Пьезорезонансный датчик для определения относительной влажности воздуха
PIEZORESONANCE SENSOR FOR DETERMINING RELATIVE AIR HUMIDITY

Изобретение относится к газовому анализу, в частности к детектирующим устройствам для определения влажности атмосферного воздуха.
Известен адсорбционный датчик влажности газов, содержащий непроводящую подложку с нанесенным на ее поверхность влагочувствительным покрытием в виде монокристаллической автоэпитаксиальной пленки арсенида галлия и металлическими токопроводящими контактами [Патент РФ №1798672. Μ Кл. 4 G01N 27/22]. Однако датчик характеризуется низкой чувствительностью и узким диапазоном измеряемых концентраций.
Ближайшим техническим решением к заявляемому является пьезорезонансный датчик влажности газов (в том числе и атмосферного воздуха) на основе пьезорезонатора (ПКР), электроды которого модифицированы тонкой поликристаллической пленкой селенида цинка. Принцип работы пьезорезонансного датчика влажности газов основан на адсорбционно-десорбционных процессах, протекающих на влагочувствительной пленке-модификаторе электродов и вызывающих изменение ее массы, а следовательно, и частоты колебаний ПКР. Датчик помещен в камеру, через которую непрерывно или периодически прокачивается водосодержащий газ [Пьезорезонансный датчики влажности газов Кировская И.А., Федяева О.А. Патент RU 2141639, G01N 5/02].
Недостатками этого датчика являются низкая сорбционная емкость пленочного покрытия электродов резонатора, что делает возможным измерение относительной влажности воздуха в узком интервале относительной влажности от 0,01 до 0,22%. Кроме того, в литературе есть данные, что пьезосорбционные датчики влажности могут стабильно работать только при температурах окружающей среды выше 5°С, так как выделение энергии при фазовом переходе воды значительно влияет на интенсивность сорбции и тем самым искажает результаты анализа [Кочетова Ж.Ю., Базарский О.В., Кучменко Т.А. и др. Определение влажности воздуха в широком диапазоне температур и концентраций // Аналитика и контроль, 2012, Т. 16, №1, с. 56-63]. Известно также, что пьезосорбционные измерительные устройства характеризуются низкой селективностью вследствие одновременной сорбции на пленке модификатора электродов ПКР сопутствующих соединений [Агеев О.Α., Маминкова В.М., Петров В.В. Микроэлектронные преобразователи неэлектрических величин. - Таганрог, ТРТУ, 2000, 153 с.].
Технический результат изобретения заключается в возможности определения относительной влажности воздуха в интервале от 0,01 до 100% относит. в широком интервале температур, в том числе и отрицательном, за счет уменьшения температуры в камере с помощью изменителя температуры и измерения температуры начала конденсации паров воды (точки росы) на пленочном покрытии электродов, которая сопровождается значительным изменением частоты колебаний ПКР. Увеличение интервала рабочих концентраций устройства достигается также за счет применения в качестве пленки-модификатора электродов пьезорезонатора поливинилпирролидона (ПВП) - гидрофильного полимера с высокой чувствительностью и сорбционной емкостью по отношению к парам воды, объясняющейся способностью сорбента к образованию водородных связей, капиллярной конденсации и набуханию [Красильникова О.К., Вартапетян Р.Ш., Фельдштейн Μ.М. Изменение объема смеси ПЭГ-ПВП в процессе сорбции воды. - Структура и динамика молекулярных систем, 2002, т. 1, с. 278-281]. Повышение селективности и точности определения относительной влажности воздуха достигается за счет того, что в предложенном пьезорезонансном датчике конденсационного типа аналитическим сигналом является температура начала конденсации воды, тогда как известный датчик пьезосорбционного типа градуируется по изменению частоты колебаний в зависимости от массы адсорбированных на электродах ПКР газов (в том числе и мешающих определению паров воды естественных и антропогенных газов, содержащихся в атмосферном воздухе) [Агеев О.Α., Маминкова В.М, Петров В.В. Микроэлектронные преобразователи неэлектрических величин - Таганрог, ТРТУ, 2000, 153 с.].
Технический результат изобретения достигается тем, что в пьезорезонансном датчике для определения относительной влажности воздуха, содержащем камеру с генератором частоты колебаний пьезорезонатора, пьезорезонатором и частотомером, согласно изобретению камера оснащена изменителем и измерителем температуры, последовательно соединенными с блоком обработки и хранения информации, блоком отображения результатов измерения относительной влажности воздуха, при этом выход частотомера и выход измерителя температуры соединены с первым и вторым входами блока обработки и хранения информации, а электроды пьезорезонатора модифицированы пленкой поливинилпирролидона.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена блок-схема пьезорезонансного датчика для определения влажности воздуха по точке росы, а на фиг. 2 приведены примеры интегральных кривых, иллюстрирующих изменение частоты колебаний ПКР в зависимости от изменения температуры в ячейке детектирования и протекающих на пленке-модификаторе процессов - сорбции (пик I) и конденсации (пик II) паров воды с разными концентрациями.
На фиг. 1 обозначено: 1 - корпус камеры, 2 - пьезорезонатор с модифицированными поливинилпирролидоном электродами, 3 - генератор частоты колебаний пьезорезонатора, 4 - частотомер, 5 - изменитель температуры, 6 - измеритель температуры, 7 - блок обработки и хранения информации, 8 - блок отображения результатов измерения относительной влажности воздуха.
