Электрические сорбционные датчики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Национальный Технический Университет Украины «Киевский Политехничиский Институт»

Факультет Электроники

Кафедра микроэлеткроники

Реферат

Электрические сорбционные датчики

Подготовил:

Студент гр. ДП-91

Прудкий О.В.

Проверила:

Коваль В.М.

Киев 2012

Содержание

1. Типы сорбционных датчиков

2. Параметры датчиков

3. Угольные датчики

4. Конструкция

5. Конструкция и функционирование сорбционного датчика на основе хлорида лития

Cписок литературы

1. Типы сорбционных датчиков

Сорбционные ЭГД можно разделить на адсорбционные и абсорбционные. В первых используется явление адсорбции влаги внешней поверхностью материала в виде тонкого слоя, а объектом измерения являются электрические характеристики этой поверхности (например, поверхностное сопротивление), обусловленные наличием на ней водной пленки с ионами водорастворимых веществ. В ЭГД второй группы чувствительный элемент представляет собой тонкий слой влагочувствителыюго материала на водостойкой подложке или определенный объем капиллярнопористого материала. Механизм действия датчиков второй группы аналогичен: водяной пар, содержащийся в газе, поглощается капиллярами всего объема чувствительного элемента и изменяет его объемные электрические характеристики. Приведенное подразделение сорбционных ЭГД на две группы несколько условно. Образование на поверхности водной пленки у некоторых материалов сопровождается увлажнением примыкающих к поверхности слоев материала, электри - 276 ческие характеристики которых также влияют на результат измерения.

Статическая характеристика абсорбционных ЭГД -- зависимость выходной электрической величины от значения измеряемой влажности газа -- определяется двумя функциями:

А) зависимостью влагоеодержания материала чувствительного элемента от влажности воздуха, т. е. изотермами сорбции и десорбции материала этого элемента;

Б) зависимостью измеряемой электрической величины (сопротивления в цепи постоянного или переменного тока, емкости, тангенса угла диэлектрических потерь и т. п.) от влагоеодержания чувствительного элемента; характер этой зависимости был рассмотрен в первой части книги.

Равновесная влажность материала является его индивидуальной характеристикой; поэтому статическая характеристика, даже у ЭГД одного типа, имеющих влаго - чувствительные элементы из различных материалов, не совпадает. Ее можно вычислить, если известны указанные выше две функции, но на практике ЭГД градуируют эмпирически.

Как уже отмечалось выше, поверхностное сопротивление измеряется, строго говоря, только у тех ЭГД, у которых тонкая водная пленка образуется на гладкой поверхности водостойкого непористого диэлектрика (стекла, кварца, некоторых видов обожженной керамики и т. д.). Достоинствами таких ЭГД являются резкие изменения поверхностного сопротивления с влажностью и малая инерция; поверхностное сопротивление можно измерять при постоянном токе. Однако это - сопротивление зависит от состояния поверхности диэлектрика и очень чувствительно ко всякого рода загрязнениям поверхности и наличию в воздухе паров аммиака, спирта, ацетона и других полярных жидкостей.

По указанным причинам ЭГД чисто адсорбционного типа не нашли широкого применения. Подложкой датчиков вначале служили преимущественно стекла различных сортов; иногда их предварительно подвергали обработке-- термической или другой. В современных, ЭГД предпочтение отдают кварцу, чаще плавленому. На поверхность кварцевой пластины напыляют электроды из благородных металлов, например, гребенкообразной формы.

Значительно, больше распространены ЭГД с пористым диэлектриком, у которых основным процессом является адсорбция влаги на внутренней поверхности пор. Датчики этого типа более инерционны, чем чисто адсорбционные, но обладают более устойчивыми характеристиками. Известно большое количество ЭГД этого типа, имеющих в качестве влагочувствительного элемента тонкие слои разнообразных пористых материалов; рассмотрим некоторые примеры. Датчики, разработанные В НИКИ «Цветметавтоматика», имеют чувствительный элемент в виде пластины из микропористого эбонита (пористость около 58% при диаметре пор до 0,5мкм) Толщиной 0,3 мм на поверхность пластины напылением нанесены электроды. Серийно выпускаемый гигрометр с датчиком этого типа, термостатированным при температуре 40±.2°С. предназначен для измерения абсолютной влажности в пределах 1--Ю г/ж3.

