Резистивный датчик влажности воздуха
RESISTIVE AIR HUMIDITY SENSOR

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к контролю влажности в бытовых и промышленных помещениях и может быть использовано в сельском хозяйстве, например, при технологическом контроле процесса инкубации сельскохозяйственной птицы.
Известен датчик влажности воздуха, включающий основание в виде печатной платы с токопроводящими элементами и нагревательный элемент с размещенным на нем емкостным сенсором, причем токопроводящие элементы и сенсор влажности подключены к контрольно-измерительному прибору (патент РФ № 2738976, опубликован 21.12.2020, МПК A01K 41/04, G01N 27/00). Недостатком данного устройства является необходимость периодической регенерации и использование для этого нагревательного элемента.
Известен датчик влажности воздуха для первичного преобразования влажности во влагомерах воздуха, применяемых в сельскохозяйственном производстве, пищевой промышленности и в метеорологии. Датчик влажности воздуха содержит два токопроводящих электрода, размещенных на диэлектрической подложке, при этом электроды выполнены в виде плоских спиралей или колец, имеющих общую ось, на которых размещена влагочувствительная полимерная пленка кардиолипин  (патент РФ № 79674, опубликован 10.01.2009, МПК G01N 27/04). К недостаткам данного устройства относится то, что не известна скорость реакции датчика на изменение влажности, что особенно важно при уменьшении влажности. Кроме того, не показан механизм и способ возвращения датчика в исходное состояние для проведения следующего цикла измерений. Не определены диапазоны  от минимального до максимального  измерения относительной влажности воздуха.
Из уровня техники известна полезная модель «Датчик влажности» по патенту № 152497 (Опубликован: 10.06.2015, МПК G01N 27/00), который предназначен для непрерывного контроля локальной влажности воздуха и иных газов. Датчик влажности включает токопроводящие обкладки, выполненные в виде двух металлических сеточек. Между металлических сеточек расположен влагопоглощающий слой, выполненный из тонкой бумаги, пропитанный хлоридом натрия. Металлические сеточки скреплены по периметру и соединены в последовательную электрическую цепь с источником тока и измерительным устройством. Недостатком является то, что данный датчик влажности способен контролировать малые значения изменений влажности только в небольшом объеме газа. Кроме того, время срабатывания датчика составляет 10 минут, т.к. ток резистивного  датчика выходит на насыщение,  то есть производит измерение влажности,  в течение десяти минут.
Задачей настоящего изобретения является создание простого по конструкции высокочувствительного датчика влажности с коротким временем срабатывания.
4
2
0.95
4
2
0.05
Технический результат заключается в решении поставленной задачи путем сокращения времени срабатывания до 60 секунд за счет предложенной конструкции датчика и  использования в качестве влагопоглощающего слоя композита цитрогипса (CaSO⋅2HO) - (CuSO⋅5HO), являющегося отходом   производства лимонной кислоты.
Заявленный резистивный датчик влажности, включающий влагопоглощающий слой, токопроводящие обкладки, соединенные в последовательную электрическую цепь с источником тока и измерительным устройством, содержит следующие новые и неизвестные из уровня техники признаки:
4
2
0.95
4
2
0.05
- влагопоглощающий слой выполнен в виде бруска из композита цитрогипса (CaSO⋅2HO) - (CuSO⋅5HO), размещенного на диэлектрической подложке;
- токопроводящие обкладки представляют собой тонкие пластины толщиной не более 0,5 мм, нанесенные с противоположных сторон бруска из композита  цитрогипса и выполненные с возможностью соединения в последовательную электрическую цепь с источником тока и измерительным устройством посредством двух контактных проводов;
4
2
0.95
4
2
0.05
Неожиданно оказалось, что отход производства лимонной кислоты композит цитрогипса (CaSO⋅2HO) - (CuSO⋅5HO)   обладает возможностью быстро реагировать на изменение влажности воздуха как при уменьшении так и при увеличении ее, что обеспечивает возможность непрерывного контроля влажности в помещении и не требует проведения процесса регенерации, и таким образом позволяет гарантированно обеспечивать быстродействие датчика, а именно восстанавливать исходное сопротивление через 60 секунд.
Заявленное изобретение характеризуют следующие графические изображения.
