc vào độ ẩm của môi trường. Khi độ ẩm môi trường thay đổi sẽ làm trở kháng của các cảm biến thay đổi theo (nên gọi là ẩm kế biến thiên trở kháng).[44] Các phần tử nhạy có kích thước nhỏ để giảm thời gian hồi đáp[22] của cảm biến. Các chất hút ẩm có khả năng hút nước phụ thuộc vào độ ẩm tương đối của không khí. Đầu đo độ ẩm có đặc tính điện là hàm số của lượng nước hấp thụ, hàm này phải ổn định theo thời gian, có tính chất thuận nghịch và tuyến tính.[42] Ẩm kế biến thiên trở kháng được chia thành ba nhóm chính: ẩm kế điện trở, ẩm kế tụ điện điện môi polyme, và ẩm kế tụ điện điện môi nhôm oxit Al2O3.

Ẩm kế điện trở

Ẩm kế điện trở (resistive hygrometer hoặc hygristor[45]) sử dụng phần đế có kích thước nhỏ (vài mm2) được phủ chất hút ẩm và gắn hai điện cực bằng kim loại không bị ăn mòn và không bị oxy hóa. Giá trị điện trở đo được giữa hai điện cực phụ thuộc vào hàm lượng nước (tỉ số giữa khối lượng nước hấp thụ với khối lượng chất khô) và vào nhiệt độ chất hút ẩm. Hàm lượng nước phụ thuộc vào độ ẩm tương đối của khí và nhiệt độ. Cảm biến của ẩm kế điện trở có thể sử dụng ở dải đo từ 5% đến 95% RH, với sai số ±2–5%. Dải nhiệt độ hoạt động của ẩm kế điện trở từ −10 °C đến 60 °C, thời gian hồi đáp khoảng 10 giây.[46] Ẩm kế điện trở ít bị ảnh hưởng ô nhiễm bởi môi trường đo do đó thường dùng trong các ngành công nghệ.[47]

Ẩm kế tụ điện điện môi polyme

Về cơ bản, ẩm kế tụ điện hay còn gọi là ẩm kế điện dung (capacitive hygrometer) hoạt động dựa trên nguyên tắc sử dụng tụ điện để đo độ ẩm của không khí hoặc chất khí. Ẩm kế tụ điện cơ bản gồm hai bản cực tụ điện, giữa hai bản cực của tụ điện là không khí, được xem như chất điện môi. Hằng số điện môi ε và điện dung C tỉ lệ với độ ẩm tương đối H của không khí. Quan hệ giữa độ ẩm và hằng số điện môi được biểu diễn theo công thức:

ε = 1 + 211 T ( P + 48 P b h T H ) 10 − 6 {\displaystyle \varepsilon =1+{\frac {211}{T}}\left(P+{\frac {48P_{b}h}{T}}H\right)10^{-6}}

Trong đó: T–Nhiệt độ tuyệt đối (°K); P–Áp suất của khí ẩm (mmHg); Pbh–Áp suất hơi bão hòa ở nhiệt độ T (mmHg); H hoặc φ–Độ ẩm tương đối RH (%).[48]

Ẩm kế tụ điện điện môi polyme gồm một màng polyme có độ dày 8–12 μm làm bằng cellulose acetate butrate (CAB) có khả năng hấp thụ hơi nước và chất tạo dẻo làm bằng dimethylphthalate. Kích thước cảm biến màng polymer là 12×12 mm.[48] Lớp polyme được phủ trên điện cực thứ nhất là Tantan (Ta); sau đó phủ tiếp lên polyme một lớp Crom (Cr) (dày từ 10 Å đến 100 Å làm điện cực thứ hai. Lớp Crom gây nên các vết nứt làm tăng khả năng tiếp xúc của lớp này với không khí.[49] Một thiết kế khác của ẩm kế tụ điện polyme là người ta phủ điện cực bằng kim loại vàng (dày khoảng 200 Å) bằng phương pháp phủ chân không (vacuum deposition). Thời gian hồi đáp của tụ điện phụ thuộc vào độ dày của lớp điện môi polyme. Điện dung C của tụ điện tỉ lệ với độ ẩm tương đối H theo công thức sau:

C a ≈ C 0 ( 1 + α b h H ) {\displaystyle C_{a}\approx C_{0}(1+\alpha _{bh}H)}

Trong đó: C0 là điện dung ở độ ẩm tương đối H = 0.[50]

Với cảm biến tụ điện điện môi polyme, dải đo độ ẩm từ 5% đến 100% với sai số 2%.[51] Dải nhiệt độ hoạt động từ −40 °C đến 100 °C, với sai số từ 2–3%. Thời gian hồi đáp khoảng vài giây.[49]