2. Параметры датчиков

Стабильность характеристики датчика обеспечивается тем, что измерения производятся на постоянном токе при плотности тока, не превышающей Ю-9 а/см2.

Для увеличения чувствительности датчика при измерении низких значений абсолютной влажности (0,1--0,8 г/см3) чувствительный элемент пропитывали водным раствором хлористого лития. Проводимость пропитанного датчика определяется не только проводимостью пленки воды, адсорбированной поверхностью пор, но и электролитической проводимостью раствора LiCl, заполняющего поры; такой датчик является сорбциопно-электро - литическим. Однако долговременная стабильность характеристики такого датчика оказалась недостаточно удовлетворительной.

Другие сорбционные ЭГД имеют в качестве чувствительного элемента диск из бутирата ацетилцеллюлозы или других эфиров целлюлозы, толщина которого не превышает одного или нескольких десятков микрометров. Электродами служат влагопроницаемые слои графита, нанесенные на обе поверхности диска.

В другом варианте электроды представляют собой слои пористого диэлектрика, содержащие матрицу тонко диспергированных частиц графита. Выходной величиной датчика является электрическая емкость. В качестве влагочувствительного материала нередко используют твердые сорбенты. В датчиках конструкции автора основанием служил цилиндр из органического стекла, на поверхность которого наносится слой мелко измельчённого (величина частиц 30--50 мкм) силикагеля. Недостатком этих датчиков является большая величина сопротивления (измеряемого на постоянном токе) при относительной влажности воздуха ниже 40--50%. Другие ЭГД имели чувствительный элемент в виде диска из прессованного цеолита, предварительно измельченного до порошкообразного состояния. Цеолиты - наносились также в виде тонких слоев на водостойкие основания.

В абсорбционных ЭГД используется не тонкий слой, а определенный объем гигроскопического материала. Большинство капиллярнопористых материалов очень легко поглощает влагу, но лишь немногие из них так же легко отдают ее и свободны от сорбционного гистерезиса. Заполнение капилляров водяным паром вызывает резкое уменьшение объемного сопротивления; в то же время наличие разветвленных капилляров увеличивает инерционность ЭГД этого типа. Кроме того, им присущи также гистерезис и нестабильность характеристик. Несмотря. на эти недостатки, был создан ряд датчиков этого типа с использованием разных твердых материалов или отдельных волокон и тканей из волокон. Чувствительным элементом являлись, например, стеклянное волокно или нейлоновая ткань, зажатые между двумя перфорированными металлическими пластинами, а также искусственное волокно с вплетенными в ткань серебряными нитями, выполняющими роль электродов. Более широкое применение нашли пористые керамические материалы, например смеси с окисью церия и двуокисью титана. Достоинство этих датчиков -- способность переносить длительное воздействие газов с относительной влажностью, равной 100%.

Наибольшее практическое значение имеют сорбцион - ные датчики следующих типов: угольные, пьезокварцевые и алюминиевооксидные.

3. Угольные датчики

Угольные ЭГД имеют влагочувствительный элемент в виде пленки гигроскопического связующего вещества, содержащего в виде суспензии тонко размолотые частицы угля. Чаще всего связующим служит целлюлоза или ее соединение (например, гидроксилэтилцеллюлоза или ацетилцеллюлоза) с добавками желатина, а иногда и других - веществ. Технология изготовления датчиков описана в Уголь часто вводится в связующее в виде сажи (ацетиленовой). Влагочувствительная пленка наносится методом погружения (реже набрызгйва - ния) на основание -- прямоугольную пластину из твердого диэлектрика (оргстекла или полистирола). Боковые длинные грани пластины покрывают металлом, например серебром; эти металлические слои служат электродами. Значительно реже применяют основания цилиндрической формы и проволочные спиральные электроды.

Выходной величиной угольного датчика служит его электрическое сопротивление. Согласно общепринятой теории проводимость пленки изменяется в результате ее сжатия или расширения под. влиянием сорбированной влаги. Деформация пленки вызывает перемещение проводящих частиц угля. Некоторые исследователи подвергают сомнению деформационный механизм действия датчика и считают его чисто сорбционным, обусловленным целлюлозными составляющими пленки.

