Кабельный сенсор влажности и протечек

Полезная модель относится к измерительной технике и предназначена для непрерывного контроля влажности воздуха и протечек в местах его размещения.
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, отличающийся 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, большая инертность и конструкционная 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 загрублен, 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.
Известен и 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 этого технического решения является его относительно низкие прочность и 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.
Наиболее близким к заявляемому является устройство [RU 179730, U1, G01N 27/22, 23.05.2018], выполненное 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, при этом, внутренняя токопроводящая обкладка выполнена в виде токопроводящей металлической жилы, помещенной в электропроводящую оболочку, а диэлектрическая прокладка выполнена сотканной из полимерных волокон.
Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно низкая эксплуатационная надежность и безопасность применения. Это обусловлено, в частности, тем, что, сетка из электропроводящих нитей, которая используется для внешней токопроводящей обкладки, подвержена истиранию и нарушению целостности при внешних механических воздействиях. Кроме того, существенным недостатком является и относительно низкая безопасность применения, поскольку внешняя обкладка выполнена токопроводящей, что ограничивает сферу применений датчика в местах, где не допускается электрический контакт с поверхностями, на которых датчик размещен, например, внутри корпусов радиоэлектронной аппаратуры и т.п. Еще одним важным недостатком является открытая для влияния электромагнитных полей электронной аппаратуры внешняя токопроводящая обкладка, которые вследствие этого вызывают помехи в работе устройства и снижают его эксплуатационную надежность.
Задачей настоящей полезной модели является создание высокочувствительного кабельного сенсора влажности и протечек, обладающего более высокой эксплуатационной надежностью, включая механическую надежность, электромагнитную защищенность и безопасность применения.
Требуемый технический результат заключается в повышении эксплуатационной надежности, включая механическую надежность, электромагнитную защищенность и безопасность применения.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в устройство, выполненное 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, внешняя токопроводящая обкладка выполнена в виде сетки из электропроводящих нитей, внутренняя токопроводящая обкладка выполнена в виде токопроводящей металлической жилы, помещенной в электропроводящую оболочку, а диэлектрическая прокладка выполнена сотканной из полимерных волокон, согласно полезной модели, введена наружная трехслойная оболочка, охватывающая внешнюю токопроводящую обкладку, состоящая из внутреннего диэлектрического капиллярно пористого слоя и внешнего диэлектрического капиллярно пористого слоя, между которыми размещен токопроводящий заземленный слой в виде сетки из электропроводящих нитей, со следующими характеристиками:
диаметр электропроводящих нитей - 0,01-0,3 мм;
коэффициент поверхностной плотности - 50-95%
На чертеже представлена конструкция кабельного сенсора влажности и протечек совместно с цепью, содержащей источник тока и измеритель емкости, заземлением и внешним воздействием в виде капель влаги.
На чертеже обозначены:
1 - внутренняя токопроводящая обкладка, выполненная в виде токопроводящей металлической жилы;
2 - электропроводящая оболочка токопроводящей металлической жилы;
3 - диэлектрическая прокладка, выполненная сотканной из полимерных волокон;
4 - внешняя токопроводящая обкладка, выполненная в виде сетки из электропроводящих нитей;
5 - внутренний диэлектрический капиллярно пористый слой наружной трехслойной оболочки;
6 - токопроводящий заземленный слой наружной трехслойной оболочки, выполненный в виде сетки из электропроводящих нитей;
7 - внешний диэлектрический капиллярно пористый слой наружной трехслойной оболочки;
8 - капли влаги (воды или иной электропроводящей жидкости);
9 - цепь, содержащая источник тока и измеритель емкости;
10 - заземление токопроводящей обкладки-экрана.
Кабельный сенсор влажности и протечек выполнен в виде внутренней 1 и внешней 4 токопроводящих обкладок, между которыми размещена диэлектрическая прокладка 3 из влагопоглощающего материала.
В кабельном сенсоре влажности и протечек токопроводящие обкладки 1 и 4 выполнены с возможностью включения в последовательную цепь 9 с источником тока и измерителем емкости, при этом, внешняя токопроводящая обкладка 4 выполнена в виде сетки из электропроводящих нитей, внутренняя токопроводящая обкладка 1 выполнена в виде токопроводящей металлической жилы, помещенной в электропроводящую оболочку 2, а диэлектрическая прокладка 3 выполнена сотканной из полимерных волокон.
Кроме того, введена наружная трехслойная оболочка, охватывающая внешнюю токопроводящую обкладку 4, состоящая из внутреннего диэлектрического капиллярно пористого слоя 5 и внешнего диэлектрического капиллярно пористого слоя 7, между которыми размещен токопроводящий заземленный слой 6 в виде сетки из электропроводящих нитей.
Диэлектрическая прокладка 3 и капиллярно пористые слои 5,7 могут быть выполнены из стекловолокна или из полимерных волокон.
Используется предложенный кабельный сенсор влажности и протечек следующим образом.
Конструкция кабельного сенсор влажности и протечек представляет собой по существу длинный цилиндрический конденсатор. Роль конденсаторных пластин в этом конденсаторе выполняют внутренняя поверхность внешней токопроводящей обкладки 4, выполненной 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.
Для защиты от внешних механических воздействий, обеспечения безопасности при использовании в местах, где не допускается электрический контакт с поверхностями, на которых устройство размещено, и обеспечения электромагнитной защищенности оно содержит наружную трехслойную оболочку, охватывающую внешнюю токопроводящую обкладку, состоящую из внутреннего диэлектрического капиллярно пористого слоя 5 и внешнего диэлектрического капиллярно пористого слоя 7, между которыми размещен токопроводящий заземленный слой 6 в виде сетки из электропроводящих нитей, со следующими характеристиками диаметр электропроводящих нитей - 0,01-0,3 мм, коэффициент поверхностной плотности - 50-95%.
Если поместить такой кабельный сенсор влажности и протечек во влажный воздух, то находящиеся там капли 8 воды или иной электропроводящей жидкости взаимодействуют с ним и, проникая через внешний диэлектрический капиллярно пористый слой 7, токопроводящий заземленный слой 6 в виде сетки из электропроводящих нитей, внутренний диэлектрический капиллярно пористый слой 5, внешнюю токопроводящую обкладку 4, выполненную в виде сетки из электропроводящих металлических проволок 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 кабельного сенсора влажности и протечек.
а
Зависимость емкости С от влажности окружающей среды фи основными геометрическими параметрами предложенного кабельного сенсора описывается выражением
где: S - площадь внешней поверхность;
1 - толщина диэлектрической прокладки 3 из влагопоглощающего материала;
8 - диэлектрическая постоянная воды;
k1, k2 - постоянные коэффициенты.
Из приведенного выше соотношения следует, что изменение влажности окружающей среды приводит к пропорциональному изменению измеряемой емкости.
При протечках, что проявляется как резкое изменение влажности окружающей среды, изменение емкости будет скачкообразным, что можно учитывать при снятии измерений с измерителя 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 эксплуатационной надежности, включая механическую надежность, электромагнитную защищенность и безопасность применения.