р
р
Изменитель температуры 5 предназначен для постепенного охлаждения воздуха в камере до температуры точки росы (Т, °С), им может служить элемент Пельтье [https://ru.wikipedia.org/ wiki/Элемент_Пельтье]. Измеритель температуры 6 предназначен для измерения температуры воздуха в камере (t, °С) при его охлаждении до Т точки росы. Им может служить термометр с выносным датчиком [http://www.thermo-ac.ru/pribor/tk509.html: Электронный термометр с выносным датчиком ТК-5.09].
р
р
Блок 7 предназначен для обработки и хранения информации: сбора измеренных величин частоты колебаний пьезорезонатора (ΔF, Гц) и температуры в камере (t, °С); построения зависимости ΔF/Δt=ƒ(t); определения пика конденсации паров воды по построенным зависимостям; определения Т, соответствующей максимуму пика конденсации паров воды; сопоставления Т с относительной влажностью воздуха (RH, % относит.) с помощью хранящейся в блоке 7 психрометрической таблицы [Метеорологические измерения на аэродромах. СПб.: Гидрометеоиздат, 2008. 427 с.]; а также для хранения результатов измерения RH. В качестве блока обработки и хранения информации может служить процессор персонального компьютера (ПК). Блок 8 предназначен для отображения результатов измерения относительной влажности воздуха в единицах относительной влажности воздуха (RH, % относит.). Им может служить монитор ПК или цифровое табло.
На фиг. 2 обозначено: I, II - пики сорбции и конденсации при влажности воздуха 1 - 20, 2 - 50 и 3 - 90% относит соответственно.
Пьезорезонансный датчик для определения относительной влажности воздуха работает следующим образом.
0
В камере 1 закрепляют пьезорезонатор с модифицированными пленкой ПВП электродами 2; включают генератор частоты колебаний пьезорезонатора 3 и частотомер 4; через камеру пропускают осушенный силикагелем воздух или инертный газ (например, азот) до установления постоянного значения частоты колебаний пьезорезонатора F. Затем в камеру подают пробу воздуха (в непрерывном или периодическом режимах) и одновременно включают изменитель температуры 5 и измеритель температуры 6. В качестве изменителя температуры используют, например, элемент Пельтье ТЭМ 127 1,4-16, который понижает температуру в камере от температуры окружающей среды до точки росы. В качестве измерителя температуры применяют, например, электронный термометр с выносным датчиком ТК-5.09.
0
р
3
В результате сорбции и конденсации паров воды на модифицированных электродах ПКР его частота колебаний уменьшается на величину ΔF=F-F. Сорбция паров воды на поливинилпирролидоне происходит в первые 5 с после ввода пробы в камеру, после чего частота колебаний пьезосенсора не изменяется. При дальнейшем понижении температуры в камере в результате конденсации паров воды частота колебаний ПКР уменьшается при температуре, соответствующей Т [Кочетова Ж.Ю., Базарский О.В., Кучменко Т.А. и др. Определение влажности воздуха в широком диапазоне температур и концентраций // Аналитика и контроль, 2012, Т. 16, №1, с. 56-63]. Пример изменения частоты колебаний ПКР в зависимости от температуры в ячейке детектирования приведен фиг. 2 в виде дифференциальной кривой ΔF/Δt=ƒ(t), где пик I соответствует сорбции, а пик II - конденсации паров воды. Величина пиков и температура, соответствующая максимальному изменению частоты колебаний при конденсации паров воды, зависят от ее концентрации в анализируемой пробе. На фиг. 2 приведены кривые сорбции и конденсации паров воды с концентрациями в воздухе 4,6 (1); 11,5 (2); 20,7 (3) г/м, что соответствует влажности воздуха 20, 50 и 90% относит.
р
р
Измеренные частотомером 4 и термометром 6 в камере 1 значения ΔF и t соответственно поступают в блок обработки и хранения информации 7 (например, в процессор ПК), где строятся зависимости скорости изменения частоты колебания ПКР от температуры в камере ΔF/Δt=ƒ(t); определяются по максимальному изменению частоты колебаний пик I и пик II, соответствующие сорбции и конденсации паров воды; определяется Т, соответствующая максимуму пика II; по значению Т находится RH (% относит.) с помощью хранящейся в блоке 7 психрометрической таблицы. Полученные результаты измерения относительной влажности воздуха могут храниться в блоке 7. Результаты измерений RH по температуре точки росы поступают в блок отображения информации 8, которым может служить монитор ПК или цифровое табло.
Сравнение некоторых характеристик предлагаемого технического решения и ближайшего аналога представлено в таблице.
Предложенный пьезорезонансный датчик для определения относительной влажности воздуха позволяет:
1) определять относительную влажность воздуха в интервале от 0,01 до 100% относит. в широком интервале температур, в том числе и отрицательном, за счет уменьшения температуры в камере с помощью изменителя температуры и измерения температуры начала конденсации паров воды (точки росы) на пленочном покрытии электродов, которая сопровождается значительным изменением частоты колебаний ПКР. Увеличение интервала рабочих концентраций устройства достигается также за счет применения в качестве пленки-модификатора электродов пьезорезонатора поливинилпирролидона (ПВП) - гидрофильного полимера с высокой чувствительностью и сорбционной емкостью по отношению к парам воды, объясняющейся способностью сорбента к образованию водородных связей, капиллярной конденсации и набуханию.
2) повысить селективность и точность определения относительной влажности воздуха за счет того, что в предложенном пьезорезонансном датчике конденсационного типа аналитическим сигналом является температура начала конденсации воды, тогда как известный датчик пьезосорбционного типа градуируется по изменению частоты колебаний в зависимости от массы адсорбированных на электродах ПКР газов (в том числе и мешающих определению паров воды естественных и антропогенных газов, содержащихся в атмосферном воздухе).