4
2
0.95
4
2
0.05
Фиг. 1. Изображение резистивного датчика влажности, где 1 и 2 - контактные провода, 3 и 4 - токопроводящие обкладки, 5 – брусок  композита цитрогипса (CaSO⋅2HO) - (CuSO⋅5HO) , 6 - диэлектрическая подложка.
Фиг. 2. График циклического изменения сопротивления резистивного датчика в диапазоне от 35 % до 90 % относительной влажности.
4
2
0.95
4
2
0.05
Устройство содержит влагопоглощающий слой, выполненный в виде бруска 5 из композита цитрогипса (CaSO⋅2HO) - (CuSO⋅5HO)  размещенный на диэлектрической подложке 6, и снабженный двумя  токопроводящими обкладками 3 и 4, нанесенными с противоположных сторон на брусок 5. Указанные обкладки 3 и 4 представляют собой тонкие пластины толщиной не более 0,5 мм, и соединены  в последовательную электрическую цепь с источником тока и измерительным устройством (на фиг. не показаны) посредством двух контактных проводов 1 и 2 .
Пример работы устройства.
4
2
0.95
4
2
0.05
4
2
0.95
4
2
0.05
Устройство работает следующим образом. Переменный сигнал напряжением равным 1 В и частотой 1кГц через контактные провода 1 и 2 подают на металлические электроды 3 и 4. Под действием электрического напряжения, поданного на электроды 3 и 4, в цепи «электрод 3 – брусок цитрогипса 5 - электрод 4» протекает переменный электрический ток. С ростом влажности окружающего воздуха повышается влажность композита цитрогипса (CaSO⋅2HO) - (CuSO⋅5HO) и сопротивление в цепи уменьшается, после снижения влажности окружающего воздуха снижается и влажность композита цитрогипса, что приводит к повышению сопротивления в цепи, которое измеряется измерительным устройством. Полный импеданс композита цитрогипса (CaSO⋅2HO) - (CuSO⋅5HO) , возникающий в этой цепи и зависящий от влажности контролируемого воздуха, является выходным сигналом с резистивного датчика, позволяющим судить о влажности контролируемого воздуха.
В предложенном устройстве способ регенерации датчика влажности воздуха является естественным процессом, который характеризуется тем, что в течении 60 секунд датчик может воспроизводимо менять свой импеданс при циклировании в диапазоне от 35 % до 90 % относительной влажности. С ростом влажности сопротивление датчика уменьшается и в рабочем режиме достижение минимального сопротивления при прохождении всего рабочего диапазона  от 35 % до 90 % относительной влажности или в обратном направлении занимает 60 секунд. Возможность циклического изменения сопротивления резистивного датчика под воздействием влажности проиллюстрирована результатом эксперимента на Фиг.2.
Для проведения эксперимента резистивный датчик с размерами 9.2х7.2х1.1 мм выдерживали в атмосфере воздуха при температуре 28°С и относительной влажности 35% в течении 60 секунд, а затем погружали в экспериментальный бокс с влажностью 90 % на 60 секунд, повторяли процедуру изменения влажности несколько раз подряд. Измерение влажности и температуры производили при помощи датчика AOSONG DHT11. Для измерения проводимости был использован измеритель RLC AM-3026 АКТАКОМ на частоте 1 кГц  при амплитуде переменного сигнала 1 В. Как видно на фигуре 2 заявленный резистивный датчик влажности восстанавливал своё сопротивление через 60 секунд после изменения влажности.
4
2
0.95
4
2
0,05
Также экспериментально установлено, что заявленное устройство обладает высокой чувствительностью к изменению влажности и позволяет производить непрерывное измерение влажности в диапазоне 35-90%, в интервале температур от 0°С до плюс 70 °С. Дополнительное достоинство -  низкие массогабаритные характеристики, отсутствие необходимости периодической регенерации и использования для этого нагревательного элемента, а также дешевизна производства за счет использования в качестве влагопоглощающего слоя отхода производства лимонной кислоты - композита цитрогипса (CaSO⋅2HO)- (CuSO⋅5HO).
Таким образом, поставленная задача решена и технический результат - сокращение времени срабатывания датчика влажности до 60 секунд достигнут.