ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА

Настоящее техническое решение относится к измерительной технике и предназначено для измерения влажности воздуха.
Известно техническое решение, представленное в датчике влажности на основе композиции соли и полимера матрицы (патент US 5022045 «Optical-type, phase transition humidity-responsive devices», МПК G01N 21/81, опубликовано 04.06.1991). Данное техническое решение основывается на двулучепреломлении композиции полимера и неорганической соли.
Недостатками этого технического решения является применение полимерных материалов и неупорядоченная структура данных композиций. Полимерные материалы имеют большой коэффициент температурного расширения. Они недолговечны особенно в присутствии ультрафиолета. Неупорядоченная структура этих материалов снижает оптический контраст при пропускании и отражении света.
Известно техническое решение представленное в элементе для измерения влажности воздуха (патент US 4150570 «Humidity sensing devices», МПК G30W 1/02; G01W 1/11, опубликовано 24.04.1979), выбранное в качество прототипа. В качестве чувствительного элемента представлена подложка, выполненная из пластмассы и пропитанная неорганическим солевым составом. Подложка имеет водонепроницаемый прозрачный покрывающий слой, индикаторный слой включающий прозрачный покрывающий материал и неорганическую композицию из соли, нанесенную на этот прозрачный покрывающий материал. Водопроницаемый отражающий слой, позади индикаторного слоя, отражает свет проходящий через покрывающий слой и индикаторный слой. Свет отражается и проходит опять через индикаторный слой и покрывающий слой. Изменение прозрачности индикаторного слоя легко регистрируется.
Недостатками данного технического решения является применение неструктурированного композиции из неорганической соли и пластмассы. Применение пластмассы как среды для индикации влажности делает зависимым показания данного датчика от температуры окружающей среды. В тоже время неупорядоченная структура композиции пластика и соли не обеспечивает высокой контрастности датчика.
Перед авторами стояла задача разработать чувствительный элемент для измерения влажности воздуха, имеющий высокую временную стабильность показаний в широком диапазоне температур.
Поставленная задача решается тем, что чувствительный элемент для измерения влажности воздуха, содержащий подложку, индикаторный слой, нанесенный на подложку, и пропитанный неорганическим солевым составом дополнительно оснащен термоэлектрическим холодильником с отверстием для прохождения света, расположенный в тепловом контакте с подложкой, а индикаторный слой, нанесенный на подложку, выполнен в виде фотонно-кристаллической пленки, подложка выполнена в виде материала с низким температурным расширением.
Технический эффект заявляемого технического решения заключается в повышении чувствительности изменений относительной влажности с точностью до 2% без калибровки в течение более года, повышении контрастности индикации чувствительного элемента, а так же в расширении ассортимента устройств данного назначения.
На фиг. 1 представлена блок-схема, поясняющая работу заявляемого чувствительного элемента для измерения влажности воздуха, где 1 - индикаторный слой, 2 - подложка, 3 - термоэлектрический холодильник, 4 - фотоприемник, 5 - источник света.
На фиг. 2 представлено изменение пропускания ФК пленки опала с нанесенной солью NaCl при увеличении относительной влажности с 20% до 80%.
Заявляемый чувствительный элемент для измерения влажности воздуха работает следующим образом. Чувствительный элемент для измерения влажности воздуха содержит индикаторный слой 1 представляющий собой фотонно-кристаллическую пленку, пропитанную неорганическим солевым составом и подложку 2, выполненную из прозрачного материала с малым температурным расширением, например из стекла или кварца. Дополнительно чувствительный элемент для измерения влажности воздуха содержит термоэлектрический холодильник 3, расположенный в тепловом контакте с подложкой. Термоэлектрический холодильник 3 охлаждает подложку для поддержания температуры близкой к точке прозрачности фотонно-кристаллической пленки. Отверстие в термоэлектрическом холодильнике позволяет измерять пропускание фотонно-кристаллической пленки используя источник света 5 и фотоприемник 4.
Индикаторный слой 1, выполненный в виде фотонно-кристаллической пленки нанесенный на стеклянную или металлическую подложку состоит из кремнеземных частиц, уложенных в гранецентрированную кубическую решетку. Вследствие брэгговской дифракции света на периодических плоскостях кристаллической решетки пленка обладает стоп-зоной в видимой области спектра. Причем, за счет упорядоченной структуры фотонно-кристаллической пленки, повышается контрастность индикации заявляемого чувствительного элемента.
Эта фотонно-кристаллическая пленка пропитана насыщенным неорганическим солевым составом, причем концентрация насыщенного раствора NaCl нанесенного на фотонно-кристаллическую пленку в жидком виде примерно равна объему пор фотонно-кристаллической пленки. В отсутствии влаги наличие NaCl не влияет на оптические свойства фотонно-кристаллической пленки.
Пропитка фотонно-кристаллической пленки насыщенным неорганическим солевым составом при увеличении относительной влажности выше порогового значения приводит к исчезновению стоп-зоны в спектре пропускания пленки и многократному увеличению ее пропускания (фиг. 2). С уменьшением влажности фотонно-кристаллическая пленка приобретает первоначальные спектральные характеристики в течение десятка секунд.
Изменение температуры с 25 до 100°C лишь незначительно (~10 нм) сдвигает положение стоп-зоны в коротковолновую область спектра, а увеличение относительной влажности с 20 до 80% приводит к сдвигу стоп-зоны примерно на ту же величину, но в длинно-волновую область спектра.
Вследствие гироскопических свойств неорганических солей превышение порогового значения влажности переводит их в насыщенные растворы. Относительная влажность (RH) над насыщенными водными растворами солей хорошо известна (RH=12% - LiCl, RH=75% - NaCl, RH=85% - KCl при 25°C), и их часто используют для поверки существующих гигрометров. В отсутствие влаги количество нанесенной соли мало и практически не влияет на оптические свойства фотонно-кристаллической пленки. Показатель преломления насыщенного раствора соли близок к показателю преломления кремнезема, поэтому при увеличении влажности выше равновесного значения для заданной соли диэлектрический контраст пропадает и фотонно-кристаллическая пленка становится прозрачной. Увеличение относительной влажности выше равновесного значения для неорганической соли приводит к резкому увеличению пропускания фотонно-кристаллической пленки в спектральной области стоп-зоны, что можно наблюдать при помощи оптических приборов и визуально. Подбор оптимальной концентрации соли и использование фотонно-кристаллических пленок высокого качества позволяет достигать увеличения чувствительности в 10 раз.
Преимуществом чувствительного элемента для измерения влажности воздуха является применение фотонно-кристаллической пленки, пропитанной неорганическим солевым составом, причем прозрачность резко увеличивается при увеличении влажности выше определенного уровня. Обнаруженный эффект позволяет регистрировать более 50 уровней влажности, что определяется подбором солей.