Пьезорезонансный датчик для определения относительной влажности воздуха

Авторы патента:

Базарский Олег Владимирович (RU)

Коновалов Денис Валерьевич (RU)

Кочетова Жанна Юрьевна (RU)

Кучменко Татьяна Аатольевна (RU)

G01N25/56 - путем определения влагосодержания

Владельцы патента RU 2632997:

Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации (RU)

Использование: для определения влажности атмосферного воздуха. Сущность изобретения заключается в том, что пьезорезонансный датчик содержит камеру с генератором частоты колебаний пьезорезонатора, пьезорезонатор и частотомер, камера оснащена изменителем и измерителем температуры, последовательно соединенными с блоком обработки и хранения информации, блоком отображения результатов измерения относительной влажности воздуха, при этом выход частотомера и выход измерителя температуры соединены с первым и вторым входами блока обработки и хранения информации, а электроды пьезорезонатора модифицированы пленкой поливинилпирролидона. Технический результат: обеспечение возможности определения относительной влажности воздуха в интервале от 0,01 до 100% относит. в широком интервале температур, в том числе и отрицательном. 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к газовому анализу, в частности к детектирующим устройствам для определения влажности атмосферного воздуха.

Известен адсорбционный датчик влажности газов, содержащий непроводящую подложку с нанесенным на ее поверхность влагочувствительным покрытием в виде монокристаллической автоэпитаксиальной пленки арсенида галлия и металлическими токопроводящими контактами [Патент РФ №1798672. Μ Кл. 4 G01N 27/22]. Однако датчик характеризуется низкой чувствительностью и узким диапазоном измеряемых концентраций.

Ближайшим техническим решением к заявляемому является пьезорезонансный датчик влажности газов (в том числе и атмосферного воздуха) на основе пьезорезонатора (ПКР), электроды которого модифицированы тонкой поликристаллической пленкой селенида цинка. Принцип работы пьезорезонансного датчика влажности газов основан на адсорбционно-десорбционных процессах, протекающих на влагочувствительной пленке-модификаторе электродов и вызывающих изменение ее массы, а следовательно, и частоты колебаний ПКР. Датчик помещен в камеру, через которую непрерывно или периодически прокачивается водосодержащий газ [Пьезорезонансный датчики влажности газов Кировская И.А., Федяева О.А. Патент RU 2141639, G01N 5/02].

Недостатками этого датчика являются низкая сорбционная емкость пленочного покрытия электродов резонатора, что делает возможным измерение относительной влажности воздуха в узком интервале относительной влажности от 0,01 до 0,22%. Кроме того, в литературе есть данные, что пьезосорбционные датчики влажности могут стабильно работать только при температурах окружающей среды выше 5°С, так как выделение энергии при фазовом переходе воды значительно влияет на интенсивность сорбции и тем самым искажает результаты анализа [Кочетова Ж.Ю., Базарский О.В., Кучменко Т.А. и др. Определение влажности воздуха в широком диапазоне температур и концентраций // Аналитика и контроль, 2012, Т. 16, №1, с. 56-63]. Известно также, что пьезосорбционные измерительные устройства характеризуются низкой селективностью вследствие одновременной сорбции на пленке модификатора электродов ПКР сопутствующих соединений [Агеев О.Α., Маминкова В.М., Петров В.В. Микроэлектронные преобразователи неэлектрических величин. - Таганрог, ТРТУ, 2000, 153 с.].

Технический результат изобретения заключается в возможности определения относительной влажности воздуха в интервале от 0,01 до 100% относит. в широком интервале температур, в том числе и отрицательном, за счет уменьшения температуры в камере с помощью изменителя температуры и измерения температуры начала конденсации паров воды (точки росы) на пленочном покрытии электродов, которая сопровождается значительным изменением частоты колебаний ПКР. Увеличение интервала рабочих концентраций устройства достигается также за счет применения в качестве пленки-модификатора электродов пьезорезонатора поливинилпирролидона (ПВП) - гидрофильного полимера с высокой чувствительностью и сорбционной емкостью по отношению к парам воды, объясняющейся способностью сорбента к образованию водородных связей, капиллярной конденсации и набуханию [Красильникова О.К., Вартапетян Р.Ш., Фельдштейн Μ.М. Изменение объема смеси ПЭГ-ПВП в процессе сорбции воды. - Структура и динамика молекулярных систем, 2002, т. 1, с. 278-281]. Повышение селективности и точности определения относительной влажности воздуха достигается за счет того, что в предложенном пьезорезонансном датчике конденсационного типа аналитическим сигналом является температура начала конденсации воды, тогда как известный датчик пьезосорбционного типа градуируется по изменению частоты колебаний в зависимости от массы адсорбированных на электродах ПКР газов (в том числе и мешающих определению паров воды естественных и антропогенных газов, содержащихся в атмосферном воздухе) [Агеев О.Α., Маминкова В.М, Петров В.В. Микроэлектронные преобразователи неэлектрических величин - Таганрог, ТРТУ, 2000, 153 с.].

