Способ преобразования влажности газов в электрическое напряжение (ток) и устройство для его осуществления

Изобретение относится к измерительной технике. Устройство для преобразования влажности газа согласно изобретению содержит электродную пару из двух электродов, внутренний зазор между которыми заполнен непористым диэлектриком, а вся внешняя поверхность структуры покрыта влагочувствительным слоем, при этом электроды изготовлены из металлов с различными собственными потенциалами. Также предложен способ преобразования влажности газа, который может быть осуществлен с помощью описанного выше устройства. Изобретение обеспечивает расширение функциональных возможностей, повышение порога чувствительности и снижение массогабаритных показателей, возможность создания экономичных источников электроэнергии. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области гигрометрии и может быть использовано для определения влажности газов в разных областях народного хозяйства, кроме этого заявленное решение может быть использовано при создании экономичных и нетрадиционных источников электроэнергии.

Известен способ преобразования влажности газов в электрическое сопротивление, при котором образуют электродную пару из двух электродов, разделенных диэлектриком и покрытых влагочувствительным слоем, и снимают выходной сигнал (Берлинер М.А. Измерения влажности. - М.: Энергия, 1973 г.). Данное решение выбрано в качестве прототипа. Такой способ преобразования используется в резистивных электролитических преобразователях, которые состоят из диэлектрической подложки и нанесенных на нее двух не соприкасающихся электродов, выполненных из одного металла, поверхность которых покрыта тонким влагочувствительным слоем электролита. Последний, сорбируя влагу из окружающей среды, изменяет электрическое сопротивление между электродами. Для преобразования изменения сопротивления влагочувствительного слоя (электролита) в изменения напряжения (тока) и, в конечном итоге, определения влажности газа указанным способом, необходимо применение дополнительного технического средства - генератора переменного напряжения (или тока).

Известно устройство для преобразования влажности газа, содержащее электродную пару из двух электродов, внутренний зазор между которыми заполнен непористым диэлектриком, а вся внешняя поверхность структуры покрыта влагочувствительным слоем электролита (Берлинер М.А. Измерения влажности. - М.: Энергия, 1973 г.). В состав устройства входит также генератор переменного напряжения (или тока).

Существенным недостатком таких преобразователей является большая зависимость электрического сопротивления влагочувствительного слоя (электролита) от температуры окружающей среды. Необходимость применения дополнительных преобразующих устройств также можно отнести к недостаткам известного устройства.

Задачей заявленного решения является расширение функциональных возможностей, повышение порога чувствительности и снижение массогабаритных показателей, кроме того - возможность создания экономичных и нетрадиционных источников электроэнергии.

Поставленная цель достигается за счет того, что в известном способе преобразования влажности газа, при котором образуют электродную пару из двух электродов, разделенных диэлектриком и покрытых влагочувствительным слоем, и снимают выходной сигнал, формируют процесс электролитической диссоциации между электродами путем выбора характеристик электродов с различными собственными потенциалами и, при подключении нагрузки, преобразуют э.д.с. в другую электрическую величину (напряжение/ток), уравнение измерения которой описывается по формуле:

;

где I - ток, протекающий при подключении нагрузки, А;

φ₀₁, φ₀₂ - собственные потенциалы металлов электродов, В;

R_н - входное сопротивление прибора, Ом.

R_i - внутреннее сопротивление влагочувствительного слоя (сорбента), Ом;

,

где ρ_с - удельное электрическое сопротивление сорбента;

h_c - толщина слоя сорбента;

δ_о - зазор между электродами;

l_э - длина электродов.

А также за счет того, что устройство для преобразования влажности газа, содержащее электродную пару из двух электродов, внутренний зазор между которыми заполнен непористым диэлектриком, а вся внешняя поверхность структуры покрыта влагочувствительным слоем, содержит электроды, изготовленные из металлов с различными собственными потенциалами, при этом один электрод может быть выполнен из серебра (собственный потенциал равен +0,799 В), а второй электрод из цинка (собственный потенциал равен -0,763 В), а влагочувствительный слой может быть выполнен на основе поверхностно-активных веществ (ПАВ) с добавлением высокомолекулярного спирта.

