Chương 1- CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU THỦY PHẦN 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.
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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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=. 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) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 ).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 .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: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - 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= .7) δ LTh P Với A=0,00064 khi (Th = 200 C ). 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. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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. 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.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. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đầu thu Hiệu chỉnh quang Nguồn sáng gương Nguồn nuôi Cảm biến nhiệt độ Làm nguội Nung nóng Hình 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.