Технический результат изобретения достигается тем, что в пьезорезонансном датчике для определения относительной влажности воздуха, содержащем камеру с генератором частоты колебаний пьезорезонатора, пьезорезонатором и частотомером, согласно изобретению камера оснащена изменителем и измерителем температуры, последовательно соединенными с блоком обработки и хранения информации, блоком отображения результатов измерения относительной влажности воздуха, при этом выход частотомера и выход измерителя температуры соединены с первым и вторым входами блока обработки и хранения информации, а электроды пьезорезонатора модифицированы пленкой поливинилпирролидона.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена блок-схема пьезорезонансного датчика для определения влажности воздуха по точке росы, а на фиг. 2 приведены примеры интегральных кривых, иллюстрирующих изменение частоты колебаний ПКР в зависимости от изменения температуры в ячейке детектирования и протекающих на пленке-модификаторе процессов - сорбции (пик I) и конденсации (пик II) паров воды с разными концентрациями.

На фиг. 1 обозначено: 1 - корпус камеры, 2 - пьезорезонатор с модифицированными поливинилпирролидоном электродами, 3 - генератор частоты колебаний пьезорезонатора, 4 - частотомер, 5 - изменитель температуры, 6 - измеритель температуры, 7 - блок обработки и хранения информации, 8 - блок отображения результатов измерения относительной влажности воздуха.

Изменитель температуры 5 предназначен для постепенного охлаждения воздуха в камере до температуры точки росы (Т_р, °С), им может служить элемент Пельтье [https://ru.wikipedia.org/ wiki/Элемент_Пельтье]. Измеритель температуры 6 предназначен для измерения температуры воздуха в камере (t, °С) при его охлаждении до Т_р точки росы. Им может служить термометр с выносным датчиком [http://www.thermo-ac.ru/pribor/tk509.html: Электронный термометр с выносным датчиком ТК-5.09].

Блок 7 предназначен для обработки и хранения информации: сбора измеренных величин частоты колебаний пьезорезонатора (ΔF, Гц) и температуры в камере (t, °С); построения зависимости ΔF/Δt=ƒ(t); определения пика конденсации паров воды по построенным зависимостям; определения Т_р, соответствующей максимуму пика конденсации паров воды; сопоставления Т_р с относительной влажностью воздуха (RH, % относит.) с помощью хранящейся в блоке 7 психрометрической таблицы [Метеорологические измерения на аэродромах. СПб.: Гидрометеоиздат, 2008. 427 с.]; а также для хранения результатов измерения RH. В качестве блока обработки и хранения информации может служить процессор персонального компьютера (ПК). Блок 8 предназначен для отображения результатов измерения относительной влажности воздуха в единицах относительной влажности воздуха (RH, % относит.). Им может служить монитор ПК или цифровое табло.

На фиг. 2 обозначено: I, II - пики сорбции и конденсации при влажности воздуха 1 - 20, 2 - 50 и 3 - 90% относит соответственно.

Пьезорезонансный датчик для определения относительной влажности воздуха работает следующим образом.

В камере 1 закрепляют пьезорезонатор с модифицированными пленкой ПВП электродами 2; включают генератор частоты колебаний пьезорезонатора 3 и частотомер 4; через камеру пропускают осушенный силикагелем воздух или инертный газ (например, азот) до установления постоянного значения частоты колебаний пьезорезонатора F₀. Затем в камеру подают пробу воздуха (в непрерывном или периодическом режимах) и одновременно включают изменитель температуры 5 и измеритель температуры 6. В качестве изменителя температуры используют, например, элемент Пельтье ТЭМ 127 1,4-16, который понижает температуру в камере от температуры окружающей среды до точки росы. В качестве измерителя температуры применяют, например, электронный термометр с выносным датчиком ТК-5.09.

