Устройство для измерения влажности газов

Изобретение относится к измерительной технике. Устройство содержит чувствительный элемент, выполненный в виде кварцевого пьезоэлемента с серебряными электродами, покрытыми слоем сернистого серебра с нанесенным на электроды сорбционным покрытием, например капроном, имеющим термодинамически устойчивую кристаллическую структуру. Частота кварцевого пьезоэлемента F и толщина пленки сорбента h выбраны в соответствии с выражением h·F=13÷15 мкм·МГц, причем частота кварцевого пьезоэлемента выбрана в пределах от 9 до 25 МГц. Технический результат - уменьшение инерционности чувствительного элемента, повышение стабильности его характеристик. 1 ил., 1 табл.

 

Предлагаемое устройство относится к области аналитического приборостроения, в частности к приборам для измерения относительной влажности газов, и является усовершенствованием известного устройства по авт. свид. №463901, кл. G01N 25/58.

В основном изобретении описано устройство для измерения влажности газов, содержащее чувствительный элемент, выполненный в виде кварцевого пьезоэлемента с серебряными электродами, покрытого слоем полимерного сорбента, например капрона, причем серебряные электроды покрыты защитным слоем сернистого серебра, а нанесенная на пьезоэлемент пленка сорбента имеет термодинамически устойчивую кристаллическую структуру. Недостатком известного чувствительного элемента является большая инерционность. Так, его постоянная времени достигает 50 с, а время переходного процесса 15 мин.

Инерционные свойства подобного чувствительного элемента определяются толщиной пленки сорбента и коэффициентом диффузии паров воды в сорбционной пленке.

Постоянная времени чувствительного элемента с пленкой полимерного сорбента (капрона) при скачкообразном изменении влажности определяется из выражения

где τ - постоянная времени;

h - толщина пленки сорбента;

D - коэффициент диффузии паров воды в пленке сорбента;

k - коэффициент пропорциональности.

Толщина пленки сорбента на одной из сторон кварцевого пьезоэлемента определяется по формуле

где F - резонансная частота колебаний пьезоэлемента;

N - частотный коэффициент;

ρ_k, ρ_с - соответственно плотность кварца и плотность сорбента;

ΔF_c - изменение частоты кварцевого пьезоэлемента за счет нанесенной на обе его стороны пленки сорбента массой m_c.

Как следует из выражения (1), для уменьшения инерционности чувствительного элемента необходимо уменьшить толщину пленки сорбента.

Чтобы уменьшить толщину пленки сорбента, необходимо уменьшить массу наносимого на пьезоэлемент сорбента, которая пропорциональна величине ΔF_c, либо увеличить частоту колебаний кварцевого пьезоэлемента F.

При увеличении частоты колебаний кварцевых резонаторов, хотя их относительная нестабильность ΔF_н/F сохраняется постоянной, возрастает абсолютное изменение частоты, вызванное нестабильностью ΔF_н. Это приводит к увеличению погрешности чувствительных элементов за счет нестабильности и, следовательно, к ухудшению их точности.

Целью предлагаемого изобретения является уменьшение инерционности чувствительных элементов при сохранении стабильности и точности.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения влажности газов по авт. свид. №463901, кл. G01N 25/58 частота кварцевого пьезоэлемента F и толщина пленки сорбента h выбраны в соответствии с выражением h·F=13÷15 мкм·МГц. Частоты кварцевых резонаторов находятся в пределах от 5 до 25 МГц. Кварцевые резонаторы с меньшими или большими частотами для изготовления чувствительных элементов не применялись.

Такое решение позволяет достичь значительного снижения инерционности чувствительных элементов гигрометров, причем их стабильность и точность не ухудшаются.

На чертеже изображено предлагаемое устройство.

Чувствительный элемент состоит из кварцевого пьезоэлемента (кварцевой пластины 1 с серебряными электродами 2), из защитного слоя сернистого серебра 3, расположенного на электродах 2. На пластину 1 и электроды 2 с защитным слоем сернистого серебра нанесена влагочувствительная пленка поликапроамида (капрона) 4. Пленка поликапроамида имеет термодинамически устойчивую кристаллическую структуру.

