СОРБЦИОННО-ЕМКОСТНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ВЛАЖНОСТИ ГАЗА

Полезная модель относится к устройствам, применяемым в системе магистрального транспорта газа, а также предприятиях добычи и переработки газа и может быть применено для определения концентрации влаги в природном газе, находящемся под избыточным давлением до 15 МПа.
Устройство представляет собой сорбционно-емкостной чувствительный элемент (далее - ЧЭ) выполненный как конденсатор переменной емкости, состоящий из диэлектрического слоя из пористой керамики и двух обкладок из платины (для агрессивных сред) или серебра (для слабоагрессивных сред).
На сегодняшний день науке известны следующие технические решения, сводная информация о которых приведена в таблице 1:
1. Известен емкостный датчик диэлектрических свойств газообразных и жидких сред [1]. Емкостный датчик диэлектрических свойств газообразных и жидких сред выполнен из обкладок металлических одножильных или многожильных проволок, покрытых изоляцией и произвольно уложенных в клубок, который помещен в корпус с измеряемой средой, представляющий собой измерительную камеру.
Недостаток известного решения заключается в невозможности работы под избыточным давлением свыше 1 МПа и отсутствием стабильной чувствительности в диапазоне от 0 до 5% относительной влажности. Также к недостаткам данного технического решения относиться необходимость применения измерительной камеры, ограничивающей области, в которых может применяться преобразователь:
- измерительная камера имеет геометрические размеры, которые могут не удовлетворять требованиям по монтажу на оборудовании в следствии отсутствия свободного места;
- для монтажа на технологическом оборудовании в уличных условиях, требуется обеспечивать для измерительной камеры нормальные условия в части температуры, воздействия осадков, а также защищать камеру от воздействия других негативных факторов, влияющих на качество измерения.
2. Известен емкостной сорбционный датчик влажности газов [2].
Датчик состоит из двух обкладок, выполненных из многожильной проволоки, изолированные или не изолированные лаком, покрытые шелковой изоляцией и уложенные бифилярно на ребристый каркас, а также клеммы для подключения измерительного устройства к обкладкам датчика, соответственно первой и второй.
Минусом датчика является то что при выборе конструкции с более высокой чувствительностью и значительной удельной начальной емкостью, его инерционность, как правило, будет выше инерционности датчика с более низкими чувствительностью и удельной начальной емкостью.
Также к минусам относится невозможность работы устройства на высоких давлениях и неустойчивость к агрессивным средам, в виду использования в конструкции органических материалов.
3. Известен емкостный сенсор влажности газообразной среды [3], емкостной сенсор влажности которого содержит чувствительный элемент конденсаторного типа, состоящий из диэлектрического субстрата, нижнего электрода из коррозионно-стойкого металла или сплава, верхнего наноструктурированного электрода из коррозионно-стойкого металла или сплава, проницаемого для паров влаги, и влагочувствительного слоя, имеющего диэлектрическую постоянную, меняющуюся в зависимости от количества паров воды в окружающей среде.
Минусом устройства является возможность применения при температурах в диапазонах:
- от 0°С до 400°С для измерений окружающего воздуха;
- от 0°С до 450°С в инертной атмосфере.
4. Известен датчик влажности воздуха емкостной [4].
2
2
Его минусами является сложная технология изготовления в которой формирование емкостного сенсора влажности осуществляется следующим образом: Si субстрат пассивируется SiO, затем на нем формируют металлическую разводку Аи  и адгезионный слой Cr  В качестве влагочувствительного слоя используют полиамидокислоту - продукт поликонденсации тримеллитового ангидрида и м-фенилендиамина, который наносится центрифугированием. Условия формирования слоя: сушка при 50°С - 4 ч в вакууме, 200°С - 1 ч, 300°С - 1 ч для полной и постепенной циклизации. Получают пленку 1-1.2 мкм, рельеф формируют с помощью кислородной плазмы: О RIE при давлении 100 мм рт.ст. Далее проводят осаждение верхнего электрода А1 и затем формирование рельефа стандартным фотолитографическим процессом с получением 50%, 60%, 70% эффективных площадок.
Также к недостаткам указанного сенсора относятся свойства материала, используемого в данной разработке, а именно нестабильность свойств полиамидокислоты во времени за счет гидролиза амидной связи в присутствии следов влаги и невозможность получить микрорельеф обычными фотолитографическими приемами, требуется дополнительная обработка кислородной плазмой.
5. Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является емкостный сенсор влажности газообразной среды [5], содержащий чувствительный элемент конденсаторного типа, состоящий из диэлектрического сорбционного слоя из субстрата, двух электродов, выполненных из паро-пропускаемого металла.
Минусами данного решения является сложность технологии изготовления, связанной с необходимостью:
- использования в качестве влагочувствительного слоя светочувствительной полимерной композиции на основе поли(о-гидроксиамида);
- формирования пленок на субстрате методом центрифугирования;
- термообработки сформированных пленок;
- фотоэкспонирования;
- нанесения верхнего электрода путем напыления в сверхвысоком вакууме лазерным распылением в режиме формирования наноструктурированной пленки материала;
- создания процесса искусственного старения влагочувствительного слоя для исключения гистерезиса при высоких значениях влажности.
