Влагочувствительный элемент датчика влажности

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для контроля влажности воздуха и газов. Влагочувствительный элемент датчика влажности газов содержит неионогенное поверхностно-активное вещество (НПАВ), например полигликолевый эфир жирных кислот общей формулы R-СОО(СН₂СН₂O)₆Н, где R - остаток стеариновой кислоты, и растворитель, например этиловый спирт. Новый состав влагочувствительного элемента, за счет введения в него многоатомного спирта, общей формулой C_nH_m(OH)_k, например глицерина С₃Н₅(ОН)₃, обеспечивает уменьшение выходного сопротивления датчика и уменьшение его инерционности, за счет чего появляется возможность расширения диапазона измерений, включая измерение микровлажности. 2 табл., 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для непрерывного контроля влажности воздуха и газов и может быть использовано в разных областях народного хозяйства для контроля режима влажности в помещениях или в емкостях.

Известен датчик влажности, содержащий электроизоляционную подложку, на которой образованы параллельно расположенные гребенчатые электроды. На поверхностном участке подложки между упомянутыми электродами сформирована влагочувствительная пленка, обладающая протонной проводимостью (патент Японии №58105050, G01N 27/12, 1983 год). Недостатком известного датчика является нестабильность работы вследствие нарушения контакта электродов с влагочувствительной пленкой при набухании ее в атмосфере газа с большой влажностью и сжатия вследствие дегидратации.

Задачей заявленного решения является расширение диапазона измерений, включающее измерение микровлажности, при одновременном снижении выходного сопротивления датчика и уменьшении его инерционности.

Поставленная цель достигается за счет того, что известный влагочувствительный элемент датчика влажности, содержащий неионогенное поверхностно-активное вещество (ПАВ), например полигликолевый эфир жирных кислот общей формулы R-COC(CH₂CH₂O)₆H, где R - остаток стеариновой кислоты, и растворитель, например этиловый спирт, дополнительно содержит высокомолекулярный спирт, например глицерин общей формулы C_nH_m(OH)_k, при следующем соотношении компонентов мас.%:

- неионогенное ПАВ - 0,5÷2;

- многоатомный спирт - 0,5÷15;

- растворитель - остальное.

Технический результат, получаемый при реализации предложенного изобретения, состоит в том, что новый состав влагочувствительного элемента за счет введения в него вместо катионоактивного ПАВ многоатомного спирта общей формулой C_nH_m(OH)_k, например глицерина С₃Н₅(ОН)₃, обеспечивает уменьшение сопротивления датчика при микровлажности газа (суше -50°С по точке росы). Уменьшение удельного электрического сопротивления влагочувствительного элемента в десятки раз позволяет получить сопротивление датчика менее 1 МОм даже при микровлажности газа до -100°С по точке росы. Кроме того, меньшее значение ρ сорбента позволяет выполнить датчик с большим зазором между электродами, 2 мм вместо 0,2 мм, и с меньшей толщиной пленки сорбента (около 15 Ǻ вместо 200 Ǻ).

Заявленная совокупность признаков неизвестна заявителю из доступных источников информации, на основании чего можно сделать вывод о том, что заявленное решение является новым.

Анализ известных решений показывает, что заявленное решение позволяет осуществить контроль микровлажности воздуха при помощи нового состава покрытия влагочувствительного элемента, не применявшегося ранее.

Заявленное решение поясняется чертежами, где:

на фиг.1 представлена структура влагочувствительного элемента датчика влажности;

на фиг.2 - температурно-влажностная характеристика датчика влажности.

Влагочувствительный элемент датчика влажности содержит непористую изоляционную подложку 1 (например, ситалловую), на которой нанесены встречно-штыревые электроды 2. Поз.3 обозначены контактные площадки с выводами. На рабочую поверхность влагочувствительного элемента нанесен влагочувствительный состав, содержащий неионогенное поверхностно-активное вещество (ПАВ), например полигликолевый эфир жирных кислот общей формулы R-СОС(CH₂СН₂СН₂О)₆Н, где R - остаток стеариновой кислоты, высокомолекулярный спирт, например глицерин общей формулы C_nH_m(OH)_k, и растворитель, например этиловый спирт.

Предлагаемый датчик влажности работает следующим образом. Датчик влажности помещают в атмосферу с известной относительной влажностью и измеряют его электросопротивление на переменном токе. После этого строят график зависимости электросопротивления датчика от влажности атмосферы (воздуха). Для определения неизвестной относительной влажности воздуха датчик помещают в объем этого воздуха и измеряют электросопротивление датчика на переменном токе. Затем по графику зависимости электросопротивления датчика от влажности стандартных образцов воздуха определяют относительную влажность воздуха.