Однако зависимость Дж(f)--сопротивления угольного датчика от относительной влажности воздуха имеет характер, противоположный наблюдаемому не только у электролитических, но и других сорбционных ЭГД. При постоянной температуре сопротивление датчика увеличивается с ростом влажности, что может свидетельствовать о преобладании электронной проводимости над ионной. Для угольных датчиков характерно явление гистерезиса; наличие гистерезисной петли шириной до 10% для диапазона относительной влажности 10/ph/100% было установлено у датчиков, разработанных в СССР. Сопротивление Rx при f=const увеличивается с повышением температуры, причем температурный ко- эфициент непостоянен.

Форма переходной характеристики угольного датчика несколько отличается от простой экспоненциальной; в частности, ей свойственно более быстрое нарастание выходной величины на начальном участке. Следовательно, датчик следует рассматривать как инерционное звено, порядок которого выше первого. На практике инерционность датчика характеризуют одной постоянной времени Т. Быстродействие угольных ЭГД достаточно высоко. Так, например, упомянутые отечественные датчики имели при 0 °С и неподвижном воздуха Т=2 сек при увеличении влажности и Т=6 сек при ее уменьшении. Как и у других ЭГД, постоянная времени уменьшается с ростом скорости воздуха, увеличивается при понижении температуры и, в меньшей степени, при повышении влажности.

Угольные датчики выпускаются рядом приборостроительных фирм и нашли применение преимущественно в радиозондах; благодаря высокому быстродействию и отсутствию отказов при насыщении атмосферы влагой они стали основными конкурентами хлористолитиевых ЭГД в этой области. Их широкому применению в промышленности препятствует, кроме значительного сорб - ционного гистерезиса, нестабильность характеристик.

Пьезокварцевые сорбционные датчики основаны на изменении параметров (амплитуда и частота колебаний) кварцевого резонатора в результате адсорбции влаги на его поверхности или сорбции влаги гигроскопической пленкой,.нанесенной на поверхность кварца. Выходной величиной влагочувствительных элементов обоих типов в большинстве случаев служит собственная частота колебаний пьезокварца, уменьшающаяся с ростом измеряемой влажности.

Первоначально разрабатывались чисто адсорбционные пьезокварцевые датчики, т. е. без гигроскопической пленки. Их принцип действия основан на прямом изменении эквивалентного сопротивления кварцевого резонатора в результате адсорбции водяных паров и обусловленного ею затухания упругих колебаний в поверхностном слое кварца и его металлизированном покрытии. Один из первых гигрометров с таким датчиком имел простую схему, состоящую из двух ламповых генераторов, собранных на двух половинах двойного триода. В исследованы влияние влажности воздуха на составляющие эквивалентного сопротивления кварцевого резонатора и зависимость его характеристик от температуры и давления газа.

Значительно большее распространение нашли пьезокварцевые датчики с тонким слоем влагосорбирующего вещества, наносимого на металлизированную Поверхность кварца. Такой датчик представляет собой сочетание влагочувствительного элемента сорбционного типа с пьезокварцевым преобразователем, измеряющим сорбированную массу влаги. В датчиках этого типа ценой некоторого увеличения инерционности достигают высокой чувствительности и понижения нижнего предела измерений в область микровлагосодержаний. Влагочувствитель - ный слой изготовляют из материалов с микропористой структурой, используемых в электрических сорбционных датчиках других типов, -- молекулярных, сит типа цеолитов, пленок двуокисей кремния, пятиокиси фосфора, сульфированного полистирола и других гигроскопических полимеров и природных смол. Влагочувствительный материал должен иметь минимальный сорбционный гистерезис и обладать устойчивостью характеристик во времени. Последнее требование не выполняют некоторые фтористые соединения, например NaF, LiF. Полярные жидкости типа полиэтиленгликоля обеспечивают малую инерционность, но неудовлетворительны по устойчивости и избирательности к водяному пару [JL 8-13]. В последнее время предлагалось применение в качестве сорбента водорастворимых солей (СаСІг, LiBr, LiCl) с добавкой в качестве связующего поливинилового спирта или полимерных пленок.

