Датчик влажности
HUMIDITY SENSOR

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для непрерывного контроля влажности воздуха.
Известно устройство для измерения влажности воздуха [RU 2184369 G01N 25/56, G01N 27/22, G21C 17/00, 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, отличающееся 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.
Недостаткам этого устройства является относительно низкая чувствительность, большую инертность процесса и конструктивная сложность.
Известен также датчик влажности [RU 2263936, G01W 1/11, G01N 25/56, 10.11.2005], содержащий электроизоляционное основание, электроизоляционную подложку с нанесенным на ее поверхность влагочувствительным покрытием на основе желатина, наружный слой которого затрублен, 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.
Недостатком устройства является относительно низкая точность, вызванная нелинейной зависимости между электрическим сигналом и уровнем влажности.
Кроме указанных выше, известен датчик влажности [RU 2365908, G01N 27/12, 27.08.2009], имеющий электроизоляционную диэлектрическую подложку, изготовленную из боратно-висмутатного стекла, влагочувствительный слой который получен специальным травлением подложки, а также два электрических контакта расположенных в углублениях на поверхности подложки, при этом, измерения проводятся на переменном токе частотой 1 кГц с помощью иммитансометра.
Недостатком этого устройства является его относительно высокая сложность и высокая стоимость.
Помимо отмеченных выше, известен также датчик влажности [RU 2167414 G01N 27/22, 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 этого емкостного датчика влажности является относительно низкая чувствительность.
Наиболее близким к заявляемому является датчик влажности [RU 2167414, U1, G01N 27/00, 10.06.2015], включающий влагопоглощающий слой, пропитанный солями щелочных металлов и токопроводящие обкладки, при этом, 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.
2
2
Особенностями выполнения известного датчика влажности является то, что влагопоглощающий слой выполнен из папиросной бумаги, которая выполнена пористой, металлические сеточки выполнены из латуни, скреплены по периметру клеевым слоем и выполнены в форме прямоугольников размером 10×10 мм с размером каждой из ячеек сеточек 1×1 мм, при этом в качестве измерительного устройства использован мультиметр или гальванометр.
Недостатком наиболее близкого технического решения является его относительно низкая прочность и низкая эксплуатационная надежность, вызванная тем, что, влагопоглощающий слой выполнен из тонкой бумаги, в частности папиросной, которая выполнена пористой, а также тем, что, токопроводящие обкладки, между которыми расположен влагопоглощающий слой, выполнены в виде двух металлических сеточек.
Задачей настоящего изобретения является создание простого по конструкции высокочувствительного датчика влажности, обладающего высокой прочностью и высокой эксплуатационной надежностью, в частности, устойчивостью к внешним механическим воздействиям.
Требуемый технический результат заключается в повышении прочности и эксплуатационной надежности, в частности, устойчивости к внешним механическим воздействиям.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в датчик влажности, выполненный в виде внутренней и внешней токопроводящих обкладок, между которыми размещена диэлектрическая прокладка из влагопоглощающего материала, причем, токопроводящие обкладки выполнены с возможностью включения в последовательную цепь с источником тока и измерителем емкости, а внешняя токопроводящая обкладка выполнена в виде сетки из электропроводящих нитей, согласно изобретению, внутренняя токопроводящая обкладка выполнена в виде токопроводящей металлической жилы, помещенной в электропроводящую оболочку, а диэлектрическая прокладка выполнена сотканной из полимерных волокон.
На чертеже представлен датчик влажности с измерителем емкости и молекулами влаги (воды или иной электропроводящей жидкости).
На чертеже обозначены:
1 - токопроводящая металлическая (например медная) жила;
2 - электропроводящая оболочка для токопроводящей металлической жилы, внешняя поверхность которой выполняет функции обкладки конденсатора;
3 - диэлектрическая прокладка из влагопоглощающего материала, сотканная из стекловолокон или полимерных волокон;
4 - внешняя токопроводящая обкладка, выполненная в виде сетки из электропроводящих металлических или углеродных нитей;
5 - молекулы влаги (воды или иной электропроводящей жидкости);
6 - измеритель емкости с источником тока.
Датчик влажности выполнен в виде внутренней и внешней токопроводящих обкладок, между которыми размещена диэлектрическая прокладка из влагопоглощающего материала, при этом, внутренняя токопроводящая обкладка выполнена в виде токопроводящей металлической жилы 1, помещенной в электропроводящую оболочку 2, а диэлектрическая прокладка 3 выполнена сотканной из полимерных волокон.
Обе токопроводящие обкладки выполнены с возможностью включения в последовательную цепь с источником тока и измерителем емкости 6, а внешняя токопроводящая обкладка 4 выполнена в виде сетки из электропроводящих металлических или углеродных нитей.
Используется предложенный датчик влажности следующим образом.
Конструкция датчика представляет собой по существу длинный цилиндрический конденсатор. Роль конденсаторных пластин в этом конденсаторе выполняют внутренняя поверхность внешней токопроводящая обкладки 4, выполненная в виде сетки из электропроводящих металлических проволок или углеродных нитей, и внешняя сторона электропроводящей оболочки 2 для токопроводящей металлической жилы 1. Роль диэлектрической прокладки внутри этого конденсатора выполняет диэлектрическая прокладка 3 из влагопоглощающего материала, сотканная из стекловолокон или полимерных волокон. В силу своей конструкции и технологии изготовления такой «кабель-конденсатор» может иметь практически любую длину, обладает высокой прочностью и эксплуатационной надежностью, в частности, легко гнется, устойчив к внешним механическим воздействиям, вибрации и т.п.
Если поместить такой кабель-конденсатор во влажный воздух, то находящиеся там молекулы 5 воды или иной электропроводящей жидкости взаимодействуют с ним и, проникая через внешнюю токопроводящую обкладку 4, выполненную в виде сетки из электропроводящих металлических или углеродных нитей, впитываются (сорбируются) внутрь диэлектрической прокладки 3 из влагопоглощающего материала, сотканной из стекловолокон или полимерных волокон, изменяя при этом ее диэлектрическую постоянную. Это приводит к изменению измеряемой электрической емкости такого кабеля-конденсатора.
а
Зависимость емкости С с влажностью окружающей среды ϕ и основными геометрическими параметрами предложенного датчика описывается выражением
где: S- площадь внешней поверхность;
l - толщина диэлектрической прокладки 3 из влагопоглощающего материала;
ε - диэлектрическая постоянная воды;
1
2
k, k - постоянные коэффициенты.
Из приведенного выше соотношения следует, что изменение влажности окружающей среды приводит к пропорциональному изменению измеряемой емкости.
Благодаря протяженной конструкции кабеля-конденсатора его внешняя сенсорная площадь и эффективный сенсорный объем захватывающий молекулы воды практически не ограничен. Это обстоятельство позволяет, соответственно, неограниченно расширить объемы контролируемого ими пространства без снижения точности измерений.
Таким образом, в предложенной конструкции датчика влажности достигается требуемый технический результат, заключающийся в повышении прочности и эксплуатационной надежности, в частности, устойчивости к внешним механическим воздействиям.