Автоматизированная система контроля физических параметров в различных технологических процессах

НАНОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА

УДК 681.51.08

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ В РАЗЛИЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ

В. Н. ЗАМАРАЕВ

Камский государственный политехнический институт, Набережные Челны

АННОТАЦИЯ. Электронные методы определения влажности, температуры и т.д. являются наиболее перспективными, т.к. позволяют применять этот метод в непрерывных поточных технологических процессах. Эти методы основаны на закономерной зависимости от содержания влаги в веществе, некоторых электрических параметров сопротивления, удельной проводимости, диэлектрической постоянной и т.д. САУ для поддержания микроклимата в различных объектах создана на основе датчиков нового поколения, использующего эффект низкотемпературного легирования металлами ХСП.

Почти во всех отраслях промышленности, в сельском хозяйстве, энергетике, строительстве и т.д. необходимо количественное определение различных физических параметров (влажности, температуры, освещенности) различных веществ. Несмотря на большое разнообразие известных методов определения влажности, государственными стандартами регламентируется только весовой (термогравиметрический) метод, основанный на взвешивании образца до и после высушивания. Этот метод требует длительного времени (3,5 - 4 часа) для определения влажности, неоднократного взвешивания пробы, что искшочает применение этого метода в непрерывно поточных технологических процессах.

Наиболее перспективными с этой точки зрения являются электронные методы определения влажности, температуры и т.д. различных веществ. Эти методы основаны на закономерной зависимости от содержания влаги в веществе, некоторых электрических параметров: сопротивления, диэлектрической постоянной, удельной проводимости и т.д. Электрические влагомеры позволяют определять влажность любого вещества практически мгновенно. Они позволяют обеспечить автоматическое регулирование влажности, температуры и т.д. во многих технологических процессах.

САУ для поддержания микроклимата в инкубаторах создана на основе датчиков нового поколения, использующего эффект низкотемпературного легирования металлами ХСП (халькогенидных стеклообразных полупроводников).

Процесс легирования металлами ХСП при низкой температуре происходит в сильно неравновесном термодинамическом состоянии, что придает легированным пленочным слоям уникальные свойства. В частности, пленочные слои ХСП становятся очень чувствительными к температуре, влажности, освещенности и другим внешним воздействиям. При этом удельная проводимость этих чувствительных пленочных слоев линейно зависит от температуры, влажности, освещенности и т.д.

Время срабатывания чувствительных пленочных слоев составляет 1-2 секунды. Па основе этих чувствительных пленочных слоев разрабатываются прецизионные пленочные датчики влажности, температуры и освещенности.

Отличительной особенностью этих пленочных датчиков является их высокая стойкость к радиационным излучениям, высокая чувствительность, низкая инерционность, малая потребляемая мощность, небольшие габаритные размеры и низкая себестоимость. Датчики могут работать как на постоянном, так и на переменном токе.

В качестве подложек для датчиков используются ситталлы - это стеклокерамические материалы, получаемые путем термообработки (кристаллизации) стекла. Для ХСП берется Се-Бе и легирование осуществляется металлами I группы Ag, Си, Аи.

Принцип действия датчиков температуры или влажности основан на изменении электрического сопротивления при изменении температуры или влажности.

Зависимость сопротивления ЧЭ от температуры и влажности имеет линейный характер, что облегчает калибровку датчиков и ее схемотехническую реализацию. Рабочий ток через ЧЭ не должен превышать 10 мкА.

Область применения датчиков распространяется от медицины до микроэлектроники [1].

Один из вариантов конструкции ЧЭ приведен на рис. 1, а, а эквивалентная схема этого элемента — на рис. 1, б. На жесткой рамке прикреплена диэлектрическая пленка 2 с резистивными дорожками 3, 5 и контактными площадками 4, 6, 7, 8, выполняющими роль терморезисторов ВК1 и ВК2. Одновременно дорожки выполняют роль емкостных электродов датчика влажности ВВ и могут быть покрыты влагоизолирующим или влагопоглащающим слоем диэлектрика [2].

Формирование пленочной гетероструктуры М/ХСГ1 проводили на установке ВУП-5 методом вакуумного термического испарения.

Взаимосвязь конструктивных и технологических параметров тонкопленочных резистивных элементов гибридных интегральных микросхем (ГИМС) устанавливается основным уравнением для расчета сопротивления резистивной пленки. У высокоомных резистов сопротивление областей контактов обычно значительно меньше сопротивления резистивной пленки Я. Поэтому

а)

б)

Рис. 1. а) Вариант конструкции ЧЭ; б) эквивалентная схема этого элемента

1 1

К = Р- = Р7Т = Ру 'кф

б Ьё

р

где — = ру— удельное поверхностное сопротивление (сопротивление квадрата плен-СІ

ки, толщиной сі);

р — удельное сопротивление пленки;

1 ,

— = кф — коэффициент формы резистора;

Ь

/ — длина пленки между контактными площадками;

Ь— ширина пленки между контактными площадками.