Ẩm kế tụ điện điện môi nhôm oxit

Ẩm kế tụ điện điện môi nhôm oxit là tụ điện trong đó Al2O3 là chất điện môi được tạo ra bằng phương pháp Anot hóa với tấm nhôm được sử dụng làm điện cực thứ nhất của tụ. Điện cực thứ hai là một màng kim loại mỏng được tạo thành trên mặt kia của lớp điện môi.[52] Chiều dày lớp Al2O3 nhỏ hơn hoặc bằng 0,3 μm. Sự thay đổi trở kháng của tụ phụ thuộc vào áp suất riêng phần của hơi nước và không phụ thuộc vào nhiệt độ. Quá trình Anot hóa được thực hiện bằng điện phân dung dịch H2SO4 với tấm nhôm làm cực dương (Anot). Oxy hình thành trên nhôm và oxy hóa bề mặt để tạo thành Al2O3. Lớp oxit nhôm có cấu trúc xốp nên tiếp xúc tốt với không khí ẩm. Điện cực thứ hai phủ lên lớp Al2O3 có thể dùng đồng, vàng, platin, Niken–Crom, và nhôm.[53] Cảm biến tụ điện nhôm oxit cho phép đo nhiệt độ điểm sương TS trong phạm vi từ −80 °C đến 70 °C, dải áp suất làm việc từ 0 đến 100 Pa. Thời gian hồi đáp khoảng vài giây. Cảm biến tụ điện nhôm oxit có nhược điểm không sử dụng được trong môi trường chứa chất ăn mòn như natri clorua, lưu huỳnh v.v…[53]

Ẩm kế nhiệt

Ẩm kế nhiệt (thermal hygrometer) dựa trên nguyên tắc sự thay đổi của độ ẩm sẽ làm thay đổi độ dẫn nhiệt của không khí. Loại ẩm kế này chỉ đo độ ẩm tuyệt đối chứ không phải độ ẩm tương đối.[54] Ẩm kế nhiệt sử dụng cảm biến nhiệt trở để xác định sự thay đổi độ dẫn nhiệt của khí, từ đó xác định độ ẩm tuyệt đối của khí. Ẩm kết nhiệt gồm hai điện trở nhiệt (thermistor) được treo bằng những sợi dây mỏng nhằm tránh thất thoát nhiệt qua sự truyền nhiệt tiếp xúc (dẫn nhiệt) với vỏ hộp thiết bị. Một trong hai điện trở nhiệt tiếp xúc với không khí bên ngoài qua một lỗ thông nhỏ; điện trở nhiệt còn lại được đặt trong buồng kín, tránh tiếp xúc với không khí. Cả hai điện trở nhiệt được nối trong một mạch điện cầu. Khi có dòng điện chạy qua, hai điện trở nhiệt nóng lên, nhiệt độ lên tới 170 °C cao hơn nhiệt độ không khí. Ban đầu, trong điều kiện khí khô, mạch cầu Wheastone thiết lập giá trị tham chiếu là 0. Khi độ ẩm tuyệt đối tăng dần, giá trị điện thế ghi nhận ở cảm biến cũng tăng theo. Khi khối lượng riêng của khí bằng 150 g/m3, giá trị điện thế cảm biến đạt điểm cực đại và giảm dần về bằng 0 khi trọng lượng riêng bằng 345 g/m3. Đối với ẩm kế nhiệt, mẫu khí đo cần giữ tĩnh tại, tránh để luồng khí di chuyển để đạt độ chính xác. Vì luồng khí khi chuyển động đối lưu sẽ làm lạnh và gây sai số cho thiết bị đo.[55]

Ẩm kế hấp thụ

Thiết bị đo độ ẩm sáng chế bởi Francis Dunmore vào năm 1938

Ẩm kế hấp thụ[36][53] hay còn gọi là ẩm kế điện ly[56] (electrolytic hygrometer) hoạt động dựa trên hiện tượng hấp thụ hơi nước của một số chất như Liti Clorua (LiCl) hoặc Anhyđrit Photphoric (P2O5). Các chất này có đặc tính khi ở trạng thái khô sẽ có giá trị điện trở rất cao; khi hút ẩm hơi nước từ môi trường xung quanh, điện trở giảm đáng kể. Sự thay đổi điện trở có thể đo bằng mạch điện, từ đó xác định được độ ẩm trong môi trường cần đo. Cảm biến điện ly đo độ ẩm đầu tiên được phát minh bởi kỹ sư người Mỹ Francis W. Dunmore vào năm 1938.[57] Đây là loại ẩm kế điện đầu tiên và duy nhất được sản xuất thương mại cho đến tận thập niên 1970.[58]

