УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЛАГОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ДАТЧИК ВЛАЖНОСТИ НА ОСНОВЕ ТАКИХ ВЛАГОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2015 года по МПК G01W1/11 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройству и способу изготовления влагочувствительных элементов и датчику влажности, содержащему такие влагочувствительные элементы.

Настоящее изобретение особенно применимо для изготовления влагочувствительных элементов и датчиков влажности, которые предназначены для работы в условиях, требующих повышенной стабильности, влагоустойчивости, повышенного срока эксплуатации.

Уровень техники

Как известно, желатин обладает хорошими сорбционными свойствами, что во многом обуславливает его использование в датчиках влажности. Принцип действия таких датчиков состоит в следующем. Влагочувствительное покрытие на основе желатина, наружный слой которого задублен, приходит в сорбционное равновесие с окружающей средой, поглощая или отдавая влагу. Таким образом, при сорбционном равновесии количество влаги, содержащееся во влагочувствительном покрытии на основе желатина, наружный слой которого задублен, будет функцией относительной влажности окружающей среды. С другой стороны, электропроводность влагочувствительного элемента зависит от количества влаги, содержащейся во влагочувствительном покрытии на основе желатина, наружный слой которого задублен. Определяя электропроводность влагочувствительного элемента измерительным прибором, подключенным к выводам накладных электродов, можно определить относительную влажность окружающей среды с использованием градуировочных характеристик.

К влагочувствительному элементу предъявляются повышенные требования с точки зрения равномерности нанесения влагочувствительного покрытия по толщине и по всей поверхности элемента. Эти требования обуславливают конструктивные особенности устройства, предназначенного для изготовления влагочувствительных элементов.

Известен электролитический датчик влажности воздуха, в котором в качестве влагочувствительного элемента используется задубленная бихроматом аммония пленка на основе желатина толщиной до 1 мкм (см. авторское свидетельство СССР №286291, дата публикации 10.11.1970).

Известен также датчик влажности воздуха, в котором в качестве влагочувствительного элемента используется электроизоляционная подложка из триацетатной пленки с нанесенным на ее поверхность покрытием на основе желатина, наружный слой которого задублен (см. патент РФ №2263936, дата публикации 10.11.2005). При этом в качестве дубителя для влагочувствительного покрытия на основе желатина используется дубитель - двухромовокислый калий (K₂Cr₂O₇) при следующем соотношении компонентов, мас. %:

желатин 0,4-0,6 двухромовокислый калий 0,3-0,5 хлористый литий (LiCl) 0,9-1,0 вода остальное

Известен способ производства влагочувствительного элемента (см. патент США №3844832, дата публикации 29.10.1974), который состоит в том, что:

- непрерывно протягивают гибкую полоску в форме диэлектрической пленки с равномерной скоростью через раствор желатина для образования на упомянутой пленке однородного слоя желатина;

- пропитывают слой желатина водным раствором, состоящим из гигроскопической соли и дубильного компонента, таким образом, что соль распределяется однородно в слое желатина;

- осуществляют сушку покрытия;

- подвергают покрытие воздействию света для дубления желатина; и

- разрезают полоску на отдельные пленочные элементы.

Скорость протягивания полоски через водный раствор гигроскопической соли и дубильного компонента - 1 см/мин, причем температура раствора равна 10-18°С.

Водный раствор гигроскопической соли и дубильного агента состоит из раствора хлорида лития с конкретной плотностью от 1,032 до 1,065 г/см³ при 20°C и 5-20 мл (на литр раствора) водного раствора двухромовокислого калия, насыщенного при 20°С.

Для осуществления данного способа применяется устройство, содержащее следующие основные узлы: узел подачи и протягивания пленки, узел пропитки пленки в растворе желатина, растворе водного раствора гигроскопической соли и дубильного компонента, узел сушки изготовленного покрытия, узел воздействия света для дубления желатина и узел резки для разрезания полоски на отдельные пленочные элементы.

По совокупности признаков техническое решение, раскрытое в патенте США №3844832, является наиболее близким аналогом настоящего изобретения.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание способа и устройства изготовления влагочувствительных элементов, обеспечивающих равномерное нанесение влагочувствительного покрытия по всей поверхности элемента при заданной его толщине.

Технический результат - повышение точности определения влажности воздуха и газов в закрытых пространствах. Указанный технический результат достигается с помощью использования влагочувствительных элементов, изготовленных в соответствии со способом, охарактеризованным в независимом пункте 1 формулы изобретения, и устройства, охарактеризованного в независимом пункте 6 формулы изобретения.