В результате сорбции и конденсации паров воды на модифицированных электродах ПКР его частота колебаний уменьшается на величину ΔF=F₀-F. Сорбция паров воды на поливинилпирролидоне происходит в первые 5 с после ввода пробы в камеру, после чего частота колебаний пьезосенсора не изменяется. При дальнейшем понижении температуры в камере в результате конденсации паров воды частота колебаний ПКР уменьшается при температуре, соответствующей Т_р [Кочетова Ж.Ю., Базарский О.В., Кучменко Т.А. и др. Определение влажности воздуха в широком диапазоне температур и концентраций // Аналитика и контроль, 2012, Т. 16, №1, с. 56-63]. Пример изменения частоты колебаний ПКР в зависимости от температуры в ячейке детектирования приведен фиг. 2 в виде дифференциальной кривой ΔF/Δt=ƒ(t), где пик I соответствует сорбции, а пик II - конденсации паров воды. Величина пиков и температура, соответствующая максимальному изменению частоты колебаний при конденсации паров воды, зависят от ее концентрации в анализируемой пробе. На фиг. 2 приведены кривые сорбции и конденсации паров воды с концентрациями в воздухе 4,6 (1); 11,5 (2); 20,7 (3) г/м³, что соответствует влажности воздуха 20, 50 и 90% относит.

Измеренные частотомером 4 и термометром 6 в камере 1 значения ΔF и t соответственно поступают в блок обработки и хранения информации 7 (например, в процессор ПК), где строятся зависимости скорости изменения частоты колебания ПКР от температуры в камере ΔF/Δt=ƒ(t); определяются по максимальному изменению частоты колебаний пик I и пик II, соответствующие сорбции и конденсации паров воды; определяется Т_р, соответствующая максимуму пика II; по значению Т_р находится RH (% относит.) с помощью хранящейся в блоке 7 психрометрической таблицы. Полученные результаты измерения относительной влажности воздуха могут храниться в блоке 7. Результаты измерений RH по температуре точки росы поступают в блок отображения информации 8, которым может служить монитор ПК или цифровое табло.

Сравнение некоторых характеристик предлагаемого технического решения и ближайшего аналога представлено в таблице.

Предложенный пьезорезонансный датчик для определения относительной влажности воздуха позволяет:

1) определять относительную влажность воздуха в интервале от 0,01 до 100% относит. в широком интервале температур, в том числе и отрицательном, за счет уменьшения температуры в камере с помощью изменителя температуры и измерения температуры начала конденсации паров воды (точки росы) на пленочном покрытии электродов, которая сопровождается значительным изменением частоты колебаний ПКР. Увеличение интервала рабочих концентраций устройства достигается также за счет применения в качестве пленки-модификатора электродов пьезорезонатора поливинилпирролидона (ПВП) - гидрофильного полимера с высокой чувствительностью и сорбционной емкостью по отношению к парам воды, объясняющейся способностью сорбента к образованию водородных связей, капиллярной конденсации и набуханию.

2) повысить селективность и точность определения относительной влажности воздуха за счет того, что в предложенном пьезорезонансном датчике конденсационного типа аналитическим сигналом является температура начала конденсации воды, тогда как известный датчик пьезосорбционного типа градуируется по изменению частоты колебаний в зависимости от массы адсорбированных на электродах ПКР газов (в том числе и мешающих определению паров воды естественных и антропогенных газов, содержащихся в атмосферном воздухе).

Пьезорезонансный датчик для определения относительной влажности воздуха, содержащий камеру с генератором частоты колебаний пьезорезонатора, пьезорезонатором и частотомером, отличающийся тем, что камера оснащена изменителем и измерителем температуры, последовательно соединенными с блоком обработки и хранения информации, блоком отображения результатов измерения относительной влажности воздуха, при этом выход частотомера и выход измерителя температуры соединены с первым и вторым входами блока обработки и хранения информации, а электроды пьезорезонатора модифицированы пленкой поливинилпирролидона.

