Сорбционно-частотный гигрометр

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах измерения влажности газообразных сред. Целью изобретения является повышение быстродействия , точности и расширение диапазона измерения сорбцнонно-частотного гигрометра. Гигрометр содержит пьезосорбционный чувствительный элемент, подключенный к измерительной схеме. Чувствительный элемент выполнен в виде пьезоэлемента, состояще1го из кварцевой пластины с металлическими электродами. На каждую поверхность пьезоэлемента идентичным образом нанесены друг на друга сорбционные покрытия в два слоя, причем нижний слой выполнен из макропористого отожженного гидратированного кремнезема с радиусом пор менее 1,5 нм, а верхний - из полиамида-6, имеющего термодинамически стойкую кристаллическую структуру. Массы сорбционных покрытий каждого слоя одинаковы. 3 ил. ta

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (112

А1 (50 4 G 0 1 И 5/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 4169430/24-25 (22) 29.12.86 (46) 15.07.88. Бюл. У 26 (72) И.А.Рудых, В.Е,Иващенко и А.И.Бутурлин (53) 543.54(088.8) (56) Патент США 11 3427864, кл. 73-29, 1969.

Авторское свидетельство СССР

У 783648, кл. G 01 Н 5/02, 1979..(54) СОРБЦИОННО-ЧАСТОТНЫЙ ГИГРОМЕТР (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах измерения влажности газообразных сред. Целью изобретения является повышение быстродействия, точности и расширение диапазона измерения сорбционно-частотного гигрометра. Гигрометр содержит пьезосорбционный чувствительный элемент, подключенный к измерительной схеме.

Чувствительный элемент выполнен в виде пьезоэлемента, состоящеГо из кварцевой пластины с металлическими электродами. На каждую поверхность пьезоэлемента идентичным образом нанесены друг на друга сорбционные покрытия в два слоя, причем нижний слой выполнен из микропористого отожженного гидратированного кремнезема с радиусом пор менее 1,5 нм, а верх- ний — из полиамида-б, имеющего термодинамически стойкую кристаллическую структуру. Массы сорбционных покрытий каждого слоя одинаковы. 3 ил.

1409889

Изобретение относится K измерительной технике и может быть использовано в системах измерения влажности ,,газообразных сред.

Целью изобретения является повышение быстродействия, точности, и расширение диапазона измерения гигрометр а.

На фиг. 1 изображена гринципиальная схема гигрометра; на фиг. 2 схема пьезосорбционного чувствительного элемента; на фиг, 3 — изотермы сорбции паров воды сорбционных покрытий. 15

Сорбционно-частотный гигрометр состоит иэ (фиг. 1) пьезосорбционного чувствительного элемента 1, подклю-. ченного к электронной измерительной схеме, включающей рабочий автогенера-20 тор 2, эталонный кварцевый генератор 3, устройство 4 вычитания частот и регистратор 5, преобразующий разность частот в выходной сигнал.

Пьезосорбционный чувствительный 25 элемент 1 {фиг. 2) выполнен в виде кварцевого пьезоэлемента, состоящего из кварцевой пластины б с металли- . ческими электродами 7, На каждую поверхность пьезоэле,мента идентичным образом нанесены друг на друга сорбционные покрытия в два слоя„ причем нижний слой 8 выполнен из микропористого отоюкенногci гидратированного кремнезема с радиусом пор менее 1,5 нм, а верхний 9

35 из полиамида- 6, имеющего термодинамически устойчивую кристаллическую структуру. Массы сорбционных покры; ий каждого слоя одинаковы, Сорбционное покрытие в ниде микропористого отожженного гидратированного кремнезема может быть нанесено на обе поверхности пьезоэлемента путем гидролиза паров тетрахлорида кремния, осуществляемого по реакции

Б С1 +Н О- Я О пН О+НС1

Второе сорбционное покрытие {поли" амид-6) может быть нанесено поверх кремнезема на пьезоэлемент путем

) пульвепизации раствора полиамида-6 в муравьиной кислоте на вращающийся пьезоэлемент, что обеспечивает получение одинаковой толщины покрытия на обеих сторонах пьезоэлемента.

После нанесения покрытий пьезоэле55 мент подвергается отжигу при 150 С в инертном газе с последующим охлаждением с равномерной скоростью. После этого пьезоэлемент выдерживается в воздухе насыщенным водяным паром при повышенной температуре в ечение нескольких суток. Такая технология изготовления обеспечивает получение микропористой структуры гидратированного кремнезема е радиусом пор не более 1,5 нм и одновременно обеспечивает термодинамически устойчивую стабильную кристаллическую структуру полиамида-6 .

Устройство работает следующим образом.

При включении чувствительного элемента в схему автогенератора он совершает электромеханические колебания с резонансной частотой, зависящей от óììàðíoé масСы сорбционных покрытий, нанесенных на пьезоэлемент. Покрытия сорбируют влагу из анализируемого газа, изменяя свою массу„ при этом количество поглощенных каждым покрытием водяных паров определяется в соответствии с изотерма,п .сорбции каждого из покрытий (кривые 10 н

»а фиг. 3). Общее количество поглощенных водяных паров соответствует суммарной изотерме сорбции (кривая 12 на фиг. 3). Поскольку направления выпуклостей изотерм 10 и 11 сорбцин противоположны в диапазоне относительной влажности 10 — 957., то суммарная изотерма (кривая 12) является практически линейной (отклонение от линейности не более 0,57.) в этом диапазоне, в то время как: изотермы 10 и 11 обладают существенной нелинейностью (порядка 11 и 77 соответственно). Изменение частоты колебаний автогенератора 2 (выходной сигнал чувствительного элемента) пропорционально изменению суммарной массы сорбционных покрытий и однозначно определяется суммарной изотермой сорбции.

Сигналы рабочего автогенератора 2 и эталонного кварцевого генератора 3 вычитаются в устройстве 4, полуЧенная раэностная частота на выходе этого устройства преобразуется в выходной сигнал в регистраторе 5, Положительный эффект от использования изобретения достигается за счет того, что в пьезосорбционном чувствительном элементе в качестве сорбционных покрытий использованы микропористый отожженный гидратированный кремнезем с радиусом пор не более 1,5 мм и полиамид — 6, нанесен1409389 ный поверх кремнезема, имеющий термодинамически устойчивую кристаллическую структуру.

Использование таких сорбционных покрытий позволяет существенно снизить нелинейность статической характеристики пьезосорбционного чувствительного элемента в более широком диапазоне изменения относительной влажности (10-95K), поскольку (фиг.3) изотермы 10, 11 сорбции кремнезема и полиамида-6 имеют противоположную кривизну, а суммарная изотерма 12 сорбции этих покрытий отклоняется от линейной не более 0,57.. Кроме того поскольку в этом диапазоне оба покрытия обладают незначительным сорбционным гистерезисом изотермы сорбции — десорбции, то и суммарная изотерма сорбции, а следовательно, и статическая характеристика пьезосорбционного элемента также не имеют петли гистерезиса, что существенно повышает его быстродействие, точность устройства и упрощает конструкцию.

Инерционность чувствительного элемента определяется природой сорбционного покрытия, скоростью диффузии паров воды в покрытии и толщиной покрытия. Причем если в пористых сорбционных покрытиях, подобных кремнезему, при скачкообразном изменении влажности сорбцнонное равновесие достигается практически мгновенно (за 1-2 с), в полимерных покрытиях установление равновесия существенно замедляется вследствие диффузии паров воды в объем полимера. Практически для тонких

40 пленок полиамида-6 (1-2 мкм толщиной) время установления сорбционного, равновесия составляет 1-2 мин. При этом постоянная времени. установления сорбционного равновесия пропорциональна квадрату толщины покрытия и обратно пропорциональна коэффициенту диффузии паров воды. Таким образом, инерционность чуствительного элемента предлагаемого устройства определяется свойствами полимерного сорбционного

50 покрытия .

В предложенном устройстве полиамид-6 расположен поверх кремнезема на обеих сторонах пьезоэлемента, поэтому его толщина в 2 раза меньше, чем если бы та же масса полиамида-6 была нанесена на одну сторону пьезоэлемента. Поэтому и быстродействие устройства увеличивается. Иаксималь— но возможное быстродействие устройства достигается в случае равенства толщины полиамида-6 на обеих сторо— нах пьезоэлемента. В противном случае, когда толнр на полиамида-6 на одной из сторон пьезоэлемента больше, чем на другой, то инерционность увеличивается, так как она определяется толщиной покрытия на первой стороне пьезоэлемента.

Если массы кремнезема и полиамида-6 отличаются друг от друга, то область значений диапазона измерений, в которой суммарная изотерма сорбции покрытий является лпнейяой ужастся, Так, если массы с ор б пн о я т-г и о.:p:,òòï é отличаются на 10;7, то суммарная пзотерма сорбции является лппе D диапазоне 15 — 90Е.

Лналогичный эффект возникает, если радиус пор кремнезема увслпчнвается (более 1,5 нм). Прп этом пзменяется наклон изотермы сорбцни силпкаг ".яя, 1 как на начальном участке, так и в области болылх концентрапчй влагп.

При этом также возможно возникновение гистерезиса изотермы -сорбции кр емнез ема в р езультате капиллярной конденсации в области больших значений относительной влажности, что увеЛичивает погрешность измер ений.

Формула изобретения

Сорбционно-частотный гигрометр, состоящий из пьезосорбционного чувствительног о элемента, выполненного в виде пьезоэлемента, на поверхность которого нанесены два сорбционных покрытия с изотермами сорбции противоположной кривизны, и электронной измерительной схемы, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения быстродействия, точности и распырения диапазона измерения, сорбционные покрытия нанесены идентичным образом на каждую поверхность пьезоэлемента в два слоя, причем нижний слой выполнен из микропористого отожженного гидратированного кремнезема с радиусом пор менее 1 5 нм, верхний — из полиамида-6, причем массы слоев одинаковы.

3 409339

1409889 уф 7с

Составитель В. Пересадько

P едакт ор М. Кел емеш Техр ед А. Кравчук Корректор 3.Лончакова

Заказ 3471/38 Тираж 847 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4