Датчик влажности воздуха Российский патент 2023 года по МПК G01N27/02 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для контроля влажности в бытовых и промышленных помещениях и может быть использовано в сельском хозяйстве, например, при технологическом контроле процесса инкубации сельскохозяйственной птицы.

Известен резистивный датчик влажности воздуха, включающий основание в виде печатной платы с токопроводящими элементами и нагревательный элемент с размещенным на нем емкостным сенсором, причем токопроводящие элементы и сенсор влажности подключены к контрольно-измерительному прибору (патент РФ №2738976, опубликован 21.12.2020, МПК A01K 41/04, G01N 27/00). Недостатком данного устройства является необходимость периодической регенерации и использование для этого нагревательного элемента. Известен датчик влажности воздуха для первичного преобразования влажности во влагомерах воздуха, применяемых в сельскохозяйственном производстве, пищевой промышленности и в метеорологии. Датчик влажности воздуха содержит два токопроводящих электрода, размещенных на диэлектрической подложке, при этом электроды выполнены в виде плоских спиралей или колец, имеющих общую ось, на которых размещена влагочувствительная полимерная пленка кардиолипин (патент РФ №79674, опубликован 10.01.2009, МПК G01N 27/04). К недостаткам данного устройства относится то, что не известна скорость реакции датчика на изменение влажности, что особенно важно при уменьшении влажности. Кроме того, не показан механизм и способ возвращения датчика в исходное состояние для проведения следующего цикла измерений. Не определены диапазоны от минимального до максимального измерения относительной влажности воздуха.

Из уровня техники известна полезная модель «Датчик влажности» по патенту №152497 (Опубликован: 10.06.2015, МПК G01N 27/00), который предназначен для непрерывного контроля локальной влажности воздуха и иных газов. Датчик влажности включает токопроводящие обкладки, выполненные в виде двух металлических сеточек. Между металлических сеточек расположен влагопоглощающий слой, выполненный из тонкой бумаги, пропитанный хлоридом натрия. Металлические сеточки скреплены по периметру и соединены в последовательную электрическую цепь с источником тока и измерительным устройством. Недостатком является то, что данный датчик влажности способен контролировать малые значения изменений влажности только в небольшом объеме газа. Кроме того, время срабатывания датчика составляет 10 минут, т.к. ток резистивного датчика выходит на насыщение, то есть производит измерение влажности, в течение десяти минут.

Известен резистивный датчик влажности воздуха включающий влагопоглощающий слой в виде бруска из композита цитрогипса (CaSO₄·2H₂O)_0.95 - (CuSO₄·5H₂O)_0.05, токопроводящие обкладки, соединенные в последовательную электрическую цепь с источником тока и измерительным устройством, диэлектрический слой, выполняющий функцию подложки (Патент на изобретение РФ №2788822, опубликован 24.01.2023). Недостатком данного устройства является то, что он работает только в режиме постоянного мониторинга влажности, не предусмотрена возможность автоматической калибровки устройства, что снижает надежность работы датчика и достоверность результатов измерения влажности, т.к. температура, влажность и загрязненность воздуха в разной степени оказывают влияние на импеданс цитрогипса.

Задачей изобретения является устранение недостатка прототипа путем внесения изменений в конструкцию датчика, обеспечивающих повышение надежности работы датчика и достоверность результатов измерений.

Технический результат заключается в решении поставленной задачи за счет внесения в конструкцию датчика, где в качестве влагопоглощающего слоя использован композит цитрогипса (CaSO₄·2H₂O)_0.975-(CuSO₄·5H₂O)_0.025, элементов, обеспечивающих автоматическую калибровку одновременно с проведением измерений, что повышает точность измерений, и возможность поддержания температуры калибровки и рабочей температуры при сохранении времени срабатывания датчика 60 секунд, а кроме того, обеспечивается возможность проведения измерений как в непрерывном так и в дискретном режиме.