Чувствительность датчика можно считать постоянной величиной ЛИШЬ для тонких пленок (толщиной до 30--50 нм). У выполненных приборов она составляла 200--00 гц/мкг влаги. Максимальная допустимая загрузка кварца пленкой уменьшается с ростом частоты, но одновременно значительно повышается его чувствительность. Верхний предел частоты ограничен величиной 15 Мгц из соображений механической прочности. Чаще всего рабочая частота гигрометров с пьезокварцевыми датчиками составляет 8--9 Мгц. В рекомендуется использовать пьезопластины с моночастотной характеристикой, Для такой пластины с пленкой Si02 определенной пористой структуры при /=8,19 Мгц выведена зависимость от относительной влажности хр воздуха:

Пьезбкварцевые датчики с влагочувcтвительной плёнкой имеют очень широкие пределы измерений -- от 0,1 до 30000 м. д., причем верхний предел соответствует 1ф=100%. С увеличением диаметра пор влагочувстви - тельного покрытия верхний предел повышается, но одновременно уменьшается чувствительность датчика.

Количество влаги, сорбированной пленкой, определяется ее сорбционными изотермами; это предопределяет влияние температуры и давления исследуемого газа на результат измерения влажности. Минимальное значение ТКЧ (температурного коэффициента частоты) в интервале температур --40+60°С имеют кварцевые пластины среза AT.

Измерительные устройства гигрометров используют частотную модуляцию с помощью пьезокварцевого датчика, включенного в колебательный контур генератбра, и рассчитаны на автоматическое непрерывное измерение. Для компенсации погрешностей -- температурных и от наличия газовых примесей--они строятся на принципе сравнения, реализуемом двумя различными способами.

В первом применяются два кварцевых резонатора, имеющих одинаковые ТКЧ. Один из них -- измерительный -- обтекается потоком анализируемого газа; второй (без влагочувствительного покрытия) -- опорный-- герметизирован. Кварцевые резонаторы управляют частотой колебаний двух ламповых или полупро-" водниковых генераторов -- .измерительного и опорного. Частоты обоих генераторов сравниваются в смесителе;. частота биений Af характеризует влагосодержание газа. Для настройки нуля гигрометра через измерительный резонатор пропускают абсолютно сухой газ.

Вторая, более сложная схема имеет два одинаковых пьезокварцевых датчика; в один из них поступает поток анализируемого газа, а во второй -- образцового (полностью осушенного). Переключающее устройство периодически изменяет направления обоих потоков газа.

Гигрометры с пьезодатчиками с чувствительной пленкой имеют удобную для измерения естественную выходную величину, широкие пределы измерений, малую инерционность, достаточную чувствительность, в том числе и в области малых и микровлагосодержаний, они применимы для воздуха и различных газов. К их недостаткам относятся чувствительность к изменениям плотности и вязкости исследуемого газа, а также поглощение некоторых компонентов газа, кроме водяного пара. Ошибка может достичь ощутимой величины, если эталоном служит осушенный азот, а исследуемая газовая смесь имеет влагосодержание, близкое к нулю, и содержит -примеси двуокиси углерода, хлористого водорода, метилового спирта и т. д.

Погрешности вызываются также осаждением пыли и других механических загрязнений газа на поверхности пленки, а в случае применения полимерных пленок -- их старением.

Алюминиев оксидные ЭГД, предложенные английскими исследователями имеют в качестве влагочувстби-теЛьного элемента плёнку окйси алюминия, полученную на поверхности чистого алюминия электролитическим путем -- анодированием в растворе серной кислоты (реже щавелевой или хромовой). Выбор режима анодирования (температура раствора и концентрация кислоты в нем, плотность тока и длительность анодирования) позволяет получить нужные параметры оксидной пленки -- толщину и пористость.

Оксидный слой, образованный на алюминиевой подложке, можно рассматривать как двухслойную пористую структуру, состоящую из: а) внешнего слоя с высокой пористостью, обеспечивающей адсорбцию паров на поверхности стенок пор; б) прилегающего к подложке тонкого, непористого и более плотного («барьерного») слоя. По данным толщину барьерного Слоя можно изменять «вторым анодированием» в растворе борнокислого аммония при повышенном напряжении.

