Первичный преобразователь гигрометра точки росы

 

Изобретение относится к измерительной технике и в сочетании с вторичным преобразователем может быть применено для автоматизации измерений, контроля технологических процессов и управления, а также 2 при выполнении научно-исследовательских , испытательных и проверочных работ в сельском хозяйстве, текстильной и электронной промышленности, при контроле микроклимата в медицине и т.п. Цель, изобретения - повышение точности измерения влажности за счет улучшения условий подвода тепла к влагочувствительному веществу и увеличение быстродействия преобразователя. Преобразователь содержит тонкие металлические термометр сопротивления и нагревательный элемент и влагочувстаительный элемент в виде кбрррзионнестойких тонкопленочных электродов , разделённых с; помощью П-об;разн6й диэлектрической вставки межэлектррДным промежутком, заполненным влагочувСтвительным веществом на основе электролитической соли. Выполнен преобразователь в виде тела вращения, образованного двумя коаксиально сопряженными цилиндрами, один из которых является термометром сопротивления , а другой - нагревателем. Влагочувствительное вещество предложено формировать из суспензии, содержащей высокотеплопроводный порошок, а цилиндры - из фольги с микроотверстиями. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (sl)s G 01 N 25/66

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4715913/25 (22) 24.05;89 (46) 07.02.92. Бюл. ¹ 5 (71) Киевский политехнический институт им.

50-летия Великой Октябрьской социалистической революции (72) А.Н.Небосенко, Ю,А,Небосенко, Ф.M.Ðåïà, В,П.Мироненко и И.И.Харченко (53) 533.275(088,8) (56) Разработка измерительного электротеплового преобразователя влажности и температуры воздуха на основе групповой. тонкопленочной технологии. Киевский политехнический ин-т. Научный рук.

В.С.Скрынский, ответ. исполн. А.А.Небосенко, ¹ гос, pet. 01850082646, опублик. . 17.03.86.

Авторское свидетельство СССР № 1492238, кл. G 01 и 25/66, 10.07,86, (54) П Е Р В И Ч Н bl Й П P Е О Б P А 3 0 В AT ЕЛ Ь

ГИГРОМЕТРА ТОЧКИ РОСЫ (57) Изобретение относится к измерительной технике и B сочетании с вторичным преобразователем может быть применено для автоматизации измерений, контроля технологических процессов и управления, атакже

Изобретение относится к измерительной технике и в сочетании с вторичным преобразователем может быть предназначено для замены автоматических приборов типа

ДВ-1К и ГП-225 и может быть применено для, автоматизации измерений, контроля технологических процессов управления, а также при выполнении научно-исследовательских. испытательных и поверочных работ в сельском хозяйстве (контроль атмосферы на фермах, в овощехранилищах), текстильной при выполнении .научно-исследовательских, испытательных и проверочных работ в сельском хозяйстве, текстильной и электронной промышленности, при контроле микроклимата в медицине и т.п. Цель. изобретения — повышение точности измерения влажности за счет улучшения условий подвода тепла к влэгочувствительному веществу и увеличение быстродействия преобразователя. Преобразователь содержит тонкие металлические термометр сопротивления и нагревательный элемент и влагочувствительный элемент в виде коррозионностойких тонкопленочных электродов, разделенных с помощью П-образной диэлектрической вставки межэлектродным промежутком, заполненным влагочgjBcTBM тельным веществом на основе электролитической соли. Выполнен преобразователь в виде тела вращения, образованного двумя коаксиально сопряженными цилиндрами, один из которых является термометром сопротивления, а другой — нагревателем. Влагочувствительное вещество предложено формировать из суспензии, содержащей высокотеплопроводный порошок, а цилиндры — из фольги с микроотверстиями. 1 ил, и электронной промышленностях, для контроля микроклимата в медицине, запотевания стекол в автомобилях и т.д.