Поставленная задача достигается конструкцией заявленного резистивного датчика влажности, включающего влагопоглощающий слой в виде бруска из композита цитрогипса (CaSO₄·2H₂O)_0.975-(CuSO₄·5H₂O)_0.025, токопроводящие обкладки толщиной не более 0.5 мм, соединенные в последовательную электрическую цепь с источником тока и измерительным устройством, и диэлектрический слой, размещенный на нижней токопроводящей обкладке, который содержит следующие новые и неизвестные из уровня техники признаки:

- наличие второго диэлектрического слоя, размещенного на верхней токопроводящей обкладке;

- наличие двух термопар, размещенных на верхней и нижней диэлектрической подложке соответственно, которые выполняют функцию контроля температуры при калибровке датчика, и связаны с измерительным устройством;

- наличие элемента Пельтье, размещенного под нижним диэлектрическим слоем, осуществляющего достижение и поддержание температуры калибровки и рабочей температуры датчика;

- измерительное устройство и источник тока размещены в электронном блоке управления, содержащим также блок связи с внешним устройством и/или дисплей, блок управления элементом Пельтье в виде программируемой микросхемы снабженной оперативной памятью, который включает модуль памяти для хранения температуры калибровки и величины импеданса при температуре калибровки, а также модуль сопоставления величины измеренного импеданса с импедансом датчика для соответствующей влажности и калибровочной температуры, что позволяет осуществлять работу датчика как в режиме непрерывного мониторинга изменений влажности воздуха, так и дискретно в режиме периодических измерений.

Отход производства лимонной кислоты цитрогипс CaSO₄⋅2H₂O является сырьем для производства композита цитрогипса (CaSO₄·2H₂O)_0.975-(CuSO₄·5H₂O)_0.025 который обладает возможностью быстро реагировать на изменение влажности воздуха, как при уменьшении, так и при увеличении влажности, что обеспечивает возможность непрерывного контроля влажности в помещении. Однако, поскольку и температура и влажность и загрязненность воздуха в разной степени оказывают влияние на импеданс цитрогипса, то надежность работы датчика и достоверность результатов измерения обеспечивается путем поддержания рабочей и/или калибровочной температуры датчика за счет введения в конструкцию элемента Пельтье, двух термопар и электронного блока, что дополнительно наряду с сохранением быстродействия датчика 60 сек, позволяет осуществлять работу датчика как в режиме непрерывного мониторинга изменений влажности воздуха, так и в режиме периодических измерений. Причем процедура калибровки состоит в сопоставлении величины измеряемого импеданса со значением импеданса датчика для соответствующей влажности и калибровочной температуры, хранящейся в модуле памяти для хранения температуры калибровки, и может производиться одновременно с измерением влажности. Температура, выбранная как калибровочная, используется как рабочая температура, задаваемая элементом Пельтье как при дискретных измерениях, так и при непрерывном мониторинге влажности воздуха.

Заявленное изобретение характеризуют следующие графические изображения. Фиг.1. Схема устройства датчика влажности, где 1 - брусок композита цитрогипса (CaSO₄·2H₂O)_0.975-(CuSO₄·5H₂O)_0.025, 2 и 3 - токопроводящие обкладки, 4 и 5 контактные провода токопроводящих обкладок, 6 верхняя термопара, снабженная проводами 7 и 8, 9 - нижняя термопара снабженная проводами 10 и 11, 12 - верхний диэлектрический слой отделяющий верхнюю токопроводящую обкладку 3 от термопары 6, 13 - нижний диэлектрический слой, отделяющий токопроводящую обкладку 2 от термопары 9, 14 - элемент Пельтье с проводами 15 и 16.

