Оптический датчик влажности
OPTICAL HUMIDITY SENSOR

Изобретение относится к технике измерения влажности газов, в частности к датчикам определения влажности воздуха, которые могут быть использованы при аэрологических исследованиях атмосферы, в замкнутых объемах, в производственных и бытовых помещениях.
Из множества известных типов датчиков влажности оптические датчики выделяются высокой точностью, быстродействием и бесконтактным принципом действия.
Известны датчики, определяющие влажность газа по температуре точки росы (Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник. Москва: Техносфера, 2005). Недостатками таких датчиков являются высокая стоимость, большое потребление электроэнергии и необходимость чистки зеркальной поверхности сенсора.
Известны волоконно-оптические датчики, работающие по принципу изменения свойств волокна под действием влаги, содержащейся в среде (Окоси Т. и др. Волоконно-оптические датчики, Энергоатомиздат, 1991). Недостатками датчиков этого типа являются сложность изготовления компонентов и «относительная бесконтактность».
Известны оптические абсорбционные датчики, в которых регистрируется доля поглощенной энергии света в полосах поглощения паров воды в атмосфере (Берлинер М. А. Измерения влажности, Энергия, 1973). В основу работы этих датчиков положен фундаментальный физический закон поглощения электромагнитного излучения – закон Ламберта-Бугера-Бера. Пары воды имеют интенсивные полосы поглощения в инфракрасной области спектра и в области длин волн от 185 нм до 110 нм – в так называемой вакуумной ультрафиолетовой области.
У абсорбционных оптических датчиков, действующих по принципу поглощения света парами воды, имеется один общий существенный недостаток – влияние на показания мешающих компонентов вдоль оптического пути. В инфракрасной области это различные молекулярные газы, например окиси углерода, серы, азота, углеводороды и т.д. В вакуумном ультрафиолете основным мешающим компонентом является кислород. Поэтому такие датчики хотя и являются бесконтактными, но никак не дистанционными. Кроме того, существуют значительные технические трудности при работе в вакуумной ультрафиолетовой области спектра.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является влагомер с влагочувствительным элементом (Лантух Ю.Д., Пашкевич С.Н., Алиджанов Э.К. Фотофизика оптических функциональных материалов на основе комплексов биополимеров с органическими красителями // Вестник ОГУ. 2015. № 11. С. 162–167.). В статье описано устройство, которое содержит источник света, камеру с изменяемой влажностью, влагочувствительный элемент – пленка ДНК с внедренным красителем акридиновым оранжевым (ДНК-АО) и регистрирующий спектр поглощения прибор.
Принцип действия такого устройства основан на изменении поглощения красителя при изменении влажности окружающей среды.
Если сухую пленку ДНК-АО подвергнуть увлажнению, ее спектр поглощения в видимой области претерпевает изменения: максимум спектра поглощения красителя при 502 нм растет, и при относительной влажности среды 95 % оптическая плотность увеличивается на 10% по сравнению с таковой при комнатной влажности.
О концентрации воды в исследуемом объеме судят по разнице в интенсивностях измерительного светового потока при разном влагосодержании газа в камере, фактически измеряются оптические плотности образца на выбранной длине волны.
Данное измерительное устройство имеет невысокую чувствительность, что обусловлено принципиальными ограничениями, присущими абсорбционным измерениям. Известно, что при измерениях оптической плотности образца менее 0,2 и более 1,5 ошибка измерений резко возрастает (Левшин Л.В., Салецкий А.М. - Оптические методы исследования молекулярных систем ч.1, МГУ, 1994).
В связи с этим важнейшей задачей является создание оптического устройства для измерения влажности среды, в котором снимаются ограничения, связанные с определением оптической плотности образца.
Техническим результатом заявляемого оптического измерителя влажности является повышение точности измерений за счет использования в исследуемом объеме влагочувствительного сенсорного элемента, реагирующего на изменение влажности уровнем сигнала люминесценции.
Указанный результат достигается тем, что оптический датчик влажности, состоящий из источника света, влагочувствительного элемента, регистрирующего устройства, отличается тем, что в качестве влагочувствительного элемента использована биополимерная пленка ДНК, активированная красителем метиловым фиолетовым (МФ).
На фиг. 1 изображен предлагаемый датчик влажности. Датчик содержит источник света (1), регистрирующее устройство (2) и влагочувствительный сенсорный элемент (3). Датчик работает следующим образом. Влагочувствительный сенсорный элемент помещают в атмосферу с известной стандартной относительной влажностью и с помощью источника света возбуждают флуоресценцию МФ в видимой области (500 – 750 нм). Спектр флуоресценции регистрируется регистрирующим устройством. При изменении относительной влажности воздуха в окружающей среде от 50% до 95% происходит резкое (более чем в 4 раза) падение интенсивности флуоресценции красителя. Такой результат связан с развитием процессов безызлучательной релаксации энергии электронного возбуждения в молекулах МФ при увлажнении пленок.
При осушении сенсора происходит восстановление его спектрально-люминесцентных свойств до исходного уровня, т.е. описанная реакция сенсора на изменения влажности является обратимой.
Строят график зависимости интенсивности флуоресценции сенсорного элемента в максимуме спектра, т.е. на длине волны 630 нм от влажности атмосферы (воздуха). Мощность излучения источника света поддерживают постоянной. Для определения неизвестной относительной влажности воздуха сенсорный элемент помещают в объем этого воздуха и измеряют интенсивность его флуоресценции. Затем по графику зависимости интенсивности флуоресценции сенсора от влажности стандартных образцов воздуха определяют относительную влажность воздуха.
Сравнительные результаты применения прототипа и заявляемого датчика при измерении влажности сведены в таблицу.
сенсор
Принцип действия
эффективность
Пленка ДНК + акридиновый оранжевый
Регистрация поглощения сенсора на длине волны максимума оптической плотности (502 нм).
Изменение (увеличение) оптической плотности сенсора на 10% (в 1,1 раза) при изменении относительной влажности воздуха от 50% до 95%.
Пленка ДНК + метиловый фиолетовый
Регистрация люминесценции сенсора на длине волны максимума спектра флуоресценции (630 нм).
Изменение (падение) интенсивности флуоресценции сенсора на 75% (в 4 раза) при изменении относительной влажности воздуха от 50% до 95%.