Известен первичный. преобразователь (ПП) гигрометра точки росы, содержащий тонкопленочные металлические термометр сопротивления и нагревательный элемент, нанесенные на одну из поверхностей негигроскопической диэлектрической подложки, влагочувствительный элемент в виде тонкопленочных коррозионностойких металличе1711057 ских электродов, нанесенных на другую сторону подложки и разделенных щелевым межэлектродным промежутком, заполненным влагочувствительным веществом на основе электрол итической соли насыщенным раствором хлорида лития.

Недостатками известного технического решения является низкая надежность вследствие плохого контакта электродов с влагочувствительным веществом (ВЧ В)— только по узким и шероховатым кромкам, и малое быстродействие — порядка 15 с из-за значительного термического сопротивле-. ния между нагревательным элементом и

ВЧ В.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является ПП гигрометра . точки росы, содержащий тонкопленочные металлические термометр сопротивления и нагревательный элемент, нанесенные на одну из поверхностей негигроскопичной диэлектрической подложки, и влагочувствительный элемент в виде тонкопленочных коррозионностойких металлических электродов, нанесенных на другую сторону подложки и разделенных с помощью П-образной диэлектрической вставки межэлектродным промежутком, заполненным влагочувствительным веществом на основе электролитической соли.

Недостатками известного преобразователя являются малое быстродействие (порядка 10 с) вследствие значительного термического сопротивления между нагревательным элементом и ВЧ — теплоподвод от нагревательного элемента,к ВЧВ осуществляется кондуктивным теплообменом через все сечение подложки, и сложная технология изготовления ПП вЂ” необходимость использования подложек с двухсторонней полировкой, двухстороннего напыления металлических пленок с помощью дорогостоящих установок и т.п. Цель изобретения -увеличение быстродействия преобразователя. за счет улучшения . условий подвода тепла к влагочувствительному веществу.

Указанная цель дбстигается тем, что в первичном преобразователе гигрометра точки росы, содержащем тонкие металлические термометр сопротивления, нагревательный элемент, коррозионностойкие тонкопленочные электроды, разделенные с помощью П-образной диэлектрической вставки межэлектродным промежутком, заполненным влагочувствительным веществом на основе электролитической соли, термометр и нагреватель выполнены из двух коаксиальных цилиндров из металлической фольги со сквозными микроотверроводным диэлектрическим слоем, на

5 который нанесены соединенные по всей поверхности электроды.

Сопоставительный анализ показывает, что заявляемый ПП отличается как техноло— изготовлены иэ фольги со сквозными микроотверстиями.

В известном преобразователе термометр сопротивления и нагревательный эле15 мент выполнены из тонких пленок никеля, размещенных на поликоровых подложках.

Однако, как показал опыт эксплуатации ПП, тонкопленочные нагреватели и термосопролеблется по площади, что приводит к ло10

25

55 стиями, поверхности цилиндров со стороны находящегося между ними влагочувствительного вещества покрыты высокотеплопгией, так и формой выполнения термометра сопротивления и нагревательного элемента тивления, изготовленные на поликоровых поликора иногда достигает 30 нм. В то же время толщины используемых в ПП металлических пленок составляют порядка 300 нм. Поэтому вследствие микронеровностей удельное сопротивление пленок резко кокальному увеличению плотности тока до величины порядка 0,4 А/см, т,е. локальг ному нагреву и разрушению пленок. С целью снижения термического сопротивления между термометром сопротивления, нагревательным элементом и ВЧВ заслуживает внимания не тонкопленочная технология, а фольговая технология иэготовления термометров сопротивления (TC) и нагревательных элементов (НЭ). Высокие точностные параметры фольговых прецизионных и термочувствительных резисторов достигаются благодаря использованию металлургической фольги, получаемой методом холодной деформации. Применение рулонного фольгированного материала позволяет автоматизировать процесс изготовления изделий. Известен способ выполнения тонкой металлической фольги со множеством мелких сквозных микроотверстий, позволяющий получить приблизительно, одинаковые габариты ТС и НЭ на основе фольги и на основе тонких пленок.