Фигура 2. Калибровочная зависимость полного импеданса Z от относительной влажности RH для датчика влажности воздуха на основе композита (CaSO₄·2H₂O)_0.975-(CuSO₄·5H₂O)_0.025

Устройство содержит влагопоглощающий слой из композита цитрогипса (CaSO₄·2H₂O)_0.975-(CuSO₄·5H₂O)_0.025, выполненный в виде бруска 1, снабженный двумя токопроводящими обкладками 2 и 3, которые представляют собой тонкие пластины толщиной не более 0.5 мм, и соединены посредством двух контактных проводов 4 и 5 соответственно в последовательную электрическую цепь с источником тока и измерительным устройством (на фигуре не показаны). Брусок 1 с обкладками 2 и 3 размещен между диэлектрическими слоями 12 и 13, на которых установлены термопары 6 и 9 соответственно, а вся конструкция расположена на элементе Пельтье 14. При этом термопара 6 через провода 7 и 8, а термопара 9 через провода 10 и 11 соединены с измерительным устройством электронного блока управления (на фигуре не показан). Элемент Пельтье 14 посредством проводов 15 и 16 соединен с блоком управления элементом Пельтье, размещенным в электронном блоке управления, и выполнен в виде программируемой микросхемы снабженной оперативной памятью, которая включает модуль памяти для хранения температуры калибровки и величины импеданса при температуре калибровки, и модуль сопоставления величины измеренного импеданса с импедансом датчика для значения влажности при калибровочной температуре. Процедура калибровки состоит в сопоставлении величины измеренного импеданса с импедансом датчика для соответствующей влажности и калибровочной температуры, хранящейся в модуле памяти. Температура, выбранная как калибровочная, используется как рабочая температура, задаваемая элементом Пельтье как при дискретных измерениях, так и при непрерывном мониторинге влажности воздуха. Для удобства работы целесообразно, чтобы рабочая температура соответствовала калибровочной, для того, чтобы процесс измерения влажности и процесс калибровки происходил одновременно. Контроль и регулировка температуры калибровки осуществляется электронным блоком посредством верхней термопары 6, нижней термопары 9 и элемента Пельтье 14. Измерение влажности воздуха окружающей среды и калибровка производится только после фиксации равенства температур нижней термопары 9 и верхней термопары 6, которая выбрана в качестве калибровочной. Блок управления элементом Пельтье на основании информации об изменении температуры термопар, включает элемент Пельтье 14 в случае, если температура снизилась, и выключает в случае достижения калибровочной температуры на нижней термопаре 9 и верхней термопаре 6.

Пример работы устройства.

Устройство работает следующим образом. Перед измерением блок управления элементом Пельтье, на основании показаний термопар 6 и 9 включает элемент Пельтье 14, для достижения заданной рабочей и калибровочной температуры бруска 1 композита цитрогипса (CaSO₄·2H₂O)_0.975-(CuSO₄·5H₂O)_0.025. После достижения равенства температур верхней и нижней термопар, включается процедура измерения влажности, для чего переменный сигнал напряжением равным 1 В и частотой 1кГц подают на металлические электроды 2 и 3 через контактные провода 4 и 5. Под действием электрического напряжения, поданного на электроды 2 и 3, в цепи «электрод 2 - брусок цитрогипса 1 - электрод 3» протекает переменный электрический ток. С ростом влажности окружающего воздуха повышается влажность композита цитрогипса (CaSO₄·2H₂O)_0.975-(CuSO₄·5H₂O)_0.025 и сопротивление в цепи уменьшается, после снижения влажности окружающего воздуха снижается и влажность композита цитрогипса, что приводит к повышению сопротивления в цепи, которое измеряется измерительным устройством. Полный импеданс композита цитрогипса (CaSO₄·2H₂O)_0.975-(CuSO₄·5H₂O)_0.025, возникающий в этой цепи и зависящий от влажности контролируемого воздуха, является выходным сигналом с датчика, позволяющим судить о влажности контролируемого воздуха.

Возможны два режима работы датчика: дискретный и непрерывный мониторинг влажности воздуха.

Пример 1. Дискретный режим работы датчика.