Согласно первому аспекту настоящего изобретения, предложен способ изготовления влагочувствительного элемента, который состоит в том, что:

- осуществляют непрерывную протяжку гибкой диэлектрической пленки с равномерно нанесенным слоем желатина;

- погружают упомянутую пленку в пропиточный раствор для пропитки слоя желатина, причем пропиточный раствор представляет собой смесь раствора хлористого лития и раствора двухромовокислого калия;

- осуществляют сушку пленки с пропитанным слоем желатина;

- осуществляют дубление слоя желатина; и

- разрезают пленку на отдельные пленочные элементы, каждый из которых используется впоследствии как влагочувствительный элемент для датчика влажности.

При этом способ отличается тем, что:

- скорость протяжки пленки составляет (10±0.5) мм/мин,

- температура пропиточного раствора составляет (15±3)°С,

- глубина погружения пленки в пропиточный раствор составляет (1.53±0.2) мм,

- температура воздуха при пропитке, дублении и резке равна (20±2)°C,

- относительная влажность воздуха при пропитке, дублении и резке составляет (60±7)%.

В одном варианте осуществления сушка пленки производится с помощью электронагревателей.

В другом варианте осуществления для дубления слоя желатина пленка облучается источником ультрафиолетового спектра или выдерживается в комнатных условиях не менее 2 суток (темновое дубление) в биологическом эксикаторе.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения, предложено устройство изготовления влагочувствительных элементов, содержащее:

- ведущий узел для обеспечения непрерывной протяжки гибкой диэлектрической пленки с равномерно нанесенным слоем желатина;

- узел для погружения упомянутой пленки в пропиточный раствор для пропитки слоя желатина, причем пропиточный раствор представляет собой смесь раствора хлористого лития и раствора двухромовокислого калия;

- узел для сушки упомянутой пленки с пропитанным слоем желатина;

- узел для осуществления дубления слоя желатина; и

- узел для разрезания упомянутой пленки на отдельные пленочные элементы.

При этом устройство отличается тем, что

- ведущий узел выполнен с возможностью обеспечения непрерывной протяжки пленки со скоростью (10±0.5) мм/мин;

- узел для погружения выполнен с возможностью погружения пленки в пропиточный раствор на глубину (1.53±0.2) мм.

В одном варианте осуществления узел для осуществления дубления содержит источник инфракрасного излучения.

В другом варианте осуществления узел для сушки содержит по меньшей мере один электронагреватель.

В еще одном варианте осуществления узел для разрезания выполнен с возможностью разрезания пленки на отдельные пленочные элементы шириной 7±0,05 мм.

Согласно третьему аспекту настоящего изобретения, предложен датчик влажности, содержащий:

- цилиндрической корпус с крышкой, имеющей прорези для доступа анализируемого воздуха или газа; и

- влагочувствительные элементы, изготовленные вышеупомянутым способом и установленные внутри корпуса между электрическими контактами датчика влажности, параллельно по два элемента.

Другие признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидны после прочтения нижеследующего подробного описания и просмотра сопроводительных чертежей.

Краткое описание чертежей

Сущность настоящего изобретения поясняется сопроводительными чертежами, на которых:

Фиг. 1 - схема устройства изготовления влагочувствительных элементов в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 2 - блок-схема последовательности этапов способа изготовления влагочувствительных элементов в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Осуществление изобретения

Различные варианты осуществления настоящего изобретения описываются в дальнейшем более подробно со ссылкой на сопроводительные чертежи. Однако настоящее изобретение может быть воплощено во многих других формах и не должно истолковываться как ограниченное любой конкретной структурой или функцией, представленной в нижеследующем описании. Напротив, данные варианты осуществления предоставлены с тем, чтобы описание настоящего изобретения было тщательным и полным. На основании настоящего описания специалист в данной области техники поймет, что объем охраны настоящего изобретения охватывает любой вариант осуществления настоящего изобретения, раскрытый в данном документе, вне зависимости от того, реализован ли он независимо или в сочетании с любым другим вариантом осуществления настоящего изобретения. Например, способ или устройство может быть реализовано на практике с использованием любого числа вариантов осуществления, изложенных в данном документе. Кроме того, следует понимать, что любой вариант осуществления настоящего изобретения, раскрытый в данном документе, может быть воплощен с помощью одного или более элементов формулы изобретения.

Слово «примерный» используется в данном документе в значении «служащий в качестве примера или иллюстрации». Любой вариант осуществления, описанный в данном документе как «примерный», необязательно должен истолковываться как предпочтительный или обладающий преимуществом над другими вариантами осуществления.