Алюминиевая подложка является одним из электродов датчика. Вторым электродом служит тонкий (проницаемый для водяных паров) слой проводящего вещества, нанесенный на внешнюю поверхность оксидного покрытия. Вначале применялся графит, в последующем -- слой металла (чаще всего золота, реже серебра, алюминия, палладия или платины), нанесенный на часть поверхности окиси алюминия испарением в вакууме. Основные требования к внешнему электроду -- хорошая адгезия, максимальная влагопроницаемость и минимальное электрическое сопротивление.

4. Конструкция

Известны две конструктивные модификации ЭГД рассматриваемого типа. У «стержневых» датчиков подложкой для влагочувствительной пленки служит цилиндрический алюминиевый стержень (чаще всего отрезок прутка или проволоки). Плоские датчики имеют основание из тонкого листового алюминия (иногда алюминиевой фольги). Форма основания -- прямоугольная, реже круглая, а форму внешнего электрода и его расположение задают с помощью металлического трафарета. Вывод к внешнему электроду целесообразно прикреплять в той части основания, где отсутствует влаго- чувствительное покрытие. Отметим еще предложение изготовлять датчик из двух скрученных или сплетенных алюминиевых проволочек малого диаметра (0,3--0,4 мм), покрытых слоем окисей; выполняют роль электродов. При этом отпадает необходимость нанесения внешнего электрода, что существенно упрощает изготовление датчика. Сведения о практическом применении такой конструкции отсутствуют.

Характеристики алюминиевооксидных ЭГД определяются главным образом свойствами оксидной пленки. Идеализированная модель этой пленки (рис. 1,с) основана на представлении пористого слоя в виде совокупности плотно упакованных элементарных ячеек, каждая из которых имеет вертикальную пору, доходящую до тонкого барьерного слоя. Такую модель можно описать различными электрическими схемами замещения в цепи переменного тока. По схеме, представленной на рис. 1 С0 и R0--емкость и сопротивление всей пленки между электродами; Ri -- поверхностное сопротивление стенок капилляров; Rz, Сг -- параметры барьерного слоя.

Рис. 1. Оксидная пленка ЭГД

А -- модель структуры; б, в, г -- схемы замещения; І -- алюминиевая подложка; 2 -- внешний электрод; 3 -- пора; 4 -- пористый слой; 5-- барьерный слой.

В схеме замещения (рис. 1,в) нижняя цепь соответствует барьерному слою (R%, Cz), правая ветвь верхней цепи -- поре (Ri), а левая ветвь (Дз, Сз)--материалу пористого слоя.

Наконец, в схеме пористый слой {Ri, Сі) и барьерный (Rz, С2) соединены переходным сопротивлением г.

Из всех схем замещения следует, что: а) полное сопротивление датчика имеет активную и емкостную составляющие -- выходной величиной может служить полное сопротивление или любая из его составляющих; б) электрические параметры датчика определяются параметрами как пористого, так и барьерного слоев.

Если считать пористый слой источником полезного сигнала, а барьерный -- источником помех, логическим следствием является предложение уже в процессе изготовления датчика уничтожать барьерный слой путем соответствующей обработки подложки с примыкающим к ней плотным слоем (амальгамирование или растворение в кислотах).

Рис. 2. Зависимость электрических свойств ЭГД с окисью алюминия от влажности воздуха.

Однако во всех применяемых датчиках барьерный слой сохраняется. Его влияние на параметры датчика зависит от степени увлажнения пленки. Так, при низкой влажности значение Ri (рис. 1) очень велико и шунтирующее влияние С2 на С0 незначительно, а при высокой влажности значение Ri сильно уменьшается и роль С'і возрастает.

