ДАТЧИК ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА ЕМКОСТНЫЙ

Область техники
Полезная модель относится к контролю технологических процессов с использованием методов контроля по влажности и, в частности, может быть использовано в системе контроля течи влажностной (СКТВ) [1] трубопроводов и оборудования главного циркуляционного контура реакторных энергетических установок с водяным теплоносителем.
Уровень техники
Из предыдущего уровня техники известны датчики влажности воздуха, реализующие различные физические принципы. Из широкого спектра датчиков влажности наибольшее применение получили датчики на основе сорбционно-емкостных сенсоров влажности. Принцип действия таких сенсоров основывается на изменении электрической емкости сенсоров за счет диффузии молекул воды в специальный сорбирующий пленочный конденсатор. В результате изменения диэлектрических свойств среды между электродами приращение электрической емкости конденсатора может составлять ~30% от исходной величины при изменении относительной влажности воздуха от нуля до 100%. На базе емкостных сенсоров выпускаются ряд измерительных устройств для контроля влажности [2, 3]. Кроме сенсоров относительной влажности датчики таких приборов оснащены сенсорами температуры, необходимыми для корректировки показаний сенсоров относительной влажности и для определения (расчета) других влажностных характеристик воздуха, в частности, определения абсолютной влажности воздуха. При использовании измерителей влажности и температуры воздуха с такими датчиками в жилых, складских и производственных помещениях, а также в свободной атмосфере, определение абсолютной влажности и расчет ее погрешности по известным погрешностям измеренных значений относительной влажности и температуры не представляют трудностей.
При использовании емкостных датчиков влажности для контроля технологических процессов, характеризующихся относительно быстрыми изменениями относительной влажности и температуры воздуха, соизмеримыми со временем тепловой инерционности сенсоров, возникают трудности корректного определения абсолютной влажности воздуха, приводящие к существенным погрешностям определения абсолютной влажности воздуха, что является недостатком рассматриваемых датчиков.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому датчику влажности воздуха емкостному является датчик влажности емкостной (ДВЕ) [4], предназначенный для работы в системе контроля течи влажностной СКТВ-ЗВ [1]. Датчик влажности емкостной представляет собой корпус, разделенный на воздухопроницаемый и воздухонепроницаемый объемы. В воздухопроницаемом объеме расположен сорбционно-емкостной сенсор влажности типа НС 1000 и резистивный сенсор температуры градуировки Pt500. Сорбционно-емкостная структура сенсора относительной влажности сформирована на одной стороне пластинки (подложки) размером 8×5×0,5 мм3 из диэлектрического материала. Резистивная структура сенсора температуры размещена на пластинке размером 2×3×1,0 мм3. Сенсоры относительной влажности и температуры воздуха размещены параллельно друг к другу с воздушным зазором 3-5 мм между плоскостями сенсоров.
Воздухонепроницаемый объем датчика предназначен для размещения в нем элементов, реализующих самодиагностику сенсоров датчика емкостного и системы СКТВ в целом.
Работа датчика-прототипа не отличается от функционирования датчиков-аналогов.
Датчик влажности емкостной (прототип), имеет те же недостатки, что и аналоги, а именно, большую погрешность определения абсолютной влажности при регистрации относительно быстропротекающих процессов, время протекания которых соизмеримо со временем тепловой инерционности сенсоров.
Раскрытие полезной модели
Основной задачей, на которое направлено техническое решение, является уменьшение погрешности определения абсолютной влажности при регистрации относительно быстропротекающих изменений относительной влажности и температуры воздуха.
Техническим результатом, получаемым от внедрения представляемого решения, является снижение погрешности определения абсолютной влажности воздуха, являющейся исходной информацией для работы системы контроля течи влажностной (СКТВ), в результате чего имеем более точное определение величины и местоположения течи трубопровода или оборудования главного циркуляционного контура реакторных энергетических установок с водяным теплоносителем.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном датчике влажности воздуха емкостного, включающего воздухопроницаемый объем, внутри которого расположены сенсор относительной влажности и сенсор температуры воздуха, имеющие форму пластинок, выполненных из диэлектрического материала, чувствительные к измеряемым физическим величинам структуры которых нанесены на одну из сторон пластинок, согласно полезной модели, плоскости пластинок сенсоров, на которых чувствительные структуры не нанесены, совмещены и зафиксированы друг с другом.
Кроме того, между совмещенными плоскостями пластинок может быть расположен слой температуростойкого и химически инертного к материалам пластинок клея.
Краткое описание фигур чертежей
На фиг.1 показан продольный разрез воздухопроницаемого объема датчика.
На фиг.2, 3 - поперечные разрезы воздухопроницаемого объема датчика, соответственно по сечению А-А и Б-Б.
