Chương 1- CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU THỦY PHẦN
1.1. Cảm biến độ "m không khí
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 Al O2 3 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 mm2). 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).
0 100
X
U (%) 10°C 50°C
80°C
0 100
X
U (%) 10°C 50°C
80°C
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
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 −10 C0 đến +50 hoặc 60 C0 - Thời gian hồi đáp: ~ 10s
- Độ chính xác: ±2% đến ±5%
b. Ẩm kế tụ điện polymer
Ẩm kế tụ điện dựng chất điện mụi polymer là một màng polymer dày cỡ àm 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
G ~
V2 V1
Rm
RA
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 dày
0 0
100A÷10000A 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 - 40 C0 đến 80 C0 hoặc 100 C0 ;
- 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 Al O2 3
Trong Nm kế này, lớp điện môi là Al O2 3 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).
Hình 1.6. Sơ đồ cấu tạo và mạch tương đương của "m kế tụ điện Al O2 3 Cỏc kết quả nghiờn cứu cho thấy, nếu chiều dày lớp Al O2 3 nhỏ hơn 0,3àm thỡ 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 SO2 4 trong nước dùng nhôm làm anot. Oxy hình thành trên điện cực Al sẽ oxy hóa bề mặt điện cực này thành Al O2 3. 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 SO2 4nồng độ 15% ở nhiệt độ 10 C0 điện phân dưới điện áp 15V, sẽ được lớp oxit nhôm xốp chứa 7,7.1010 lỗ hổng trên diện tích 1cm2, đường kính lỗ hổng thay đổi trong khoảng 100 300 A÷ 0 . Như vậy, tương ứng với bề mặt ngoài bằng 1cm2 sẽ có bề mặt hấp thụ bằng 0, 2m2.
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;
Điện cực ngoài
R1
R2 C2
C0
R0
Điện cực trong
- 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 Al O2 3 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
2 3
Al O như sau:
- Ẩm kế cho phép đo nhiệt độ hóa sương Td trong phạm vi thay đổi từ −80 C0 đến +70 C0 .
- 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.