Ẩm kế
Các loại ẩm kế hiện đại > Ẩm kế ngưng tụ

Ẩm kế ngưng tụ, hay còn gọi là ẩm kế gương lạnh, ẩm kế quang, ẩm kế điểm sương gương lạnh (chilled-mirror dew point hygrometer), là một trong những loại ẩm kế chính xác nhất, đáng tin cậy nhất, do đó, thường được sử dụng để định chuẩn. 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.
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. 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. 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. Tốc độ làm lạnh bề mặt gương thông thường không được quá 1 °C một phút.
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. 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 carbon dioxide rắn–aceton (có thể hạ xuống −50 °C).
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. 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. Phạm vi đo của ẩm kế ngưng tụ rất rộng, từ −80 °C đến 100 °C, có thể mở rộng tới 180 °C. 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.
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. 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. 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.