Изобретение относится к способам оценки состояний теплоизоляции стен зданий и сооружений с учетом степени их увлажнения, которая изменяется в процессе эксплуатации зданий и сооружений.

Способ определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах // 2580316

Изобретение относится к геологии и может быть использовано при проектировании зданий и сооружений для определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах. Для этого осуществляют бурение скважин с отбором керна, оттаивают полученный образец замороженного грунта и определяют суммарное содержание влаги по непрерывному изменению информативного показателя в ходе оттаивания.

Способ определения воды в координационных соединениях // 2555360

Изобретение относится к качественному и количественному определению воды во внутренней сфере координационных соединений (КС) и может найти применение в координационной химии и фармации.

Способ определения влагоемкости твердых гигроскопичных объектов // 2522754

Изобретение относится к области методов проведения оперативного контроля и регулирования влажности в герметичных контейнерах с электронными приборами для обеспечения надежности их функционирования.

Устройство автоматизированного управления многоопорной дождевальной машиной фронтального действия для точного полива // 2522526

Устройство автоматизированного управления многоопорной дождевальной машиной фронтального действия для точного полива включает установленные на тележках с электроприводом трубопроводы правого и левого крыльев машины, блок синхронизации движения по курсу с направляющим тросом и блок управления скоростью движения машины.

Способ определения влагосодержания газов и устройство для его осуществления // 2506574

Изобретение относится к области измерения влагосодержания газов. Способ заключается в том, что газ подвергают сжатию в замкнутой измерительной камере, в которой установлено равноплечевое коромысло, снабженное измерительным поплавком и противовесом, до давления, при котором плотность газа становится равной плотности измерительного поплавка, что определяют по всплытию поплавка и горизонтальному положению коромысла, фиксируют значения температуры и давления в замкнутой измерительной камере в момент всплытия поплавка и используя измеренные значения, определяют значение влагосодержания исследуемого газа по следующим соотношениям: где ρпара - плотность водяного пара, ρпара=0,803 г/литр ρсух - плотность сухого воздуха, ρсух=1,293 г/литр где Vпопл - объем поплавка (в литрах), mпопл - вес поплавка с учетом противовеса (в граммах), T0=273°C, tлаб - температура исследуемого воздуха, °C, P0 - нормальное атмосферное давление, P0=760 мм рт.ст., Pлаб - давление в лаборатории, мм рт.ст., ΔPизб - величина избыточного давления ΔPизб=(Pкамера-Pлаб), мм рт.ст. Pкамера - давление в измерительной камере в момент всплытия поплавка, мм рт.ст. Техническим результатом является снижение эксплуатационных затрат и повышение безопасности измерений. .

Способ определения влагосодержания воздуха // 2505804

Изобретение относится к области измерения влагосодержания воздуха (газов), в частности может быть использовано для поверки гигрометров без демонтажа с места установки.

Способ измерения относительной влажности воздуха // 2486498

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения относительной влажности воздуха от 0 до 100% в интервале температур (- 20÷50)°С.

Устройство для определения содержания нерастворенной воды в технических жидкостях // 2478941

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. .

Способ измерения концентрации воды в нефтепродукте // 2456584

Изобретение относится к средствам измерения обводненности жидких нефтепродуктов и может быть использовано для определения доли воды в нефтепродуктах при их переработке и/или сжигании и/или приготовлении водно-топливных эмульсий (ВТЭ).

Способ оценки комфортности микроклимата в помещениях жилых, общественных и административных зданий // 2636807

Изобретение относится к системам контроля эффективности работы систем отопления, вентиляции и кондиционирования жилых, общественных и административных зданий и может быть использовано при проектировании, реконструкции и оптимизации режимов работы указанных систем, а также при разработке и внедрении энергосберегающих мероприятий. В способе оценки комфортности микроклимата в помещениях жилых, общественных и административных зданий, заключающемся в измерении в помещении температуры воздуха, относительной влажности, подвижности воздуха, температуры окружающих поверхностей, предварительно определяют преимущественный тип и характеристики выполняемой работы, а также сопротивление теплопроводности преимущественного типа одежды людей, дополнительно измеряют температуру поверхности одежды человека, концентрацию диоксида углерода в воздухе обследуемого помещения и в наружном воздухе, вычисляют составляющие уравнения теплового баланса человека, определяют коэффициент комфортности теплового состояния человека k1, коэффициент радиационного охлаждения k2, коэффициент асимметрии радиационных потоков k3, коэффициент качества воздушной среды k4. Вычисляют уровень комфортности микроклимата по формуле: W=k1⋅k2⋅k3⋅k4, и оценивают уровень комфортности микроклимата по следующей шкале: <-0,5 - холодно, дискомфорт, -0,3÷-0,5 - прохладно, легкий дискомфорт, 0÷-0,3 - прохладно, но комфортно, 0 - комфорт, 0÷0,3 - тепло, но комфортно, 0,30÷0,5 - тепло, легкий дискомфорт. Технический результат - повышение точности определения уровня комфортности помещений жилых, общественных и административных зданий.