Влажностные характеристики датчиков получают экспериментальным путем при постоянной температуре. На рис. 2 приведены снятые при /=20 °С влажностные характеристики датчика, изготовленного автором, -- зависимость от относительной влажности воздуха полного сопротивления при частоте /=50 гц (рис. 2,о), емкости й тангенса угла диэлектрических потерь при /=1000 гц (рис. 1). На форму характеристик (т. е. на чувствительность датчика, пределы измерений и другие свойства) можно воздействовать выбором тех параметров методики изготовления, которые определяют размеры и свойства оксидной-пленки, а также параметров измерительного устройства. Важное значение имеет толщина пористого слоя пленки: с ее увеличением минимальное измеряемое значение влажности ф перемещается в сторону высоких ф и увеличивается чувствительность датчика в этой области. Полная проводимость плоского датчика зависит от напряжения «второго анодирования» при ф>40%; уменьшению этого напряжения (в пределах 50--300 в) соответствует увеличение абсолютного значения проводимости и чувствительности датчика. Зависимость tg6 от частоты (в пределах F=30-г - 106 гц), исследованная для плоского датчика, показала, что при ф=0 tg 6 ~0,005 н-0,008 и почти не зависит от F. С увеличением - ф возрастают значения tg б и частотные характеристики tg6(f) при ф=const имеют четко выраженный максимум, который с ростом ф закономерно сдвигается в сторону высоких ф.

Обычные оксидные датчики позволяют измерять относительную влажность в пределах 20-=-30< ф < 100 %. Для смещения нижнего предела в область малых и мик - ровлагосодержаний и повышения чувствительности в этой области было предложено заполнять поры оксидной пленки насыщенным водным раствором гигроскопической соли до нанесения на пленку внешнего электрода. Раствором заполняется только часть объема пор без образования сквозных проводящих мостиков между электродами. Раствор LiCl позволяет измерять температуры точки росы % от --120 до --20°С, раствор СаС12 от --70 до 0°С. На базе таких датчиков выпускают гигрометры для измерения микроконцентра'ций влаги, начиная с долей 1 * 10_6, не только в газах, но и в жидкостях. Недостаток этих ЭГД -- высокая чувствительность к перегрузкам по влажности, приводящая к выходу чувствительного элемента из строя при контакте с атмосферным воздухом больше 5--10 сек. Указанная особенность вынуждает хранить датчики в закрытых контейнерах с молекулярными ситами ~--100°С). Относительно дополнительных погрешностей оксидных ЭГД имеются противоречивые данные. Экспериментальные данные, полученные для стержневых датчиков в диапазоне температур --15-ь80 °С и для плоских датчиков при температурах от комнатных до --90 °С, свидетельствуют о том, что температурная погрешность близка к нулю; гистерезис отсутствует, если датчики не находились длительное время в воздухе, насыщенном водяным паром.

Другие исследователи отмечают довольно большие температурные погрешности и гистере - зисные явления.

Инерционность датчика определяется процессами диффузии водяного пара через слой газа к поверхности пленки и главным образом (в движущемся газе) диффузии и адсорбции внутри влагочувствительного слоя. Рассматриваемые ЭГД. можно аппроксимировать апериодическим звеном первого порядка. Постоянная времени Т при понижении влажности больше, чем при повышении; ее величина зависит также от начальной влажности и увеличивается при понижении температуры. У датчиков обычной конструкции Т в среднем исчисляется несколькими `секундами, иногда десятью и больше.

Доказана возможность миниатюризации оксидных ЭГД со значительным повышением их быстродействия. Для этого необходимо предельно уменьшить толщину влагочувствительной пленки, а также исключить соприкосновение с ней гигроскопических материалов. Миниатюрный датчик для радиозондов весом не более 12 мг (основание из алюминиевой фольги толщиной около 0,08мм со слоем окиси толщиной около 2 мкм) имел постоянную времени (для температуры 24 °С) около 0,1 сек при повышении относительной влажности с 0 до 50% и около 0,3 сек при понижении со 100 до 50%' [Л. 8-17]. Еще большим быстродействием (7^0,025 сек) Обладает микродатчик для динамических измерений градиентов и полей влажности вблизи поверхности влажных тел [Л. 8-22].

Основным недостатком алюминиевооксидных ЭГД является их старение. Постепенное изменение характеристик наблюдалось у оксидных датчиков в самых различных условиях хранения и эксплуатации. Иногда по истечении длительного времени (несколько месяцев) характеристики стабилизировались, но в большинстве случаев уменьшение чувствительности датчиков во времени ие прекращалось полностью. Для предотвращения старения применялись различные способы -- искусственное старение, термообработка пленки и т. д. Было высказано предположение, что причиной старения является медленное уменьшение проводимости стенок и оснований пор в результате процесса диффузии легких анионов, образованных в процессе анодирования, со стенок капилляров в кристаллическую структуру окиси. Для замены этих анионов более тяжелыми, предлагалось погружать датчики на 1--2 сек в насыщенный раствор некоторых солей, например вольфрамовокислого натрия, а затем подвергать искусственному старению периодическим изменением относительной влажности окружающего воздуха. Все эти способы в лучшем случае позволяют замедлить процесс старения и стабилизировать характеристики на несколько недель или месяцев.