Thiết kế của một ẩm kế điện ly sử dụng muối LiCl gồm hai điện cực kim loại được ngăn cách bởi một lớp vải sợi thủy tinh tẩm dung dịch bão hòa muối liti clorua (dung dịch điện ly). Hai điện cực nối với một nguồn điện xoay chiều. Khi dòng điện chạy qua sẽ làm dung dịch LiCl bị nung nóng, nước trong dung dịch bị bay hơi. Khi nước bay hơi hết, muối kết tinh có điện trở tăng mạnh, dòng điện giữa các điện cực giảm xuống đáng kể. Khi dòng điện bị giảm đi, nhiệt độ ở đầu đo giảm xuống, tinh thể LiCl lại hấp thụ nước, độ ẩm tăng, làm dòng điện tăng. Quá trình tiếp tục lặp lại cho đến khi trạng thái cân bằng giữa muối rắn LiCl và dung dịch được thiết lập. Khi đó, áp suất riêng phần của hơi nước trong mẫu khí tương ứng với áp suất phía trên dung dịch bão hòa LiCl ở cùng nhiệt độ.[59] Trạng thái cân bằng này cũng giúp xác định nhiệt độ điểm sương. Phần tử điều chỉnh của ẩm kế là liti clorua.[60]

Đối với ẩm kế điện ly sử dụng Anhyđrit Photphoric (P2O5) làm chất hút ẩm, P2O5 khi tiếp xúc với hơi ẩm trong khí sẽ chuyển hóa thành dung dịch điện ly (axit phosphoric H3PO4). Dung dịch axit photphoric được điện phân liên tục và dòng điện được đo bởi cảm biến. Khi mẫu khí cần đo được thổi qua thiết bị đo với lưu lượng ổn định, dòng điện điện phân là một hàm số tuyến tính của nồng độ hơi nước.[61]

Thời gian hồi đáp của ẩm kế điện ly LiCl tương đối lớn, cỡ hàng chục phút. Độ chính xác có thể đạt tới ± 0,2 °C. Phạm vi đo nhiệt độ điểm sương của các chất từ −10 °C đến 60 °C. Cảm biến không được dùng khi áp suất hơi nước nhỏ hơn áp suất hơi bão hòa của LiCl, nghĩa là dưới 11% RH.[60]

Ẩm kế trọng lực

Ẩm kế trọng lực (gravimetric hygrometer) đo khối lượng của mẫu không khí so với thể tích không khí khô có cùng thể tích. Theo Cục Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ (NBS), đây là phương pháp xác định độ ẩm trong không khí có độ chính xác rất cao.[62] Ở các quốc gia như Mỹ, Anh, Châu Âu, Nhật Bản, đã phát triển các tiêu chuẩn quốc gia dựa trên loại ẩm kế này. Sự bất tiện của thiết bị này là nó thường chỉ được dùng để hiệu chuẩn các công cụ kém chính xác hơn, được gọi là Tiêu chuẩn chuyển giao (transfer standards).[63]

Ẩm kế quang học

Ẩm kế quang học (optical hygrometer) hay còn gọi là ẩm kế hấp thụ quang (optical absorption hygrometer[64]) đo sự hấp thụ ánh sáng của nước trong không khí.[65] Ẩm kế hấp thụ quang hoạt động dựa trên hiện tượng hơi nước hấp thụ năng lượng bức xạ ở một dải ánh sáng hẹp, ở trường hợp các loại ẩm kế này là dải ánh sáng tử ngoại.[64] Một bộ phát sáng và một bộ thu nhận ánh sáng được bố trí với một thể tích không khí giữa chúng. Đầu thu ánh sáng sẽ xác định được độ suy giảm của ánh sáng, tương ứng với độ ẩm, theo định luật Beer-Lambert. Ẩm kế quang học có thể chia thành các loại sau: ẩm kế Lyman-alpha (sử dụng ánh sáng Lyman-alpha phát ra từ hydro), ẩm kế krypton (sử dụng ánh sáng có bước sóng 123,58 nm do Krypton phát ra) và ẩm kế hấp thụ vi sai (sử dụng ánh sáng phát ra từ hai bước sóng khác nhau, một bước sóng bị hấp thụ bởi độ ẩm và bước sóng còn lại thì không bị hấp thụ). Thời gian hồi đáp của ẩm kế quang chỉ trong vòng vài mili giây (ms); phạm vi đo từ −80 °C đến 40 °C.[64]