ДАТЧИК ВЛАЖНОСТИ

Полезная модель относится к измерительной технике и предназначена для непрерывного контроля локальной влажности воздуха и иных газов.
Известно устройство для измерения относительной влажности воздуха (RU №2184369 G01N 25/56, G01N 27/22, G21C 17/00, опубл.: 27.06.2002), содержащее емкостной сенсор влажности и резистивный сенсор температуры, усилитель переменного напряжения, измеритель уровня переменного напряжения, функциональный блок, генератор переменного напряжения, электронный преобразователь сопротивления резистивного сенсора в напряжение (ток), регистратор, причем выход генератора соединен длинной линией с одним из контактов емкостного сенсора, выход усилителя напряжения соединен с входом измерителя уровня напряжения, выход которого соединен с одним из входов функционального блока, второй вход которого подсоединен к выходу преобразователя сопротивления в электрический сигнал (ток, напряжение), ко входу которого с помощью длинной линии подключен резистивный сенсор температуры, а выход функционального блока подсоединен к регистратору, отличающийся тем, что ко второму контакту емкостного сенсора подключена первичная обмотка согласующего трансформатора, второй конец которой соединяется длинной линией с генератором переменного напряжения, а ко вторичной обмотке трансформатора подключена сигнальная линия с волновым сопротивлением, второй конец которой подсоединен ко входным клеммам усилителя напряжения, причем модуль комплексного сопротивления первичной обмотки подключенного к сигнальной линии трансформатора должен быть в 100-200 раз меньше модуля комплексного сопротивления емкостного сенсора.
К недостаткам этого устройства следует отнести:
- низкую чувствительность из-за того, что параметры измерительного устройства (согласующий трансформатор) нелинейно зависят от температуры и воздействия радиационного излучения;
- большую инертность процесса измерения, т.к. диффузия молекул воды в пленочный конденсатор и из конденсатора является медленным нестационарным процессом;
- конструктивную сложность устройства.
Наиболее распространенными являются датчики влажности, физический принцип работы которых показан на рис. 1.
Известен также электролитический датчик влажности (RU 2263936, G01W 1/11, G01N 25/56, опубл.: 10.11.2005), содержащий электроизоляционное основание, электроизоляционную подложку с нанесенным на ее поверхность влагочувствительным покрытием на основе желатина, наружный слой которого загрублен, два накладных электрода, контактная поверхность которых выполнена оксидированной и плоской и соприкасается с влагочувствительным слоем, и измерительный прибор, подключенный к выводам накладных электродов, а также два прижимных узла, каждый из которых предназначен для создания постоянного давления соответствующего накладного электрода на рабочую поверхность влагочувствительного покрытия. Электрическим сигналом служит изменение электропроводности влагочувствительного слоя.
Недостаток данного устройства: неоднородность влагочувствительного слоя должна приводить к нелинейной зависимости между электрическим сигналом и уровнем влажности.
Датчик влажности с более сложным по процессу изготовления, влагочувствительным слоем предложен в патенте (RU 2365908, G01N 27/12, опубл.: 27.08.2009.) Датчик имеет электроизоляционную диэлектрическую подложку, изготовленную из боратно-висмутатного стекла. Влагочувствительный слой получен специальным травлением подложки. Два электрических контакта расположены в углублениях на поверхности подложки. Измерения проводятся на переменном токе частотой 1 кГц с помощью иммитансометра Ε 7-8. Электрическим сигналом служит изменение электропроводности влагочувствительного слоя.
Недостатками этого устройства являются: сложность в изготовлении и высокая стоимость.
Общим недостатком двух вышерассмотренных датчиковвлажности является то, что рабочая поверхность влагочувствительного слоя несимметрична - измерения ведутся только с одной стороны. При наличии пространственных градиентов плотности молекул воды в газе такие датчики будут давать непредсказуемые погрешности.
Наиболее близким к заявляемому датчику влажности по конструктивным особенностям является емкостной датчик влажности (RU 2167414 G01N 27/22, опубл. 20.05.2001), включающий токопроводящие обкладки и влагопоглощающий слой, выполненный из листового фильтрующего материала, пропитанного карбонатами щелочных металлов, причем токопроводящие обкладки помещены в герметичный диэлектрический чехол.
Недостатком данного емкостного датчика является невозможность фиксировать незначительные изменения влажности в небольшой временной промежуток, в силу его конструктивных особенностей, а именно - толщины влагопоглощающего материала, наличия диэлектрической пленки непосредственно вблизи поверхности токопроводящих обкладок, где и происходит отклик на изменение влажности в виде изменения емкости, наличие дополнительных элементов в виде решетчатых прокладок для поджатия влагопоглощающего слоя к токопроводящим обкладкам, усложняющих конструкцию и также снижающих чувствительность датчика.
Задачей настоящей полезной модели является создание простого по конструкции высокочувствительного датчика влажности, способного контролировать малые значения изменения влажности в небольшом объеме газа.
Поставленная задача достигается тем, что в датчике влажности, включающем влагопоглощающий слой, пропитанный солями щелочных металлов и токопроводящие обкладки, согласно заявляемой полезной модели, токопроводящие обкладки выполнены в виде двух металлических сеточек, между которыми расположен влагопоглощающий слой, выполненный из тонкой бумаги, пропитанной хлоридом натрия, металлические сеточки скреплены по периметру и соединены в последовательную электрическую цепь с источником тока и измерительным устройством.
В качестве тонкой бумаги в датчике влажности может быть применена папиросная бумага.
Бумага в датчике влажности может быть выполнена пористой.
Металлические сеточки в датчике влажности могут быть выполнены из латуни.
Металлические сеточки в датчике влажности могут быть скреплены по периметру клеевым слоем.
2
2
Металлические сеточки в датчике влажности могут быть выполнены в форме прямоугольников размером 10×10 мм с размером каждой из ячеек сеточек 1×1 мм.
В качестве измерительного устройства в датчике влажности может быть использован мультиметр.
В качестве измерительного устройства в датчике влажности может быть использован гальванометр.
Заявляемое устройство иллюстрируется чертежами:
На фиг. 1 показан внешний вид датчика влажности; на фиг. 2 - принципиальная схема датчика влажности; на фиг. 3 - схема экспериментальной установки с использованием датчика влажности; на фиг. 4 - график зависимости силы тока от времени.
Заявляемое устройство иллюстрируется чертежами:
Датчик влажности содержит (см. фиг. 1, 2 и 3) две металлические, преимущественно выполненные из латуни, сеточки (1), между которыми расположен влагопоглощающий слой (2), выполненный из тонкой бумаги, пропитанной хлоридом натрия, металлические сеточки соединены в последовательную электрическую цепь (3) с источником тока (4) и измерительным устройством (5). Металлические сеточки скреплены между собой по периметру, например, клеевым слоем (6). Бумага, размещенная между металлическими сеточками, может быть выполнена с порами (7).
Заявляемый датчик влажности собирают следующим образом.
Между двух металлических сеточек (1) укладывают влагопоглощающий слой (2) из папиросной бумаги, при этом размер бумаги должен превышать размер сеточек и несколько выходит за боковые стороны сеточек. Обжимают сеточки перпендикулярно их плоскости, плотно прижимая бумагу, склеивают сеточки по периметру водостойким клеем с образованием клеевого слоя (6). Склеивание конструкции происходит под небольшим давлением для плотной упаковки конструкции. Поскольку в заявляемом датчике влажности металлические (латунные) сеточки являются основным активным элементом измерительного устройства - электродами, их плотное прижатие к бумаге обеспечивает точную работу датчика. Склеенный датчик необходимо кратковременно поместить в 5% водный раствор хлорида натрия (NaCl), затем просушить. После просушки в центре ячеек латунных сеточек могут быть выполнены поры, ручным способом (иглой), механическим или автоматическим.
Работает датчик влажности следующим образом. При попадании молекул воды на влагопоглощающий слой - тонкую бумагу, содержащую атомы NaCl сопротивление цепи падет, сила тока растет. Попадание молекул воды во влагопоглощающий слой возможно сверху, снизу и сбоку через отверстие в бумаге.
Измерение концентрации молекул воды в газе происходит электрическим сигналом. При попадании молекул воды во влагопоглощающий слой сопротивление цепи падает, ток - растет. Источник постоянного тока, применяемый при измерениях, имеет напряжение 4,5-9 вольт. Регистрация тока осуществляется мультиметром. Для очень «тонких» измерений можно использовать гальванометр.
Показания измерительного устройства датчика пропорциональны плотности молекул воды в пространстве, прилегающем к датчику. В подтверждение этого факта были проведены экспериментальные измерения в устройстве, схема которого показана на фиг. 3. В высоком цилиндрическом сосуде находится слой воды. Датчик устанавливают на расстоянии x от поверхности воды. Воздух проветривают внутри цилиндра перед началом измерений. Измерения проводили при напряжении 70 вольт. Для этого необходим стабилизированный источник напряжения. Зависимость силы тока от времени показана на фиг. 4.
График практически совпадает с диффузионной кривой, вычисленной на основе уравнения одномерной диффузии, то есть, датчик влажности хорошо регистрирует процесс диффузии молекул воды в воздухе. Это подтверждает линейную зависимость между током и влажностью.
3
Заявляемый датчик влажности прост в изготовлении (не перегружен конструктивными элементами) и эксплуатации и позволяет измерять изменение влажности в размере не более 0,004 грамма воды на 1 м. Высокая чувствительность датчика обусловлена высокой проницаемостью и чувствительностью используемой в качестве влагопоглощающего слоя тонкой бумаги, в частном случае - папиросной, пропитанной хлоридом натрия и использованием токопроводящих обкладок, выполненных в виде металлических сеточек, которые, как выполняют роль электродов, так и прижимают бумагу. Предпочтительно использовать латунные сеточки, так как они не подвержены коррозии при обычных условиях и поэтому может использоваться неограниченно долго без изменения своих свойств. Молекулы воды, практически беспрепятственно попадают в устройство через ячейки сеточек и выходят из него. Все это позволяет датчику реагировать на минимальные изменения концентрации воды в воздухе или газе. При этом датчик не нарушает концентрационное поле молекул воды в окрестностях датчика. Точность измерения можно увеличить, увеличив напряжение источника тока в измерительной цепи.
Заявляемый датчик влажности может быть применен в химической промышленности, в сельском хозяйстве для контроля режима влажности в помещениях и в емкостях, а также в учебных и научных целях для измерения коэффициента диффузии молекул воды в различных газовых средах.