На Фиг. 1 показана примерная схема устройства изготовления влагочувствительных элементов. Устройство содержит блоки 1 питания и автоматики, камеру 2, имеющую каркас стальной конструкции, покрытый листовым дюралюминием. Камера имеет окна (не показаны), застекленные органическим стеклом для возможности наблюдения за процессом изготовления влагочувствительных элементов. К левой стенке камеры крепится устройство 3 для пропитки слоя желатина, нанесенного на пленку (например, целлулоидную пленку), пропиточным раствором (обсуждается далее). В камере имеется подающая бобина 4 с фрикционом, служащим для равномерного натяжения пленки, электронагреватели 5 для сушки пленки и электронагреватели 6 с рефлектором как источник инфракрасного излучения для дубления желатина. Внутри камеры, в правой ее части находится ведущий узел 7, осуществляющий протяжку ленты с постоянной скоростью 10±0.5 мм/мин, а также резак 8, приводимый в действие электромагнитом 9 и разрезающий пленку на отдельные полоски.

Принцип работы устройства, показанного на Фиг. 1, состоит в следующем. Катушка с неперфорированной и покрытой слоем желатина пленкой, ширина которой 240 мм, устанавливается на подающую бобину 4. Затем лента протягивается через ролик в устройстве 3 для пропитки к ведущему узлу 7, при этом пленка подвергается сушке и инфракрасному облучению и проходит под резак, который режет пленку на полоски шириной 7±0.05 мм и складывает их в бункер.

На Фиг. 2 показана примерная блок-схема, иллюстрирующая способ изготовления влагочувствительных элементов.

На этапе S1 осуществляют непрерывную протяжку гибкой полоски в форме диэлектрической пленки с равномерно нанесенным слоем желатина. В предпочтительном варианте осуществления скорость протяжки составляет (10±0.5) мм/мин.

На этапе S2 осуществляют пропитку слоя желатина. Для пропитки приготовляется смесь двух растворов. Готовится водный раствор хлористого лития в дистиллированной воде. Плотность раствора определяется при температуре 20°C по ареометру и должна соответствовать приведенной в табл. 1.

Таблица 1 Плотность раствора, г/см³ Диапазон измерения относительной влажности, % 1.037-1.039 40-90 1.047-1.053 20-80

В отдельном сосуде готовится раствор двухромового калия такой же плотности, что и раствор хлористого лития.

Оба раствора смешиваются в соотношении 1000 мл раствора хлористого лития и 5.5 мм раствора двухромового калия не менее чем за 4 часа и не более чем за 16 часа до начала пропитки. После тщательного перемешивания вновь проверяется плотность раствора. Температура полученного пропиточного раствора поддерживается равной (15±3)°С. В процессе пропитки глубина погружения пленки в раствор составляет (1.53±0.2) мм.

На этапе S3 осуществляют сушку пропитанного слоя желатина.

После просушки на этапе S4 пленка облучается источником ультрафиолетового излучения, например ртутно-кварцевой лампой, в течение 30 мин на расстоянии ~100 мм или выдерживается в комнатных условиях не менее 2 сут. (темновое дубление) в биологическом эксикаторе с притертой крышкой, заряженном хлористым литием LiCl·H₂O, предварительно высушенном при температуре (85±5)°С с высотой слоя 1.5-2 см (100 г на емкость 1.5-2 л).

На этапе S5 пленка разрезается на отдельные полоски - пленочные элементы.

Отрезанные полоски закрепляются между электрическими контактами датчика влажности, параллельно по две полоски. Затем датчик влажности помещается в эксикатор для просушки и окончательного закрепления. Датчик выдерживается в эксикаторе несколько часов, после чего подключается к вторичному измерительному преобразователю влажности, предназначенному для измерения электрических сопротивлений и вычисления значений относительной влажности и температуры. Проводится проверка сопротивления датчика влажности на соответствие допустимым границам сопротивления. Затем датчик влажности помещается в климатическую камеру. В качестве контрольного средства измерений влажности в климатической камере используется модернизированный психрометр аспирационный типа МВ-4М с закрепленным на нем резервуаром для воды от гигрометра психрометрического типа М-34. В климатической камере задаются значения относительной влажности при различных температурах и проводится калибровка датчика влажности.

Принцип действия упомянутого датчика влажности заключается в изменении проводимости чувствительного слоя хлорида лития в зависимости от относительной влажности и температуры. Пары воды, содержащиеся в воздухе, абсорбируются хлоридом лития, изменяя его электрическую проводимость. При достижении термодинамического равновесия проводимость слоя чувствительного слоя зависит от относительной влажности. Для измерения температуры, а также компенсации зависимости электрической проводимости от температуры рядом с чувствительными элементами влажности устанавливаются терморезисторы. Датчик влажности имеет цилиндрической корпус и крышку с прорезями для доступа анализируемого воздуха. Крышка предназначена для защиты датчика влажности от механических повреждений.