В гигрометрах с оксидными ЭГД применялись схемы измерения емкости или полной проводимости, построенные на различных принципах. Простейшей является последовательная схема омметра на частоте 50 гц (см. рис. 4-3,а). Другим устройством, работающим на той же частоте, является баллистический преобразователь емкости в силу тока по принципу накопления количества электричества в конденсаторе. В современных схемах этого типа вместо электромеханических переключателей или реле применяют бесконтактные переключающие устройства. Для измерения полного сопротивления датчика применялись также мосты низких звуковых частот (F^2-^-3 кгц) и резонансные схемы на радиочастотах на принципе биений или генераторы с частотой, модулируемой датчиком и измеряемой частотным детектором; эти схемы аналогичны применяемым в диэлькометрических влагомерах.

Алюминиевооксидные ЭГД представляют большой интерес для многих областей науки и техники благодаря своим достоинствам: низкая стоимость, механическая прочность, простота изготовления, возможность получения взаимозаменяемых датчиков и их миниатюризации, малоинерционность, возможность измерений микровла - госодержаний газов и жидкостей и измерений при отрицательных температурах.

Препятствием к широкому практическому применению этих датчиков является лишь то, что до сих пор не решена полностью задача долговременной стабилизации их характеристик.

Кроме Окисей алюминия, в, сорбционных ЭГД использовались окиси и других металлов, имеющие развитую пористую поверхность, например пленки двуокиси олова, наносимые испарением в вакууме на фарфоровый стержень. У другого ЭГД, основанного на технике изготовления термисторов, влагочувствительный элемент содержит окись кобальта. Достоинством последних двух датчиков является возможность работы при температурах выше 100 °С.

Для ЭГД с оксидным слоем автором разработан способ температурной компенсации. Схема гидро - термодатчика, (построенного с использованием этого способа, показана на рис. 3. На внутренней и внешней цилиндрических поверхностях тонкостенной алюминиевой трубки имеются оксидные слои 2 и 3; поверх этих слоев нанесены проводящие графитовые слои (электроды) 4.Внутренняя полость трубки 1 заполнена влагоизолирующим лаком 5, вследствие чего влагочувствительный слой 3 находится в гигротермическом, а слой 2 только в термическом равновесии с окружающей средой. Такой «совмещенный гигротермодатчик» позволяет одновременно измерять влажность и температуру среды. На этом принципе можно осуществлять температурную компенсацию ЭГД различных типов и кон-” струкций.

5. Конструкция и функционирование сорбционного датчика на основе хлорида лития

Датчик состоит из трубки, обернутой тканью, которая пропитана раствором хлорида лития; на трубку намотаны два электрода, изготовленные из коррозионно-стойкого металла. На электроды подается переменное напряжение, создающее в растворе ток, который нагревает его и вызывает испарение воды.

После испарения воды ток, проходящий между электродами, резко уменьшается, поскольку проводимость кристаллического хлорида лития значительно ниже проводимости раствора, и соответственно снижается температура датчика. Одновременно хлорид лития, гидрофильность которого очень высока, снова адсорбирует водяной пар, что приводит к увеличению силы тока и температуры датчика. Таким образом, обеспечивается равновесие между твердым хлоридом лития и его раствором. В соответствии с указанным принципом это равновесие наступает при температуре, непосредственно связанней с давлением пара и, следовательно, также с точкой росы, так что определяется именно эта температура. В данной системе регулировка осуществляется с помощью самого хлорида лития. Пример конструкции датчика этого типа приведен на рис. 3.

Рис. 3. Сорбционный датчик на основе хлорида лития. а -схематическое изображение в разрезе (фирма Siemens); б -внешний вид (фирма Kichard et Pckly):

1-источник переменного тока; 2-индикатор температуры; 3-платиновый термометр сопротивления; 4-стекловолокно; 5-электроды;
6-изолированная металлическая трубка.