Перед измерением на основании показаний термопар 6 и 9 электронный блок

управления элементом Пельтье, включает указанный элемент 14 для достижения бруском 1 композита цитрогипса заданной рабочей и калибровочной температуры, равной 28°С.После достижения равенства температур верхней 6 и нижней 9 термопар, производят процедуру измерения влажности, для чего переменный сигнал напряжением равным 1 В и частотой 1кГц подают на металлические электроды 2 и 3 через контактные провода 4 и 5. Под действием электрического напряжения, поданного на электроды 2 и 3, в цепи «электрод 2 - брусок цитрогипса 1 - электрод 3» протекает переменный электрический ток. Через 60 сек. выходной сигнал в виде полного импеданса резистивного датчика, показывает влажность воздуха. Элемент Пельтье 14 отключают и включают перед следующим измерением влажности. При этом после достижения заданной рабочей и калибровочной температуры, равной 28°С, одновременно с измерением влажности автоматически производится калибровка датчика.

Пример 2. Непрерывный мониторинг влажности воздуха.

Электронный блок управления элементом 14 Пельтье на основании показаний термопар 6 и 9 непрерывно поддерживает и контролирует температуру бруска 1 композита цитрогипса (CaSO₄·2H₂O)_0.975-(CuSO₄·5H₂O)_0.025, на уровне заданной рабочей и калибровочной температуры, равной 28°С.При соблюдении равенства температур верхней термопары 6 и нижней термопары 9, производят процедуру измерения влажности, для чего переменный сигнал напряжением равным 1 В и частотой 1кГц подают на металлические электроды 2 и 3 через контактные провода 4 и 5. Под действием электрического напряжения, поданного на электроды 2 и 3, в цепи «электрод 2 - брусок цитрогипса 1 - электрод 3» протекает переменный электрический ток. Через 60 сек. выходной сигнал в виде полного импеданса резистивного датчика, показывает влажность воздуха после соблюдения процедуры калибровки, описанной выше в примере 1. Элемент Пельтье продолжает поддерживать рабочую и калибровочную температуру 28°С датчика постоянно, что обеспечивает возможность непрерывного контроля влажности в помещении наряду с постоянной автоматической калибровкой датчика.

Независимо от условий использования датчика, т.е. в дискретном режиме или в режиме непрерывного мониторинга влажности воздуха автоматическую калибровку датчика производят путем сопоставления величины измеренного импеданса значению импеданса, полученному при температуре калибровки в модуле сопоставления величины измеренного импеданса с импедансом датчика соответствующим заранее снятой калибровочной кривой зависимости величин полного импеданса датчика от относительной влажности воздуха во всем рабочем диапазоне при калибровочной температуре 28°С (Фигура 2). В случае непопадания величины импеданса на калибровочную кривую измерение повторяют и в случае повторного несоответствия фиксируют ошибку работы устройства. При попадании измеренного полного импеданса на калибровочную зависимость соответствующая ему величина относительной влажности воздуха фиксируется как истинная и сохраняется в модуле памяти и отображается на дисплее или передается на компьютер. Поскольку данные измерений импеданса соответствуют одному из значений калибровочной зависимости, то это подтверждает точность полученного значения влажности. Данные о влажности и калибровке отражаются на дисплее электронного блока управления. А также могут быть переданы проводным или беспроводным способом посредством блока связи на внешнее устройство. Это позволяет своевременно выявить необходимость регенерации влагопоглощающего слоя из композита цитрогипса (CaSO4·2H2O)0.975-(CuSO4·5H2O)0.025, выполненного в виде бруска 1, в случае сильно загрязненного воздуха окружающей среды.