Для сравнительных измерений были изготовлены структуры на ситалловой подложке размером 16×20 мм (фиг.1) с нанесенными на ней встречно-штыревыми электродами методом фотолитографии. Рабочие поверхности центрифугированием покрывались сорбентами известного и заявленного составов. Сорбент наносился на всю поверхность влагочувствительного элемента, исключая контактные площадки 3 с выводами. После чего они термостатировались при температуре +50°С в течение 2 часов и помещались в измерительную камеру. Влажность задавалась образцовым генератором влажного воздуха «Полюс», температура поддерживалась жидкостным криотермостатом Т-3.1.

Результаты измерений с известным и предлагаемым сорбентом приведены в таблице 1.

Таблица 1
Абсолютная влажность τ, °С т.р.	T, °C измерительной камеры с датчиком	Сопротивление датчика, МОм	Состав влагочувствительного элемента
-60,2	+15	R1=27,63	Неионогенные ПАВ - 1,5 Катионоактивные ПАВ - 1,5 Растворитель - остальное
R2=0,347	Неионогенные ПАВ - 1,5 Глицерин - 8,5 Растворитель - остальное

Измерения сопротивлений производилась с помощью прибора Е7-21 на частоте 100 Гц.

Как видно из таблицы 1, сопротивления датчиков одинаковой геометрии, но с различными сорбентами, отличаются почти в сотни раз, что очень важно при измерениях микровлажности газов.

Изменение сопротивления датчика ΔR_x при изменении влагосодержания газа определяют по формуле:

где Δρ - изменение удельного электрического сопротивления сорбента;

δ₀ - зазор между электродами датчика;

l_э - длина электродов датчика;

n - общее количество штырей электродов;

h_с - толщина пленки сорбента.

Зазор между электродами датчика δ₀ обуславливает чувствительность датчика, а толщина пленки сорбента h_с его инерционность.

Переменное напряжение U_ген подается с генератора на последовательное соединение добавочного резистора R_доб и датчика влажности, и с датчика влажности снимается выходное напряжение U_вых, которое можно найти по формуле:

где U_ген - переменное напряжение (частота 32 Гц) с генератора, В;

R_x - электрическое сопротивление сорбента между электродами, Ом;

R_доб - добавочное сопротивление, включенное последовательно с датчиком влажности, Ом.

На фиг.2 показаны две зависимости выходного напряжения от температуры при абсолютной влажности -50°С и -60°С по точке росы: кривая 1 - зависимость выходного напряжения от температуры при влажности -60°С по т.р., кривая 2 - зависимость выходного напряжения от температуры при влажности -50°С по т.р. Приведенный график показывает чувствительность датчика влажности, а также равномерную зависимость выходного напряжения от температуры при разных значениях микровлажности.

Конкретные примеры изменения сопротивления R_д в зависимости от состава влагочувствительного элемента приведены в табл.2

Таблица 2
τ, °С т.р.	Состав влагочувствительного элемента
НПАВ 2 мас.% КПАВ 2%	НПАВ 2 мас.% С3Н8О3 0,5%	НПАВ 2 мас.% С3Н8O3 15%	НПАВ 2 мас.% С3Н8О3 20%
-60	Rд=32 МОм	Rд=2294 КОм	Rд=399,2 КОм	Rд=394,8 КОм
-50	Rд=31,9 МОм	Rд=1951 КОм	Rд=269,4 КОм	Rд=265,6 КОм

Измерения проводились при температуре +20°С в термостате жидкостном Т-3.1 на переменном токе частотой 100 Гц с помощью прибора Е7-21.

Как видно из результатов измерений (таблица 2), заметный эффект снижения сопротивления влагочувствительного элемента R_д наблюдается уже при добавлении многоатомного спирта всего 0,5 мас.%. Увеличение концентрации свыше 15% нецелесообразно, поскольку эффект снижения сопротивления уже незначителен. Для определения оптимального значения добавки многоатомного спирта необходимы исследования в каждом отдельном случае.

Таким образом, предлагаемый состав влагочувствительного элемента датчика влажности обеспечивает его стабильную работу в широком диапазоне влажности, включая условия микровлажности.

Влагочувствительный элемент датчика влажности газов, содержащий неионогенное поверхностно-активное вещество (НПАВ), например полигликолевый эфир жирных кислот общей формулы R-СОО(СН₂СН₂О)₆Н, где R - остаток стеариновой кислоты, и растворитель, например этиловый спирт, отличающийся тем, что он дополнительно содержит высокомолекулярный спирт, например глицерин общей формулы C_nH_m(OH)_k при следующем соотношении компонентов, мас.%:

неионогенное ПАВ	0,5÷2
многоатомный спирт	0,5÷15
растворитель	остальное