Осуществление полезной модели
Воздухопроницаемый объем датчика влажности образован воздухопроницаемым корпусом датчика (1), внутри которого размещены сорбционно-емкостной сенсор относительной влажности (2) и резистивный сенсор температуры воздуха (3). Воздухонепроницаемый объем датчика отделен от воздухонепроницаемого объема (4) изолятором (5), в котором имеются четыре электрических проходки (6) для подключения сенсоров в электрическую цепь. На фиг.1 и 2 показано предложенное (локализованное) взаимное расположение сенсоров относительной влажности и температуры воздуха, на фиг.2 показано место клеевого соединения (7) подложек сенсоров. В качестве клея, удовлетворяющего требованиям температуростойкости и химической инертности к материалам подложек сенсоров, использован клей К300.
Корпус датчика, выполненный из нержавеющей стали марки 12Х18Н9Т, образует два объема, один из которых воздухопроницаемый, другой воздухонепроницаемый. Воздухопроницаемый объем выполнен в виде колпачка с продольными прорезами, в котором размещены чувствительные элементы датчика. Воздухонепроницаемый объем датчика предназначен для размещения в нем элементов самодиагностики датчика и вторичной аппаратуры. В воздухопроницаемом объеме размещены сорбционно-емкостной сенсор относительной влажности (2), типа НС 1000 с диапазоном изменения емкости от 397 до 520 пФ при изменении относительной влажности воздуха от 0 до 100%, соответственно, и резистивный сенсор температуры (3) типа Pt500 с диапазоном изменения сопротивления от 500 до 700 Ом при изменении температуры воздуха от 0 до 100 градусов Цельсия, соответственно. Используемые в датчике сенсоры относительной влажности и температуры воздуха выполнены с применением тонкопленочной технологии и представляют собой пластинки (подложки) из диэлектрического материала, на одну сторону которых нанесены чувствительные к измеряемым физическим величинам структуры. Плоскости пластинок сенсоров, на которые не нанесены чувствительные структуры, совмещены и склеены друг с другом температуростойким и химически инертным к материалам подложек клеем К300. Выводы сенсоров припаяны к штырькам (клеммам электрической цепи), установленных в изоляторе, разделяющего воздухопроницаемый объем от воздухонепроницаемого. Габаритные размеры датчика приведены на фиг.4. Вес датчика около 1 кг.
3
н
н
Функционирование предложенного датчика влажности воздуха в условиях медленно меняющихся параметров воздуха (относительной влажности и температуры), когда скорость их изменений намного меньше тепловой инерционности сенсоров принципиально не отличается от работы его аналогов. Абсолютная влажность воздуха ρ в (г/м) определяется по результатам измерений относительной влажности φ в (%) и температуре воздуха t в (°С) по формуле p=ρ(t)φ(t), где ρ(t) - максимально возможная влажность, соответствующая насыщению при данной температуре t. Зная погрешности измерения относительной влажности и температуры воздуха, можно получить погрешность определения абсолютной влажности для любого сочетания φ и t.
При относительно быстропротекающих процессах, когда термодинамическое равновесие между температурой измеряемого воздуха и температурой сенсоров полностью не достигается, результаты определения абсолютной влажности с использованием датчика-прототипа содержат дополнительную погрешность. Она связана как с несовершенством сенсора относительной влажности, зависимостью его параметров от температуры, так и с несовершенством самого датчика влажности, наличием пространственного разделения мест установки сенсора относительной влажности и сенсора температуры.
Воздушный зазор между сенсорами в условиях наличия градиента температуры приводит к различающимся температурам сенсора относительной влажности и сенсора температуры.
Предложенное техническое решение по ликвидации воздушного зазора между сенсорами снижает разницу температур сенсоров, что позволяет сделать температурные поправки в показания сенсора относительной влажности более корректными и, тем самым, повысить точность определения абсолютной влажности. Более того, техническое решение позволяет, если не выравнить, то сблизить температурные инерционности сенсоров, что также содействует температурному равновесию в системе сенсоров.
Техническая реализуемость изобретения не вызывает сомнений. Результаты экспериментальной проверки предложенного технического решения - положительные.
Описанное техническое решение является промышленно применимым и может найти использование в приборах и системах для контроля технологических процессов по влажности во многих отраслях промышленности и энергетике, включая АЭС.
Источники информации
1. Патент на изобретение РФ №2271045 от 2006.02.27. Бюл. №6, с.12 «Система влажностного контроля течи трубопровода АЭС» Морозов С.А., Полионов В.П., Портяной А.Г., Молявкин А.Н.
2. Измерительные преобразователи температуры и влажности ИГГГВ 056А и ИПТВ 206А (повышенной надежности). Внесены в государственный Реестр средств измерений РФ №16447-03. Продукция НПП «ЭЛЕМЕР».
3. Измеритель-преобразователь температуры и влажности РОСА-10 (повышенной надежности). Внесен в государственный Реестр средств измерений РФ №22728-04. Каталог продукции НИИ «ЭЛЕМЕР», 2006. Приборы для атомной энергетики.
4. Датчик влажности емкостной ДВЕ. Паспорт НКГЖ. 405541.003. Научно-производственное предприятие «ЭЛЕМЕР», http//www.elemer.ru.