Установлено, что как в первом, так и во втором случае, заявленный датчик влажности производит точные измерения влажности уже через 60 секунд после установления калибровочной/рабочей температуры. Заявленное устройство обладает высокой чувствительностью к изменению влажности в диапазоне 35-90%, в интервале температур воздуха от 0°С до плюс 70°С благодаря высокой влагочувствительности композита цитрогипса (CaSO4·2H2O)0.975-(CuSO4·5H2O)0.025 в атмосфере воздуха. [T.B. Nikulicheva, V.S. Zakhvalinskii, E.A. Pilyuk, I.S. Nikulin, V.V. Vyazmin, M.V. Mishunin, New humidity sensor material (CaSO₄·2H₂O)_0.975-(CuSO₄·5H₂O)_0.025, Materialia, V. 27, (2023), 101662, https://doi.org/10.1016/j.mtla.2022.101662, Q1.].

Низкие массогабаритные характеристики, дешевизна производства датчика обеспечивается использованием отходов производства лимонной кислоты - цитрогипса CaSO₄⋅2H₂O при производстве влагопоглощающего компонента датчика - композита цитрогипса (CaSO₄·2H₂O)_0.975-(CuSO₄·5H₂O)_0.025.

Таким образом, поставленная задача решена: внесенные в конструкцию известного датчика, где в качестве влагопоглощающего слоя использован композит цитрогипса (CaSO4·2H2O)0.975-(CuSO4·5H2O)0.025, изменения обеспечивают повышение надежности работы датчика и достоверность результатов измерений за счет обеспечения автоматической калибровки датчика одновременно с проведением измерений. А кроме того, обеспечивается возможность проведения измерений как в непрерывном так и в дискретном режиме.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для контроля влажности в бытовых и промышленных помещениях. Датчик влажности содержит влагопоглощающий слой в виде бруска из композита цитрогипса (CaSO₄⋅2H₂O)0.975-(CuSO₄⋅5H₂O)0.025, токопроводящие обкладки толщиной не более 0.5 мм, соединенные в последовательную электрическую цепь с источником тока и измерительным устройством, а также диэлектрический слой, размещенный на нижней и верхней токопроводящих обкладках, две связанные с измерительным устройством термопары, размещенные на верхнем и нижнем диэлектрических слоях соответственно, элемент Пельтье, размещенный под нижним диэлектрическим слоем. При этом измерительное устройство и источник тока размещены в электронном блоке управления, содержащем также блок связи с внешним устройством и/или дисплей, блок управления элементом Пельтье в виде программируемой микросхемы, снабженной оперативной памятью, который включает модуль памяти для хранения температуры калибровки и величины импеданса при температуре калибровки, а также модуль сопоставления величины измеренного импеданса с импедансом датчика для соответствующей влажности и калибровочной температуры. Изобретение обеспечивает повышение надежности работы датчика и достоверность результатов измерений за счет обеспечения автоматической калибровки датчика одновременно с проведением измерений, кроме того, обеспечивается возможность проведения измерений как в непрерывном, так и в дискретном режиме. 2 ил., 2 пр.

Датчик влажности, включающий влагопоглощающий слой в виде бруска из композита цитрогипса (CaSO₄⋅2H₂O)0.975-(CuSO₄⋅5H₂O)0.025, токопроводящие обкладки толщиной не более 0.5 мм, соединенные в последовательную электрическую цепь с источником тока и измерительным устройством, и диэлектрический слой, размещенный на нижней токопроводящей обкладке, отличающийся тем, что содержит второй диэлектрический слой, размещенный на верхней токопроводящей обкладке; две связанные с измерительным устройством термопары, размещенные на верхнем и нижнем диэлектрических слоях соответственно, элемент Пельтье, размещенный под нижним диэлектрическим слоем, при этом измерительное устройство и источник тока размещены в электронном блоке управления, содержащем также блок связи с внешним устройством и/или дисплей, блок управления элементом Пельтье в виде программируемой микросхемы, снабженной оперативной памятью, который включает модуль памяти для хранения температуры калибровки и величины импеданса при температуре калибровки, а также модуль сопоставления величины измеренного импеданса с импедансом датчика для соответствующей влажности и калибровочной температуры.