Однако замена тонкопленочных ТС и

НЭ, выполненных на поликоровой подложке (А = 25 Вт/м С, на фольговые со сквоз-

С- I о ными микроотверстиями (1 = 75 Вт/м ° С) позволяет улучшить условия подвода тепла к влагочувствительному веществу (исключена подложка) за счет снижения термическо17" 1057

20

40

45 го сопротивления примерно в 3 раза. Выполнение их в виде цилиндров не только уменьшает неравномерность нагрева ВЧВ, но и увеличивает количество подводимото к

ВЧВ теплового потока, и, следовательно, не только позволяет увеличить быстродействие преобразователя, но и уменьшить расход энергии, идущей на разогрев нагревательного элемента. Выполнение электродов тонкопленочными на фольге со сквозными микроотверстиями, закрытой высокотеплопроводной диэлектрической пленкой, позволяет получить их развитую поверхность, за счет чего увеличивается площадь контакта ВЧВ с электродами и, как следствие, увеличить чувствительность измерения влажности, а также позволяет улучшить абсорбционные характеристики межэлектродного промежутка, так как Gnaгодаря капиллярному эффекту происходит более интенсивное подсасывание "пленки", соответствующей трехфазному состоянию, на поверхность электродов, при этом улучшается ее контакт с ними, что приводит к увеличению чувствительности и быстродействию ПП.

В предложенном ПП пленка ВЧВ тонкая, что уменьшает время, необходимое пленке для прихода в равновесное состояние (при толщине ВЧВ не более 0,1 мкм процессы влагообмена носят чисто адсорбционный характер и постоянная времени

ПП не превышает 1-3 м), и имеет максимально развитую поверхность при минимальном объеме. Кроме того, в заявленном преобразователе раствор электролитической соли более длительное время удерживается в межэлектродном промежутке (не выливается из пор), так как поры имеют весьма малый радиус, который меньше радиуса закругления поверхности раствора электролитической соли, выступающего из пор при 100% относительной влажности, Сравнение заяленного решения с другими техническими решениями показывает, что при введении в указанной связи с остальными элементами в заявленный первичный преобразователь гигрометра точки росы перечисленные компоненты проявляют новые свойства, что в итоге приводит к увеличению быстродействия преобразователя и упрощению технологии его изготов ления.

На чертеже изображен ПП гигрометра точки росы, общий вид.

ПП гигрометра точки росы выполнен в виде тела вращения и содержит изготовленные из металлической фольги со сквозными микроотверстиями два коаксиально сопряженных и разделенных по высоте узкой щелью цилиндра 1 и 2, меньшии из которых является ТС1, а больший — НЭ 2. На наружной поверхности цилиндра 1 и на внутренней поверхности цилиндра 2, закрытых высокотеплопроводной диэлектрической пленкой 3, размещены тонкопленочные электроды 4. Электроды 4 (или, вернее, цилиндры 1 и 2) разделены с помощью свернутой по цилиндрической поверхности

П-образной диэлектрической вставки 5.

Межэлектродный промежуток 6. образованный углублением вставки 5 и наружной и внутренней поверхностями цилиндров 1 и 2 (поверхностями электродов 4), заполнен влагочувствительным веществом 7. Полученное таким образом тело вращения ПП плотно обжато любым известным способом.

ПП с тугой посадкой размещен в цилиндрическом отверстии плоского нетеплопроводного диэлектрического держателя 8 с электрическими выводами 9. Причем диаметр цилиндрического отверстия держателя

8 соответствует диаметру наружной поверхности цилиндра 2, а толщина держателя 8 выбрана только из соображения надежной фиксации преобразователя к держателю 8 и самого держателя к вторичному преобразователю, которая может быть осуществлена любым известным способом.

Примером конструктивного исполнения

ПП может служить такой преобразователь, в котором цилиндра 1 и 2 выполнены из тонкой никелевой фольги со множеством микроотверстий, полученных в результате многократной прокатки ленты холоднокатанной из никеля марки "Никель -211"— материала с малым относительным удлинением, размещенного между двумя слоями медной ленты — материала с большим относительным удлинением. Холодная прокатка с постепенным уменьшением зазора между роликами приводит к значительному удлинению слоистой полосы в направлении прокатки. Ее толщина внутреннего слоя уменьшается до 25 мкм, а разность пластичности внешних и внутренних слоев вызывает образование множества сквозных микропор, имеющих вид поперечных разрывов.

