Резистивные датчики влажности

Сопротивление многих неметаллических проводников, в основном, зависит от со­держания в них воды (см. раздел 3.5.4 главы 3). На этом принципе реализуются ре­зистивные датчики влажности или гигристоры. На рис. 13.6 показана схема гигри-стора. В нем используется материал, обладающий сравнительно низким удельным сопротивлением, которое сильно зависит от влажности окружающей среды. Слой такого материала довольно большой площади наносится сверху двух гребенчатых электродов. Когда он поглощает молекулы воды, сопротивление между электрода­ми меняется, что регистрируется при помощи электронной схемы. Первый датчик

такого типа был реализован Ф.В. Данмором в 1935 году; его гигроскопическая пленка со­стояла из 2...5% водного раствора LiCl [10]. В качестве пленки для гигристоров иногда при­меняют полистирол, обработанный серной кислотой для получения требуемых значений поверхностного удельного сопротивления.

Другим перспективным материалом для изготовления пленок для гигристоров явля­ются твердые полиэлектролиты, поскольку их электропроводность достаточно сильно зави­сит от влажности. Долговременная стабиль­ность и воспроизводимость таких элементов может быть значительно улучшена при использовании взаимопроникающих цепей полимеров, а также соответству­ющих конструкционых материалов. При проведении измерений на частоте 1 кГц на экспериментальном образце такой пленки было показано, что при изменении RH от 0 до 90% ее импеданс уменьшается с 10 МОм до 100 Ом.

На рис. 13.7А показан твердотельный датчик влажности, реализованный на кремниевой подложке, обладающей высокой электропроводностью [12], чтобы про­пускать через себя ток от алюминиевого электрода, нанесенного на ее поверхно­сти методом вакуумного осаждения ме­таллов. На электрод наносится слой из оксида алюминия, сверху которого фор­мируется второй электрод из пористого золота, не мешающего прохождению га­зов, но обеспечивающего хороший элек­трический контакт. Слой алюминия под­вергается специальной обработке для по­лучения пористой оксидной поверхнос­ти. Среднее поперечное сечение пор дол­жно быть достаточным для прохода че­рез них молекул воды. Электрические выводы формируются в кремниевой под­ложке и слое золота. Оксид алюминия, как и многие другие материалы, при кон­такте со смесью газов, содержащей во­дяные пары, поглощает воду. Количество поглощенных молекул воды пропорци­онально парциальному давлению водя­ных паров и обратно пропорционально абсолютной температуре. Оксид алюми­ния является диэлектрическим матери­алом. Его диэлектрическая проницае­мость и поверхностное удельное сопро­тивление зависят от количества адсорби-

рованной воды. По этой причине этот материал может применяться для изготовле­ния чувствительных элементов датчиков влажности.

На рис. 13.7Б показана эквивалентная электрическая схема такого датчика [13]. Значения R₁ и С₁ определяются средними размерами пор в оксиде алюминия и его плотностью. Они зависят о количества молекул, прошедших через поры и осевших на поверхности. R₂ и С₂ — это сопротивление и емкость оксида, расположенного между пор, характеристики которого не зависят от уровня влаги. С₃ — эквивалент­ная последовательная емкость, определяемая при измерении полного сопротивле­ния компонентов в условиях сухой атмосферы на очень высоких частотах. При при­ближении частоты к нулю сопротивление датчика становится очень высоким (бо­лее 10⁸ Ом). Поэтому при измерении влажности необходимо учитывать и импеданс датчика. Все остальные резистивные и емкостные элементы, существующие в дат­чике, не реагирующие на изменения влажности, шунтируют R₁ и C₁, что приводит к уменьшению чувствительности преобразователя, а это, в свою очередь, вызывает снижение точности при низких значениях измеряемой величины. Поскольку по­казания влажности сильно зависят от температуры, в состав датчика обычно вхо­дят: сенсор влажности, термистор и эталонный конденсатор, защищенный от вли­яния влаги и обладающий низким температурным коэффициентом.