Технической задачей и положительным результатом заявляемого изобретения является разработка нового емкостного сенсора для определения относительной влажности газообразной агрессивной (кислотной, щелочной, а также сероводородсодержащей) среде с надежными параметрами, работающего в широком диапазоне (2-98%) измерения влажности газов в диапазоне абсолютного давления от близкого к 0 до 16 МПа при температуре от -50 до 650°С, обладающего чувствительностью не менее 0,1% относительной влажности, и временем реакции не более 5 секунд при увеличении относительной влажности на 10%. Также технической задачей является изготовление вышеуказанного сенсора по максимально простой технологии.
Технический результат достигается за счет того, что емкостный сенсор влажности газообразной среды (фиг. 1), состоит из сорбционного слоя (фиг. 1, поз. 1), выполненного из пористой керамики, заключенного между двумя перфорированными электродами (фиг. 1, поз. 2), выполненными из коррозионностойкого металла. Подключение сенсора к измерительной плате производиться с помощью выводов-контактов (фиг. 1, поз. 3). Опытный образец емкостного сенсора влажности имеет габаритные размеры в соответствии с таблицей 1.
Сенсор имеет диэлектрическую характеристику, меняющуюся в зависимости от сорбированного влагочувстсвительным слоем количества влаги из измеряемого газа.
Составные части емкостного сенсора (сорбционный слой и электроды) устойчивы к воздействию кислот и щелочей, воздействию давления и температуры в указанных диапазонах (0 до 16 МПа абсолютного давления при температуре от -50 до 650°С).
Основными отличительными признаками заявляемого изобретения являются:
- использование в качестве влагочувствительного слоя стойкой к воздействию агрессивных сред в широком диапазоне температур и давлений пористой керамики, отожженной из порошка Т-150;
- нанесение электродов при температуре 960°С что обеспечивает их стабильный контакт с подложкой из керамики при высоких температурах;
- возможность применения сенсора непосредственно в потоке измеряемой среды под воздействием высоких давления и температур;
- технологически простая процедура изготовления сенсора.
Чувствительный элемент предназначен для измерения влагосодержания в природном газе в технологических трубопроводах и установках объектов магистрального транспорта газа. В качестве технологии определения температуры точки росы природного газа выбрана сорбционно-емкостная технология. Сорбционно-емкостной принцип измерения влажности заключается в поглощении чувствительным элементом влаги из измеряемой среды, что приводит к изменению его электрических параметров - емкости или сопротивления.
Конструктивно чувствительный элемент представляет собой пористый конденсатор, диэлектрический адсорбирующий слой и электроды которого свободно пропускают частицы влаги (фиг. 1)
Чувствительный элемент устроен таким образом, что при повышении влажности измеряемой среды влага свободно сорбировалась диэлектрическим слоем, а при понижении влажности также свободно отдавалась ЧЭ обратно в измеряемою среду, тем самым приводя его влажность в баланс с влажностью окружающей среды.
Сорбирующий слой - выполнен из химически однородного диэлектрика, пористой керамики с равномерным распределением пор образующих капиллярную структуру.
Электроды - выполнены из серебра или платины, стойких к химическим компонентам, содержащихся в природном газе в малых концентрациях. Электроды имеют сетчатую (перфорированную) структуру для обеспечения беспрепятственного проникновения влаги в сорбирующий слой и обратно. Структурная схема сорбционно-емкостного чувствительного элемента представлена на фигуре 1.
Пример 1: изготовление сорбирующего слоя.
Сорбирующий слой изготавливается из смеси керамического порошка марки Т-150, модифицированного алюминиевой пудрой в соотношении 1/3 по объему и виниловым спиртом. Смесь прессуется под давлением 70 МПа после чего проходит цикл ступенчатого обжига в кислородной среде в температурном диапазоне от 860 до 1240°С. После обжига образцы подвергаются обработке в соляной кислоте в ультразвуковой ванной, где происходит вымывание модифицирующей алюминиевой пыли в результате чего формируются сквозная пористость. Результаты испытаний в газовом поромере для различных пропорций модифицирующего порошка приведены в таблице 3.
Пример 2: нанесение электродов.
После обжига и вымывания модифицирующей примеси производится шлифовка заготовок сорбирующего слоя. После шлифовки на образцы наноситься раствор серебра или платины и производиться ступенчатый обжиг при соответствующих температурам плавления металлов значениях температуры (960 и 1760°С).
Нанесение раствора и обжиг проходит в 3 стадии. В результате формирования электродов их общая толщина составляет 50 мкм.
Пример 3: перфорирование электродов
После нанесения электроды проходят процедуру лазерной абляции. Через полученные отверстия в электродах обеспечивается взаимодействие капилляров сорбирующего слоя с измеряемой средой.
Фрагмент результатов испытания образцов приведен в таблице 3.
Список источников:
1. SU 1125530 А1 (230,541.11.1984) ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГАЗООБРАЗНЫХ И ЖИДКИХ СРЕД
2. 94030042 (20.06.1996) ЕМКОСТНОЙ СОРБЦИОННЫЙ ДАТЧИК ВЛАЖНОСТИ ГАЗОВ
3. 2167414 (20.05.2001) ЕМКОСТНОЙ ДАТЧИК ВЛАЖНОСТИ
4. 121079 (10.10.2012) ДАТЧИК ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА ЕМКОСТНОЙ
5. RU 2602489 С1 (15.07.2015) ЕМКОСТНЫЙ СЕНСОР ВЛАЖНОСТИ ГАЗООБРАЗНОЙ СРЕДЫ