Необходимо заметить, что с точки зрения надежности работы ПП при повышенной мощности и повышенной температуре окружающей среды, а также влияния радиации никелевые фольговые элементы, как и тонкопленочные никелевые элементы, имеют ряд преимуществ перед ТС и НЭ на основе полупроводниковых элементов, С целью защиты ТС 1 и НЭ 2 от воздействия

ВЧВ 7 и изоляции их от электродов 4 наружная поверхность цилиндра 1 и внутренняя

1711057 онные воздействия с сохранением электрофизических и физиКо-химических свойств. Никелевая фольга, покрытая нитридом бора, обеспечивает суммарное сопротивление, в десятки раз меньшее по сравнению с покрытием Si0, На пленке 3 размещены тонкопленочные электроды 4 из нитрида титана толщиной 1 — 2,мкм, полученные из титана маркиВТ1-О. При их получении использован метод конденсации вещества в вакууме с ионной бомбардировкой электропроводного тугоплавкого материала на установке BY-1б, а также его соединений с газами (азотом).

Поверхностное сопротивление тонкопленочных электродов 4 составляет 1-2

Ом/кв, так. как выбрано исходя из требуемой постоянной времени и омического сопротивления. Тонкопленочные электроды 4 из нитрида титана подобны электродам из металлов платиновой группы — не растворяются электролитически и значительно превосходят по стойкости серебрянные электроды. Цилиндры 1 и 2 с тонкопленочными элементами 3 и 4 разделены с помощью свернутой по цилиндрической поверхности П-образной диэлектрической вставки 5, изготовленной из лавсановой пленки толщиной 100 мкм и глубиной 1 мм при высоте цилиндров 1 и 2 4-5 мм и радиусе внутреннего цилиндра 1 ТС около 4 мм — этот размер выбран из соображений получения 100 Ом сопротивления ТС при 20 С.

Собранный таким образом ПП плотно обжат специальной струбциной цилиндрической формы и размещен в цилиндрическом отверстии диэлектрического держателя 8, выполненного на основе эбонитовой пластинки толщиной 1-1,5 мм с электрическими выводами 9, расположенными с двух сторон подложки, что делает удобным их

50 поверхность цилиндра 2 закрыты пленкой нитрида бора — материала, обладающего комплексом ценных для практики свойств.

Покрытие из нитрида бора обладает высокой коррозионной устойчивостью, хороши- 5

1 ми механическими свойствами, стойкое s щелочных средах, в окисляющих водных растворах, в хлорированных углеводородах.

Коэффициент теплопроводности iL = 73

Вт/м. С, т,е. на два порядка больше, чем у 10 моноокиси кремния при той же толщине (порядка 2 мкм); Кроме того, адгезионная прочность пленок нитрида бора (6...7)-10 Па.. е плотность пленок составляет 2,23-2,31 г/см, они кислотоустойчивы, практически 15 беспористы, пробивное напряжение порядка 6-10 В/см. Такое защитное покрытие с низким тепловым сопротивлением выдерживает экстремальные тепловые и радиациподключение к электродам ТС 1, нагревателя 2, и тонкопленочными электродами 4

Â43.

