1.1. Cảm biến độ "m khơng khí
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 khơng 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 P O2 5(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 PO2 3. Điện áp một chiều cỡ 70V đặt giữa hai điện cực sẽ gây nên hiện tượng điện phân nước giải phóng O2, H2 và tái sinh P O2 5.
Hình 1.7. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của "m kế điện ly
Theo định luật Faraday về tỷ số giữa điện lượng chạy qua các điện cực và lượng nước bị điện phân, cần 96500 Culong (C) để phân ly 1 gam hóa trị (9g) của nước (1 phân tử gam H O2 hóa trị 2 chứa 16g O2và 2g H2). Nếu gọi dmc/dt là khối lượng nước bị giữ (cũng là lượng nước bị điện ly) trong một đơn vị thời gian thì cường độ dịng điện phân I sẽ là: 3 96500 à . . 9.10 e e V V dm dm I v C Q dt dt α − = = Trong đó:
- Dịng điện đo bằng A, dmc/dtđo bằng kg/s; - QV là lưu lượng khí ( 3
/
m s) đi qua đầu đo; - CV là nồng độ hơi nước (kg hơi nước/ 3
m khơng khí);
- α là hệ số giữa phân tử nước trong lớp P O2 5. Nếu tốc độ khí khơng đổi, đối với một cấu trúc hình học, hệ số α khơng đổi, do đó có thể xác định α bằng cách chuNn đầu đo.
Biểu thức của dòng điện I cuối cùng có thể viết thành: 3 96500 . . . à . (1.9) 9.10 V V V I = − αC Q hay l I =k C Trong đó: 965003. . 9.10 V k= − αQ Vỏ thép khơng rỉ
Đầu nối điện Ống dẫn khí
Vỏ teflon
Đối với một thể tích khơng khí cho trước, dịng điện phân tỷ lệ với nồng độ hơi nước biểu diễn bằng kg hơi nước/ 3
m khơng khí. b. Các đặc trưng
Ẩm kế loại này đặc biệt thích hợp với các chất khí chứa lượng hơi nước rất nhỏ. Giới hạn dưới của dải đo bị hạn chế bởi các vấn đề về hấp thụ và nhả hơi nước trên đường dẫn khí, thí dụ, các phép đo cơng nghiệp khơng thể thực hiện được khi nhiệt độ hóa sương hạ xuống tới 0
70 C
− (với nồng độ 10÷20ppm).
Mặc dù sử dụng ống dẫn khí băng thép khơng rỉ, các hiện tượng hấp thụ vẫn làm tăng thời gian cần thiết để đạt tới trạng thái cân bằng (24 giờ đối với nồng độ nhỏ hơn 10ppm và T< 0
70 C
− ).
Thời gian hồi đáp phụ thuộc chủ yếu vào hướng thay đổi độ Nm:
- Nếu theo hướng tăng độ Nm (giữa 100 và 1000 ppm) thời gian hồi đáp nhỏ hơn 30s.
- Nếu theo hướng giảm độ Nm (giữa 1000 và 100 ppm) thời gian hồi đáp tăng lên và có thể đạt tới vài phút.
Theo nguyên lý làm việc của đầu đo, chất được tự động tái sinh thường xuyên. Tuy vậy thời gian sống của lớp này có giới hạn cho nên phải tái sinh nó theo chu kỳ. Tần số tái sinh phụ thuộc vào điều kiện sự dụng và độ sạch của chất khí phân tích. Có thể giảm tần số này bằng cách sử dụng bộ lọc bằng theosp khơng rỉ kết dính.
Ẩm kế điện ly được sử dụng để đo độ Nm của rất nhiều loại khí như nito, hydro, metan, CO2, các chất khí làm lạnh (freon), khơng khí… Một số chất khí khơng dùng được với Nm kế điện ly vì chúng làm hư hỏng đầu đo hoặc làm thay đổi hoạt động của nó, thí dụ ammoniac, hơi rượu (các chất tác dụng với P O2 5).