Измеритель содержания дисперсной фазы в газовом потоке // 2644449

Изобретение относится к области контроля качества подготовки природного и попутного нефтяного газов к транспорту, а также к области контроля качества жидкостей, транспортируемых по трубопроводам, в нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано на топливно-энергетических, химических, нефтехимических и нефтегазоперерабатывающих предприятиях. Измеритель содержания дисперсной фазы в газовом потоке, включающий пробоотборный зонд, сепаратор, снабженный фильтр-патроном и мерником для отсепарированной жидкости из газа, клапан регулировки расхода газа, емкость с ингибитором и клапан подачи ингибитора к клапану регулировки расхода газа, фильтр-патрон для улавливания механических примесей из газа, при этом дополнительно содержит устройство для автоматического перемещения пробозаборного зонда по сечению исследуемого трубопровода, преобразователь перепада давления между пробозаборной линией и исследуемым газодисперсным потоком, предназначенный для осуществления изокинетичного пробозабора за счет автоматического поддержания клапаном-регулятором, установленным на выходе пробоотборной линии, нулевого значения разницы давлений между пробозаборной линией и исследуемым газодисперсным потоком, средства термостатирования, массовый расходомер для учета количества отсепарированной жидкости в мернике, содержащем уровнемер. Технический результат - повышение точности измерения содержания дисперсной фазы в потоке. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Способ определения удельной объемной теплоты сгорания природного горючего газа в бомбовом калориметре и устройство для заполнения калориметрической бомбы горючим газом // 2646445

Изобретение относится к области исследования свойств материалов с помощью калориметрических измерений и может быть использовано в бомбовых калориметрах для определения теплоты сгорания горючих газов. Предложен способ определения удельной объемной теплоты сгорания (ОТС) природного горючего газа в бомбовом калориметре, включающий предварительное измерение объема калориметрической бомбы, предварительное определение энергетического эквивалента калориметра, заполнение калориметрической бомбы анализируемым газом, последующее заполнение бомбы сжатым кислородом, установку бомбы в калориметр, сжигание газа в бомбе и калориметрическое измерение выделившегося количества теплоты. Способ осуществляют с использованием предлагаемого устройства для заполнения калориметрической бомбы горючим газом. Предварительное определение энергетического эквивалента калориметра осуществляют сжиганием в калориметрической бомбе калибровочного газа с известной удельной ОТС. Все операции при определении энергетического эквивалента калориметра и при определении удельной ОТС анализируемого газа аналогичны. Способ позволяет осуществлять предварительное измерение объема калориметрической бомбы с погрешностью, большей, чем требуемая погрешность определения удельной ОТС. В бомбу перед заправкой при помощи предлагаемого устройства анализируемым (или калибровочным) газом наливают известный объем воды, бомбу вакуумируют, оставляя v частей воздуха и водяного пара от их полного объема V в бомбе, напускают горючий газ в большем объеме, чем V, и повторяют операцию вакуумирования с последующим наполнением бомбы горючим газом n раз, пока доля оставшегося воздуха с парами воды в бомбе d, вычисляемая по формуле d=(v/V)n, не станет меньше желаемой, затем бомбу с газом и водой термостатируют, определяют температуру бомбы по температуре термостата, определяют давление газа в ней, парциальное давление насыщенных паров воды по температуре бомбы, вычисляют величину части объема бомбы, заполненной газом, как разность объема бомбы и объема предварительно налитой воды, сжигают газ и калориметрически измеряют теплоту его сгорания. Технический результат - повышение точности измерений. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.