Держатель 8 может быть выполнен любой формы — это определяется видом стандартного разъема, подключаемого к вторичному преобразователю, и обеспечивает надежную электро- и теплоизоляцию

ПП от компонентов разъема. В качестве материала держателя 8 выбран эбонит, так как этот материал хорошо поддается механической обработке, негигроскопичен, газонепроницаем, стоек к действию растворов кислот, оснований, солей, растительных и животных жиров (разрушается только сильными окислителями, ароматическими и хлорированными углеводородами). Его удельное электрическое сопротивление

10 — 10 Ом-см, Выпускается эбонит в виде пластин, прутков, трубок и фасонных деталей, а применяют в производстве электроизоляционных деталей поиборов. при гумировании различных емкостей для агрессивных жидкостей. После сборки компонентов ПП в межэлектродный промежуток 6 введена гомогенизированная суспензия, содержащая раствор хлорида лития плотностью(1,1-1,2)-10 кг/м в количестве60 от объема ВЧВ-и 40 Д (по объему) диэлектрического высокотеплопро водного порошка фракции 20 — 40 мкм. например порошка нитрида бора.

Преобразователь работает следующим образом.

В основе действия гигрометра точки росы с предложенным первичным преобразователем лежит принцип автоматического поиска и поддержания температуры трехфазного равновесия (кристаллы электролитической соли — раствор — пары воды) ВЧВ

7 на основе электролитической соли, т,е. температуры, при которой давление пара над насыщенным раствором соли поднимается до значения давления пара в окружающем воздуха. Нагрев ВЧВ 7, размещенного в межэлектродном промежутке 6, осуществляется за счет теплопередачи от нагревательного элемента 2. После завершения переходного процесса нагрева устанавливается динамическое равновесие между количеством сорбируемой и испаряемой с поверхности ВЧВ 7 влаги. Этому равновесию соответствует определенное сопротивление соли, регистрирующегося. устройством, подключенным к электродам 4

ВЧВ 7, и равновесная температура (температура точки росы), которая регистрируется с помощью термометра сопротивления и преобразуется в соответствующий выход1711057

10 ной сигнал, по которому с помощью характеристики преобразования определяют влажнОсть окружающего воздуха.

На основании полученных экспериментальных результатов и усовершенствования элементов конструкции ПП гигрометра точки росы разработана конструкция, позволившая повысить быстродействие за счет улучшения условий подвода.тепла к влаго,! чувствительному элементу (веществу). Например, в диапазоне.„ изменения относительной влажности 15 — 98,ь и температуры окружающей среды в диапазоне (-30)+50) С быстродействие преобразователя

1-3 с, т.е. в 3 раза выше, при точности измерения влажности 0,1 С, чем в известном преобразователе. Применение фольгового материала при изготовлении термометров сопротивления и нагревательных элементов позволило существенно упростить технологию изготовления ПП и перейти к групповому способу их производства.

Фольговая технология обеспечивает сочетание высоких точностных параметров про.волочных ТС с технорогичностью изготовления микросхем, Высокая стабильность изделий, их необходимые ТКС и допускаемое отклонение сопротивления от номинала достигается использованием ме-. таллургической фольги, получаемой методом холодной деформаций (проката), а технологичность изготовления — применением специфических приемов технологии.

Фольговая технология позволила при изготовлении ПП исключить. дорогие поликоровые подложки с двухсторонней полировкой, стоимость которых определяется договор5 ными ценами, и выполнение операций фотолитографии и травления при изготовлении термометров сопротивления и нагревательных элементов, что, естественно, исключает применение дорогостоящих установок и

10 привлечение высококвалифицированных специалистов.

Формула изобретения

Первичный преобразователь гигрометра точки росы, содержащий тонкие металли15 ческие термометр сопротивления, нагревательный элемент, коррозионностойкие тонкопленочные электроды, разделенные с помощью.П-образной диэлектрической вставки межзлектродным

20 промежутком, заполненным:влагочувствительным веществом на основе электролитической сали, отличающийся тем, что, с целью увеличения быстродействия преобразователя, термометр и нагреватель вы25 полнены из двух коаксиальных цилиндров из металлической фольги со сквозными микроотверстиями, поверхности цилиндров со стороны находящегося между ними влагочувствительного вещества покрыты высакоДО теплопроводным диэлектрическим слоем, на который нанесены соединенные по всей поверхности электроды. I 711057

Составитель А,Небосенко

Техред М.Моргентал Корректор A.Îñàóëåèêo

Редактор В.Данко

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 335 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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