После изготовления датчика влажности необходимо провести испытания. Испытательное оборудование включает в себя климатическую камеру с установленным внутри модернизированным психрометром. Использование психрометра в качестве контрольного средства измерений внутри климатической камеры недопустимо ввиду наличия в нем источника водяного пара, искажающего поля распределения влажности внутри климатической камеры и соответственно приводящего к ошибке измерений. Следует использовать электронный термогигрометр утвержденного типа и внесенного в госреестр средств измерений РФ. Пределы допускаемой абсолютной погрешности контрольного гигрометра должны быть не менее чем в 3 раза меньше расчетной погрешности датчика влажности.

Климатическая камера должна быть аттестована и иметь аттестат испытательного оборудования. Приложением к аттестату должна являться программа и методика периодической аттестации, в процессе которой должны быть определены значения неравномерности и нестабильности поддержания относительной влажности и температуры, диапазон воспроизведения относительной влажности и температуры.

Настоящее изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройству и способу изготовления влагочувствительных элементов и датчику влажности, содержащему такие влагочувствительные элементы. Способ изготовления влагочувствительных элементов состоит в том, что сперва осуществляют непрерывную протяжку гибкой диэлектрической пленки с равномерно нанесенным слоем желатина. Затем погружают упомянутую пленку в пропиточный раствор для пропитки слоя желатина, причем пропиточный раствор представляет собой смесь раствора хлористого лития и раствора двухромовокислого калия. Далее осуществляют сушку упомянутой пленки с пропитанным слоем желатина. Затем осуществляют дубление слоя желатина и разрезают упомянутую пленку на отдельные пленочные элементы. При этом во время изготовления поддерживаются следующие условия: скорость протяжки пленки составляет (10±0.5) мм/мин, температура пропиточного раствора равна (15±3)°С, глубина погружения пленки в пропиточный раствор составляет (1.53±0.2) мм, температура воздуха при пропитке, дублении и резке равна (20±2)°С, относительная влажность воздуха при пропитке, дублении и резке составляет (60±7)%. Также раскрыто устройство для выполнения упомянутого способа и датчик влажности, содержащий влагочувствительные элементы, изготовленные упомянутым способом. Техническим результатом является повышение точности определения влажности воздуха и газов в замкнутых пространствах. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

1. Способ изготовления влагочувствительных элементов, состоящий в том, что
- осуществляют непрерывную протяжку гибкой диэлектрической пленки с равномерно нанесенным слоем желатина;
- погружают упомянутую пленку в пропиточный раствор для пропитки слоя желатина, причем пропиточный раствор представляет собой смесь раствора хлористого лития и раствора двухромовокислого калия;
- осуществляют сушку упомянутой пленки с пропитанным слоем желатина;
- осуществляют дубление слоя желатина; и
- разрезают упомянутую пленку на отдельные пленочные элементы;
при этом способ отличается тем, что
- скорость протяжки пленки составляет (10±0.5) мм/мин;
- температура пропиточного раствора равна (15±3)°С;
- глубина погружения пленки в пропиточный раствор составляет (1.53±0.2) мм;
- температура воздуха при пропитке, дублении и резке равна (20±2)°С;
- относительная влажность воздуха при пропитке, дублении и резке составляет (60±7)%.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сушка упомянутой пленки производится с помощью электронагревателей.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дубление осуществляется посредством облучения упомянутой пленки источником инфракрасного и/или ультрафиолетового излучения.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для дубления упомянутая пленка выдерживается в комнатных условиях в эксикаторе.

5. Устройство изготовления влагочувствительных элементов, содержащее:
- ведущий узел для обеспечения непрерывной протяжки гибкой диэлектрической пленки с равномерно нанесенным слоем желатина;
- узел для погружения упомянутой пленки в пропиточный раствор для пропитки слоя желатина, причем пропиточный раствор представляет собой смесь раствора хлористого лития и раствора двухромовокислого калия;
- узел для сушки упомянутой пленки с пропитанным слоем желатина;
- узел для осуществления дубления слоя желатина; и
- узел для разрезания упомянутой пленки на отдельные пленочные элементы;
при этом устройство отличается тем, что
- ведущий узел выполнен с возможностью обеспечения непрерывной протяжки пленки со скоростью (10±0.5) мм/мин;
- узел для погружения выполнен с возможностью погружения пленки в пропиточный раствор на глубину (1.53±0.2) мм.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что узел для осуществления дубления содержит источник инфракрасного и/или ультрафиолетового изучения.

7. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что узел для сушки содержит по меньшей мере один электронагреватель.

8. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что узел для разрезания выполнен с возможностью разрезания пленки на отдельные пленочные элементы шириной 7±0,05 мм.

9. Датчик влажности, содержащий:
- цилиндрической корпус с крышкой, имеющей прорези для доступа анализируемого воздуха или газа;
- влагочувствительные элементы, изготовленные способом по любому из пп. 1-4 и установленные внутри корпуса между электрическими контактами датчика влажности, параллельно по два элемента.