Таким образом, установление квадратного зазора между контактными площадками упрощают расчет коэффициента формы кф и для Я можно записать соотношение:

Я = ру-кф=ру

Толщина пленок с применением навесок определяется по формуле:

М  эт а

а =------------,

р • 4 пЯ

где с1 — толщина осажденного слоя;

М — масса испаряемого вещества;

^ — угол наклона подложки к испарителю; р — плотность исиоряемого материала;

Я — расстояние от испарителя до подложки [3].

Функция преобразования температуры в сопротивление соответствует следующему уравнению:

Я, =«0[1+М7Ч/&7’2],

где Я1 - сопротивление при температуре 1° С;

Яо - сопротивление при эталонной температуре;

ДТ = Т - То, а, Р - температурные коэффициенты.

Функция преобразования относительной влажности в емкость

Св и Сн + С0вв

где С в — неинформативная составляющая емкости (собственная емкость соединительных проводников, монтажа и т. д.);

С о— емкость между элементами 3 и 5 при минимальной влажности (£втт~ 1);

Ев — эквивалентная диэлектрическая проницаемость среды между резистивными дорожками 3 и 5, существенно зависящая от влажности примыкающего к ним поверхностного слоя газа.

Максимальное значение эквивалентной диэлектрической проницаемости £в (при большой относительной влажности газа) может в десятки и сотни раз превышать ее минимальное значение. Столь широкие пределы изменения £В являются следствием структурных преобразований тонких пленок жидкостей, адсорбированных (конденсируемых) из окружающей среды на поверхность датчика, в переменном электрическом

иоле, когда количество осаждаемой (испаряемой) жидкости соизмеримо с количеством адсорбента.

Преобразование относительной влажности в частоту можно осуществить включением емкости СВ в ЯС-автогенератор, схема которого приведена на рис. 2. На инверторах Э1 и Э2 с резисторами Ы1 и И2 реализован широкодиапазонный ІІС-автогенератор, частота которого является функцией емкости Св;

Л«0,7

Инвертор ЭЗ снижает влияние параметров нагрузки, подключаемой к схеме рис.

2, на частоту АЗ автогенератора. В зависимости от параметров СВ и И.2 значение влагозависимой частоты 1В может быть задано в пределах от (0,02-750) кГц, а изменение частоты Ш в зависимости от влажности может достигать двух и более порядков.

Структурная схема САУ для поддержания микроклимата в инкубаторах приведена на рис. 3.

Св

Л

Рис. 2. Схема ІІС - автогенератора

Рис. 3. Структурная схема САУ.

1, 6, 9 - датчики температуры, влажности и освещенности; 2 - генератор электрических колебаний; 3, 7, 10 - усилители сигналов; 4 - микропроцессор; 5 - цифровой индикатор; 8 - компьютер

Устройство работает следующим образом. Датчики помещаются в инкубатор, где необходимо поддерживать определенные параметры температуры, влажности и освещенности. Сигналы с датчиков поступают на генератор» электрических колебаний и усилители 3, 7, 10, а затем на микропроцессор 4 и соответственно на цифровой индикатор 5. Вместо цифрового индикатора может быть использован компьютер 8. На индикаторе или компьютере фиксируются значения влажности, температуры и освещенности. Прибор позволяет программным способом вести корректировку на температуру, влажность и освещенность.

Предел измерения влажности имеет диапазон от 0 до 40% (с точностью измерения до 0,5%), температуры от -20°С до +120°С (с точностью измерения 0,2°С), а освещенности от 300-500 лк (с точностью до 1%).

Область применения входной контроль влажности зерна и температуры на элеваторах, предприятиях птицеводства и животноводства, текущий контроль влажности и температуры зерна в зернохранилищах, в технологических процессах производства строительных и отделочных материалов, литейного производства и т. д. [4].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Когай В.Я., Замараев В.Н. Датчики влажности и температуры. Тезисы докладов II Международного симпозиума «Композиты и глубокая переработка природных ресурсов» Н. Челны, 1999. С. 59.

2. Харитонов П.Т., Шилов Ю.М., Осадчий Е.П. В сб. ’’Датчики систем измерения, контроля и управления.” Межвуз. сб. науч. тр. Пенза, 1990. С.36-43.

3. Когай В.Я. Сверхбыстрое растворение меди в гетероструктуре М/ХСП и разработка приборов на ее основе. Дис. на соискание ученой степени канд. физ.-мат. наук. Ижевск, 2000. 134с.

4. Замараев В.Н., Махянов Х.М., Филатов Г.И. Устройство для автоматического контроля и измерения влажности и температуры различных материалов. В сб. «Методы и средства измерения в системах контроля и управления». Пенза, 1999. С. 36 - 39.

SUMMARY. Electronic methods of determination of moisture, temperature and etc. are the most promising as they allow using it in continuous technology processes. These methods are based on a rule dependence of some electric parameters: resistance, conductivity, dielectric constant and etc. on substance moisture. Automated control systems for microclimate at various using activities maintenance are produced on the basis of new generation sensors, taking benefit of the effect of chalcogenide glass semiconductors doping at low temperature.