13.4. Термисторные датчики влажности

Датчики, реализованные на основе термисторов, измеряют влажность по изме­нению теплопроводности газов (рис. 13.8А) [14]. Такие датчики состоят из двух крошечных термисторов R₁, и R₂, закрепленных при помощи очень тонких прово­дов для снижения тепловых потерь за счет теплопроводности через корпус. Ис­следуемый газ через небольшие вентиляционные отверстия воздействует на ле­вый термистор, при этом правый термистор размещается в герметичной камере с сухим воздухом. Оба термистора включены в мостовую схему, на которую подает­ся напряжение +E. При прохождении через термисторы тока их температура по­вышается до 170°С относительно температуры окружающей среды. Балансировка моста проводиться в условиях сухого воздуха, в уравновешенном состоянии вы-

ходное напряжение должно быть равно нулю. При отклонении абсолютной влаж­ности воздуха от нулевого значения происходит постепенное повышение выход­ного напряжения. Однако при концентрации паров 150 г/м³ оно начинает падать, а при концентрации 345 г/м³ — даже меняет свою полярность (рис. 13.8Б)

Оптический гигрометр

Большинство датчиков влажности обладают не очень хорошей воспроизводимос­тью. Например, величина их гистерезиса составляет от 0.5... 1% RH. Поэтому при помощи них нельзя проводить прецизионные измерения. Для этих целей требуется применение косвенных методов определения влажности. Самым эффективным из них является вычисление абсолютной и относительной влажности по температуре точки росы. Как было указано ранее, точка росы определяется по температуре, при которой жидкая и газовая фазы воды (в данном случае любого вещества) находятся в равновесии. Температура, при которой пар и твердая фаза воды находятся в тер­модинамическом состоянии равновесия, называется точкой замерзания. Каждой температуре точки росы соответствует только одно значение давления насыщенно­го пара. Поэтому, измеряя температуру точки росы при известном значении давле­ния, всегда можно найти абсолютную влажность. Оптический способ определения влажности является оптимальным методом, которому соответствует минимальный гистерезис. Стоимость оптического гигрометра намного выше, чем у предыдущих датчиков, но он позволяет отслеживать низкие уровни содержания воды в продук­ции, что приводит к повышению ее качества, делает эту цену вполне оправданной. Основным элементом оптического гигрометра является зеркало, температура поверхности которого точно регулируется при помощи термоэлектрического насо­са. Пороговая температура зеркала настраивается на температуру точки росы. Ис­следуемый воздух при помощи насоса прогоняется над поверхностью зеркала. Если температура зеркала пересекает точку росы, на его поверхности конденсируются

капли воды. При этом отра­жающие свойства зеркала из­меняются, поскольку капли воды рассеивают лучи света, что детектируется соответ­ствующим фотодетектором. На рис. 13.9 показана упро­щенная схема гигрометра с охлаждаемым зеркалом. Он состоит из термоэлектричес­кого насоса, работающего на эффекте Пельтье. Этот насос отводит тепло от поверхнос­ти тонкого зеркала, внутрь которого встроен детектор температуры, входящий в со­став цифрового термометра, отображающего температуру

зеркала. Данный датчик является дифференциальным устройством, в котором вер­хняя оптопара - светоизлучающий диод (СИД) и фотодетектор — используется для компенсации дрейфа, а вторая (нижняя)— для измерения коэффициента отраже­ния зеркала. Симметричность датчика регулируется при помощи клиновидного оптического балансира, размещенного на пути лучей света верхней оптопары. Ниж­няя оптопара наклонена под углом 45° к зеркалу. При температуре выше точки росы, поверхность зеркала является сухой, а его отражающая способность — максималь­ной. Под управлением контроллера насос снижает температуру зеркала. При появ­лении капель воды отражающая способность зеркала резко падает, что вызывает уменьшение тока фотодектора. Сигнал фотодетектора поступает на контроллер, который теперь должен подавать на насос такой ток, чтобы температура зеркала оставалась равной точке росы, при которой не происходит ни дополнительной кон­денсации влаги, ни ее выпаривания с поверхности. В действительности, при этой температуре молекулы воды то прилипают к зеркалу, то отрываются от него, но сред­нее количество конденсата остается неизменным, т.е. устанавливается равновесие.

Поскольку полученная температура зеркальной поверхности точно опреде­ляет действительную точку росы, этот метод считается наиболее прецизионным способом измерения влажности. В рассмотренном датчике отсутствует гистере­зис, а его чувствительность составляет 0.03°С от температуры точки росы. При известном давлении по точке росы можно определить все характеристики влаж­ности: %RH, давление пара и т.д.

Этот метод имеет ряд недостатков: сравнительно высокую стоимость, воз­можность загрязнения зеркальной поверхности и достаточно высокое потребле­ние электроэнергии тепловым насосом. Проблема, связанная с загрязнением, решается при помощи фильтров и специальной техники охлаждения зеркала, при которой температура сначала понижается ниже точки росы, чтобы выступило много конденсата, а потом резко нагревается. Это позволяет смыть загрязнение и оставить поверхность чистой [15].

Поиск по сайту: