Датчик влажности

 

Использование: в аналитических приборах для измерения относительной влажности газов и твердых материалов. Сущность изобретения: датчик влажности конденсаторного типа содержит два измерительных электрода, между которыми размещен влагочувствительный слой в виде пленки оксида материала, из которого изготовлен первый измерительный электрод, являющийся электретом. Второй измерительный электрод выполнен из материала, проницаемого для паров воды, и его электропроводность выше электропроводности влагочувствительного слоя. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к аналитическим приборам и может быть использовано при производстве датчиков влажности емкостного типа.

Известен датчик влажности, включающий диэлектрическую подложку, влагочувствительный элемент и электродные структуры [1] Эти датчики сложны в изготовлении и требуют специальных дорогостоящих материалов, а потому не находят широкого применения.

Наиболее близким к описываемому является датчик влажности [2] содержащий влагочувствительный слой, размещенный между двумя измерительными электродами. Известный датчик имеет простую конструкцию и несложную технологию производства. Однако из-за низкой сорбционной способности чувствительного элемента по отношению к водяным парам он обладает большой погрешностью измерений и низкой чувствительностью, что затрудняет его применение в условиях резкого изменения влажности, например, для измерения точки росы.

Таким образом, технический результат, получаемый при реализации описываемого изобретения, заключается в повышении точности измерений и расширении области использования датчиков влажности.

Указанный технический результат достигается тем, что в датчике влажности, содержащем влагочувствительный слой, размещенный между двумя измерительными электродами, влагочувствительный слой является электретом и выполнен в виде оксида материала, из которого изготовлен первый электрод, а второй электрод выполнен из проницаемого для паров воды материала, электропроводность которого выше электропроводности влагочувствительного слоя.

При этом первый электрод может быть выполнен в виде матрицы и является одновременно нагревателем.

Повышенная сорбционная способность чувствительного слоя по отношению к парам воды достигается благодаря использованию материала с выраженным электретным эффектом. Электретный эффект в общем случае проявляется в электрических полях внутри электрета, а также в окружающем его пространстве. В электрическом поле электрета возможна дипольная поляризация молекул воды, вследствие чего происходит их притяжение, а затем сорбция на поверхность электрета. Процесс сорбции происходит тем интенсивнее, чем выше напряженность электрического поля в окружающем пространстве.

Интенсификация процесса испарения с чувствительного слоя при капельном попадании влаги на его поверхность достигается за счет искусственного подогрева датчика электрическим током, протекающим через первый электрод.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена конструкция датчика, а на фиг.2 зависимость емкости датчика от относительной влажности воздуха.

Первый измерительный электрод 1 с одной стороны покрыт слоем 2 диэлектрика, а с другой стороны влагочувствительным слоем 3, на поверхности которого размещен второй измерительный электрод 4. Первый измерительный электрод 1 и второй измерительный электрод 4 посредством выводов 5 и 6 соответственно подсоединены к измерительной цепи. В случае использования первого измерительного электрода 1 в качестве нагревателя его подключают к нагревательной цепи посредством выводов 5 и 7.

Первый электрод 1 выполнен в виде металлической матрицы, например, из циркония. Влагочувствительный слой 3 является электретом и представляет собой пленку, в данном случае оксида циркония. Второй измерительный электрод 4 выполнен из проницаемого для паров воды материала, электропроводность которого выше электропроводности влагочувствительного слоя 3, например из оксида другого металла, удовлетворяющего этому условию.

Первый измерительный электрод 1 металлическая матрица, влагочувствительный слой 3 и второй измерительный электрод 4 представляют собой конденсатор, образующий датчик влажности.

Описываемый датчик влажности изготавливают следующим образом.

Первый измерительный электрод изготавливают в виде прямоугольной матрицы из циркония. К торцам матрицы, например, посредством сварки присоединяют выводы 5 и 7 и в таком виде матрицу подвергают нагреванию в окислительной среде, в качестве которой используют кислород, до температуры 500 600^oC, после чего производят выдержку при этой температуре в течение 9 10 ч. На поверхности матрицы получают влагочувствительный слой 3 в виде пленки оксида циркония толщиной несколько мкм. Известно, что в этом случае разность потенциалов, возникающая между фазовыми границами "металл-оксид металла", составляет порядка 0,655 В. Напряженность собственного поля, возникающего в оксидной пленке в процессе термического окисления, составляет величину порядка 0,5·10⁴ В/см, что сравнимо с напряженностью внешнего поля, формирующего электретный эффект в диэлектриках. Таким образом, полученный влагочувствительный слой 3 является электретом. На поверхность влагочувствительного слоя наносят второй измерительный электрод 4 в виде пасты, например оксида никеля, легированного литием, с последующим ее вжиганием, после чего к нему приваривают вывод 6 для снятия сигнала.

На фиг.2 приведена зависимость емкости датчика влажности, изготовленного описанным выше способом, от относительной влажности воздуха, измеренная при температуре 30^oC на частоте 100 кГц. В качестве сред с известной влажностью использовались насыщенные растворы солей. В качестве влагочувствительного слоя 3 использовалась пленка оксида циркония площадью 1 см², не содержащая сквозных локальных участков проводимости.

В диапазоне относительной влажности 12 63 график имеет значительную крутизну и хорошо сглаживается экспоненциальной функцией вида: C C₀ exp/af/, где C₀ и a параметры уравнения, f относительная влажность /%/.

При капельном увлажнении поверхности чувствительного слоя происходит десятикратное увеличение емкости по сравнению с соответствующим значением для влажности 63% Описываемый датчик влажности прост в изготовлении, не требует дорогостоящих материалов и обладает высокой чувствительностью, что позволяет с достаточной степенью точности измерять относительную влажность воздуха, содержание влаги в твердых телах, а также определять точку росы. Датчик может быть использован в качестве реле-регулятора для управления включением/выключением стеклоочистителей.

Литература, принятая во внимание Патент ЕПВ N 0241761, кл. G 01 N 27/22, опубл. 1987.

Измерения в промышленности. Справочник под ред. проф. П. Профоса. М. Металлургия, 1990, т.3, с.139 140.

Формула изобретения

1. Датчик влажности, содержащий влагочувствительный слой, размещенный между двумя измерительными электродами, отличающийся тем, что влагочувствительный слой является электретом и выполнен в виде пленки оксида материала, из которого изготовлен первый измерительный электрод, а второй измерительный электрод выполнен из проницаемого для паров воды материала, электропроводность которого выше электропроводности влагочувствительного слоя.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что первый измерительный электрод выполнен в виде матрицы и является одновременно нагревателем.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2