Основная частота кварцевого пьезоэлемента без пленки сорбента выбрана в диапазоне от 9 до 25 МГц, а соотношение между толщиной пленки поликапроамида h и частотой кварцевого пьезоэлемента F выбрано равным h·F=13÷15 мкм·МГц.

Устройство работает следующим образом.

При включении чувствительного элемента в схему электронного генератора он совершает механические колебания сдвига по толщине кварцевой пластины с резонансной частотой, зависящей от массы вещества, нанесенного на поверхность пьезоэлемента.

При помещении чувствительного элемента в анализируемую газовую среду пленка поликапроамида избирательно сорбирует пары воды из газа, изменяя массу элемента и, следовательно, частоту колебаний чувствительного элемента. Изменение частоты колебаний служит мерой влажности анализируемой среды.

Изготовление чувствительного элемента можно осуществить известным способом по авт. свид. №438913, кл. G01N 25/56.

Измерение толщины пленки сорбента при изготовлении осуществляется с использованием зависимости (2) по изменению резонансной частоты колебаний пьезоэлемента в процессе нанесения пленки сорбента.

Для определения эффективности предлагаемого изобретения была проведена его экспериментальная проверка. Были изготовлены четыре экспериментальных партии предлагаемых чувствительных элементов с влагочувствительной пленкой поликапроамида с использованием кварцевых резонаторов III Г-14БТ частота Б1 (ГОСТ 6503-67) с основной частотой колебаний от 9 до 25 МГц. Были проведены сравнительные испытания этих чувствительных элементов по определению их инерционности (постоянной времени τ и времени переходного процесса Т_П) и стабильности параметров в течение одного года. Одновременно испытаниям подвергались чувствительные элементы, изготовленные на основе изобретения по авт. свид. №463901 с основной частотой колебаний 2 МГц (толщина пленки сорбента h=2,8 мкм), принятые за базовый объект.

В таблице приведены основные параметры чувствительных элементов: частота кварцевого резонатора F, толщина пленки сорбента h, изменение частоты колебаний резонатора за счет массы нанесенной пленки сорбента ΔF_C, интегральная чувствительность элемента ΔF_0-100, равная изменению частоты элемента при изменении относительной влажности от 0 до 100%.

Здесь же даны основные результаты испытаний: постоянная времени τ, время переходного процесса Т_П и погрешность чувствительных элементов, вызванная нестабильностью δ_Н.

Постоянная времени τ и время переходного процесса Т_П определялись при скачкообразном изменении относительной влажности от 20 до 70%. Погрешность, вызванная нестабильностью, определялась по формуле:

где ΔF_Н - среднемесячное изменение частоты колебаний чувствительного элемента при относительной влажности, равной 0%, Гц;

ΔF_0-100 - интегральная чувствительность элемента, Гц.

Таблица
Параметр	Частота резонатора, F, Гц
5·106	9·106	14,1·106	18,1·106	25·106
h, мкм	2,8	1,55±0,11	1,0±0,07	0,78±0,055	0,56±0,04
ΔFC, Гц	36,5·103	66·103	102·103	131·103	181·103
ΔF0-100, Гц	2900	5250	8100	10400	14400
τ, с	42±5	12±3	6±2	3,5±2	2±1
TП, мин	5±0,2	1,2±0,25	0,8±0,25	0,57±0,25	0,38±0,2
δ, %	1	0,95	0,98	0,9	0,95

Результаты испытаний свидетельствуют о том, что при одинаковой стабильности, а следовательно, и точности по сравнению с базовым объектом предлагаемое устройство обладает значительно лучшими динамическими характеристиками.

Таким образом, предлагаемое изобретение дает при использовании положительный эффект, заключающийся в уменьшении инерционности чувствительных элементов при сохранении их точности и стабильности.

Устройство для измерения влажности газов, содержащее чувствительный элемент, выполненный в виде кварцевого пьезоэлемента с серебряными электродами, покрытыми слоем сернистого серебра с нанесенным на электроды сорбционным покрытием, например капроном, имеющим термодинамически устойчивую кристаллическую структуру, отличающееся тем, что частота F кварцевого пьезоэлемента и толщина h пленки сорбента выбраны в соответствии с выражением h·F=13÷15 мкм·МГц, причем частота кварцевого пьезоэлемента выбрана в пределах от 9 до 25 МГц.