Технический результат, получаемый при реализации предложенного изобретения, состоит в том, что процесс электролитической диссоциации между электродами формируют путем выбора характеристик электродов с различными собственными потенциалами и, при подключении нагрузки, преобразуют э.д.с. в другую электрическую величину (напряжение/ток), в результате чего изменение влажности окружающей среды преобразуется непосредственно в напряжение (ток) без дополнительных преобразующих устройств. Главной отличительной особенностью устройства, реализованного на предлагаемом способе, является то, что электроды изготовлены из разных металлов, тем самым образуя разность потенциалов, и при изменении влажности окружающей среды изменяется внутреннее сопротивление влагочувствительного слоя (сорбента), в результате чего изменяется выходное напряжение (ток).

К основным преимуществам заявленного решения можно отнести:

- взрывобезопасность, т.к. для работы преобразователя не требуется источник питания;

- простота конструкции и возможность миниатюризации устройства для преобразования влажности;

- возможность увеличения чувствительности за счет последовательного включения отдельных влагочувствительных элементов преобразователя;

- возможность использования преобразователей, реализующих предлагаемый способ, в качестве источников электрической энергии, мощность которых можно увеличивать последовательным/параллельным соединением преобразователей;

- простота измерительной схемы, которая сводится к измерению выходного напряжения стандартным вольтметром постоянного тока.

Также существенным преимуществом предлагаемого способа, реализованного на описанной двухэлектродной паре с влагочувствительным слоем, является его практическая независимость от изменений давления влагосодержащего газа, за счет того, что при увеличении давления увеличивается проводимость сорбента (уменьшается удельное электрическое сопротивление сорбента ρ_с) и уменьшается толщина слоя сорбента h_c, а отношение ρ_c/h_c остается неизменным. Следовательно, и сопротивление преобразователя влажности R_i остается неизменным.

Заявленное решение не известно заявителю из доступных источников информации, т.е. соответствует критерию охраноспособности «новизна». Заявленное решение содержит новую совокупность существенных признаков, не вытекает очевидным образом из существующего уровня техники и отвечает требованиям критерия «изобретательский уровень».

Заявленное решение поясняется чертежами, где

на фиг.1 представлена схема устройства для преобразования влажности

на фиг.2 представлена эквивалентная схема устройства для преобразования влажности газа в электрическое напряжение (ток)

на фиг.3 представлены температурно-влажностные характеристики устройства для преобразования влажности

На фиг.1 представлена схема устройства для преобразования влажности, содержащего электроды 1 и 2 с зажимами 5. Внутренний зазор между электродами 1 и 2 заполнен непористым диэлектриком 3, а вся внешняя поверхность структуры покрыта влагочувствительным слоем электролита (сорбентом) 4.

Заявленное устройство имеет двухэлектродную пару, из двух электродов 1 и 2, выполненных из разнородных металлов (например, серебро и цинк, с различными собственными потенциалами), внутренний зазор между которыми заполнен непористым диэлектриком 3, а вся внешняя поверхность структуры покрыта влагочувствительным слоем 4 электролита (сорбентом), который в условиях влажной окружающей среды становится проводящим.

Эквивалентная электрическая схема предлагаемого устройства представлена на фиг.2. Из-за разности потенциалов электродов возникает ЭДС. При подключении нагрузки R_н (например, вольтметр постоянного тока) к зажимам 5 электродов 1 и 2, в схеме начинает протекать ток. При изменении влажности окружающей среды изменяется внутреннее сопротивление влагочувствительного слоя 4, а следовательно, изменяется ток, протекающий через предлагаемое устройство и нагрузку.

Выходным сигналом устройства преобразования влажности является постоянное напряжение U_вых (или ток), уравнение измерения которого описывается по формуле:

,

где I - ток, протекающий при подключении нагрузки, А;

φ₀₁, φ₀₂ - собственные потенциалы металлов электродов, В;

R_н - входное сопротивление прибора (например, вольтметра постоянного тока), Ом.

R_i - внутреннее сопротивление влагочувствительного слоя (сорбента), Ом;

,

где ρ_с - удельное электрическое сопротивление сорбента;

h_c - толщина слоя сорбента;

δ_о - зазор между электродами;

l_э - длина электродов.