Некоторые гигрометры на основе LiCl снабжены источником питания постоянного тока, позволяющим перевести сигнал изменения омического сопротивления датчика влажности в сигнал изменения напряжения, который усиливается и затем линеаризуется с помощью схемы формирования сигнала, выдающей значение абсолютной влажности (рис. 4).

Рис. 4. Схема формирования сигнала сорбционного датчика на основе хлорида лития

Влияющие факторы

Скорость потока воздуха. Большая скорость потока воздуха, обтекающего датчик на основе хлорида лития, приводит к значительному охлаждению датчика и, следовательно, к систематической ошибке в измерениях. Поэтому необходимо либо работать в совершенно спокойном воздухе, что редко бывает возможно, либо вносить поправку, либо защищать датчик кожухом, что приводит к увеличению постоянной времени запаздывания.

Температура воздуха. Если температура воздуха такова, что относительная влажность вблизи датчика ниже 12%, то температура датчика равна температуре окружающего воздуха. Практически пределом можно считать 15 и даже 20%; поскольку датчик сам испускает тепло, температура слоя воздуха вблизи датчика ниже температуры окружающего воздуха.

Состояние анализируемого воздуха. Присутствие в воздухе частиц воды может вызвать замыкание витков и, следовательно, порчу датчика. Непроводящие частицы не мешают измерению, тогда как осаждение проводящих частиц (следовые количества SO₂, S0₃, NH₃ и т. п.) приводит к ошибочным измерениям. Датчик, используемый в грязном воздухе, необходимо часто подвергать регенерации.

Коррозионные газы: трехокись серы, высококонцентрированная двуокись серы, пары серной кислоты, аммиак, высококонцентрированная двуокись углерода, сероводород, газ с конденсирующимися тяжелыми углеводородами.

Некоррозионные газы: кислород, инертные газы, азот, водород, циановодород, природный газ, печной газ.

Метрологические характеристики

Гигрометры на основе хлорида лития позволяют измерить температуру точки росы с малой погрешностью. Тот факт, что равновесная температура получается при нагреве датчика, а не при его охлаждении, обеспечивает им важное преимущество по сравнению с конденсационнымя гигрометрами с точки зрения простоты, надежности и цены. Воспроизводимость датчика на основе хлорида лития может быть не менее ±0,2 °С, если он используется в стабильных условиях. Точность гигрометра зависит от точности встроенного датчика температур, от конструкции гигрометра и от режима его использования. Для большинства отградуированных датчиков суммарная погрешность измерений не превышает ±1 °С при скоростях воздушного потока <0,5 м/с. Однако в переходных областях между различными кристаллическими формами LiCl точность гигрометров значительно меньше.

Датчики на основе хлорида лития обычно используются в неблагоприятных условиях и при недостаточной информации о внешних влияниях. Поэтому эффективность их использования очень часто довольно низка. В результате градуировки, тщательной настройки и соблюдения мер предосторожности (особенно по скорости воздушных потоков) можно достичь точности определения точки росы в несколько десятых долей градуса. Постоянная времени датчиков этого типа составляет несколько минут.

Температура равновесия сорбционного гигрометра может находиться в интервале от - 40 до +120 °С, что соответствует точке росы от - 40 до +65 °С, но при этом появляются ограничения, вызываемые образованием различных гидратов хлорида лития, которые снижают температуру точки росы. В условиях перехода могут возникать метастабильные гидраты, которым отвечают различные кривые давления пара, т.е. при медленном охлаждении чистой воды до температуры ниже 0 °С происходит явление переохлаждения.

Поскольку датчики обычно используют в интервале температур от -10 до +60 °С, для температуры точки росы можно привести два интервала погрешности:

- при -10 °C <= T_d <= +34 °C и +41 °С <= Т_d <= +65 °С погрешность определения Т_d составляет ±1 °С;

Cписок литературы

сорбционный датчик влажность материал литий

1. Румянцев К.Е. ... «Физические основы сенсорной электроники».

2. Пихтин А.Н … «Основные параметры электронных устройств».

3. http://msd.com.ua/izmereniya-vlazhnosti/elektricheskie-sorbcionnye-datchiki/ - Электрические сорбционные датчики.

Размещено на Allbest.ru