На Фиг 3 представлены экспериментальные данные температурно-влажностных характеристик преобразователя влажности, изготовленного для реализации данного способа.

Анализ этих характеристик показывает, что коэффициент преобразования находится в диапазоне влажности воздуха и не зависит от температуры контролируемого газа в диапазоне (+15÷+30)°С.

В качестве влагочувствительного вещества для влагочувствительного слоя 4 можно использовать различные виды электролитов или растворов солей, например, LiCl, хлористые соли свинца, циркония, Na₂CO₃, CaSO₄, K₂SO₄. Основным недостатком приведенных выше влагочувствительных веществ является то, что они дают высокую проводимость только при большой влажности, а при микровлажности сопротивление достаточно велико - более 20 МОм. Поэтому целесообразно использовать влагочувствительный сорбент на основе ПАВ с добавлением высокомолекулярного спирта.

Если в качестве электродов выбрать серебро (собственный потенциал равен +0,799 В), и цинк (собственный потенциал равен -0,763 В), то максимальное выходное напряжение при относительной влажности воздуха 100% составит около 1,5 В, если учесть, что внутреннее электрическое сопротивление влагочувствительного слоя будет стремиться к нулю.

Для изготовления электродной пары возможно использование нескольких технологических вариантов:

- вакуумное напыление и фотолитография;

- электрохимическое покрытие;

- изготовление контактол на основе разных металлов;

- изготовление электродов из чистых металлов.

В качестве конструктивной основы первых двух вариантов изготовления электродов можно применить фольгированный стеклотекстолит.

Конструкции устройств могут быть самыми различными. При этом необходимо учитывать коэффициент использования поверхности электродов. Так, если устройство изготовить в виде двух дисков диаметром 6 мм, то боковая поверхность составит 28,26 мм², а рабочая длина устройства 18,84 мм. Если эти же металлы выполнить в виде двух пластин шириной 2 мм, их длина будет 14, 13 мм, а рабочая длина устройства составит 32, 36 мм, т.е. почти в два раза больше дискового.

Общей проблемой аналогичных устройств является обеспечение их способностью выдерживать влажностную перегрузку - капельную влагу, которая, с одной стороны вызывает значительную неравномерность измерительной площади устройства, а с другой стороны в определенных случаях смывает сорбент.

В предлагаемом устройстве эта задача достаточно просто решается путем обматывания чувствительного элемента устройства (до покрытия его сорбентом) тонкой хлопковой нитью, которая задерживает непосредственно капли воды и предотвращает обильное смачивание отдельных площадок сорбента.

Заявляемый способ и устройство могут найти применение в тех областях техники, где отличительной особенностью применения является влажная окружающая среда и отсутствует возможность использования традиционных способов получения электрического напряжения.

1. Способ преобразования влажности газа, при котором образуют электродную пару из двух электродов, разделенных диэлектриком и покрытых влагочувствительным слоем, и снимают выходной сигнал, отличающийся тем, что формируют процесс электролитической диссоциации между электродами путем выбора характеристик электродов с различными собственными потенциалами и при подключении нагрузки преобразуют э.д.с. в другую электрическую величину, уравнение измерения которой описывается по формуле

где I - ток, протекающий при подключении нагрузки, А;
φ₀₁, φ₀₂ - собственные потенциалы металлов электродов, В;
R_н - входное сопротивление прибора, Ом;
R_i - внутреннее сопротивление влагочувствительного слоя (сорбента), Ом;
,
где ρ_с - удельное электрическое сопротивление сорбента;
h_с - толщина слоя сорбента;
δ_о - зазор между электродами;
l_э - длина электродов.

2. Устройство для преобразования влажности газа, содержащее электродную пару из двух электродов, внутренний зазор между которыми заполнен непористым диэлектриком, а вся внешняя поверхность структуры покрыта влагочувствительным слоем, отличающееся тем, что электроды изготовлены из металлов с различными собственными потенциалами.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что один электрод выполнен из серебра (собственный потенциал равен +0,799 В), а второй электрод выполнен из цинка (собственный потенциал равен -0,763 В).

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что влагочувствительный слой выполнен на основе ПАВ с добавлением высокомолекулярного спирта.