Первичный преобразователь гигрометра точки росы Советский патент 1992 года по МПК G01N25/66 

Изобретение относится к измерительной технике и в сочетании с вторичным пре-/ образователем может быть предназначено/ для замены автоматических приборов типа ДВ-1 Ки ГП-225 и может быть применено для автоматизации измерений, контроля технологических процессов управления, а такжв: при выполнении научнЬ-исследоватепь- ских, испытательных и поверочных оабот в сельском хозяйстве (контроль атмосферы на фермах, в овощехранилищах), текстильной

и электронной промышленностях, для контроля микроклимата в медицине, запотевания стекол в автомобилях и т.д.

Известен первичный, преобразователь (ПП) гигрометра точки росы, содержащий тонкопленочные металлические термометр сопротивления и нагревательный элемент, нанесенные на одну из поверхностей негиг- роекопической диэлектрической подложки, влагочувствительный элемент в виде тонкопленочных коррозионностойких металличеО

ел VI

ских электродов, нанесенных на другую сторону подложки и разделенных щелевым межэлектродным промежутком, заполненным вл;агрчувствйтельным веществом на основе здектролитической соли - насыщенным раствором хлорида лития.

Недостатками известного.технйческого решения является низкая надежность веледст ие плохого контакта электродов с влагочувствительным веществом (ВЧВ) только по узким и шероховатым кромкам, и малое быстродействие - порядка 1.5 с из-за значительного термического сопротивления между нагревательным элементом и ВЧВ.

Наиболее близким по технической сущности кизобретению является ПП гигрометра Сточки росы, содержащий тонкопленочные металлические термометр сопротивления и нагревательный элемент, нанесенные на одну из поверхностей негигроскопичной диэлектрической подложки, и влагочуествительный элемент в виде тонкоплёночных коррозионнрстбйких металлических электродов, нанесенных на другую сторону подложки и разделенных с помощью П-рбразной диэлектрической вставки межэлектродным промежутком, заполненным влагочуветвительным веществом на основе электролитической соли. . Недостатками известного преобразователя являются малое быстродействие (порядка 10 с) вследствие значительного термическогд сопротивления между нагревательным элементом и ВЧВ -теплоподвод от нагревательного элемента, к .8.4 В осуществляется кондуктивным теплообменом через все сечение подложки, и сложная технология изготовления ПП - необходимость использования подложек с двухсто- 0онней полировкой, двухстороннего напыления металлических пленок с помощью дорогостоящих установок и т.п.

Цель изобретения-увеличение быстродействия преобразователя, за счет улучше- ния -условий подвода тепла к вяагочувствительному веществу.

Указанная цель дбстигается тем, что в первичном .преобразователе гигрометра точки росы, содержащем тонкие металлйче ские термометр сопротивления4, нагревательный элемент, корробионностойкие тонкопленочные электроды, разделенные с помощью П-образной диэлектрической вставки межэлектродным промежутком( за- гтолненным влагочувствительным веществом на основе электролитической соли, термометр и нагреватель выполнены из двух коаксиальных цилиндров из металлической фольги со сквозными микроотверстиями, поверхности цилиндров со стороны находящегося между ними влагочувстви- тельного вещества покрыты высокотеплоп- р о вод н ы м д и э л е к т р и ч е с к и м слоем, на который нанесены соединенные по всей поверхности электроды.

Сопоставительный анализ показывает, что заявляемый ПП отличается как технологией, так и формой выполнения термометра сопротивления и нагревательного элемента - изготовлены из фольги со сквозными микроотверстиями.

В известном преобразователе термометр сопротивления и нагревательный элемент выполнены из тонких пленок никеля, размещенных на поликоровых подложках. Однако, как показал опыт эксплуатации ПП. тонкопленочные нагреватели и термосопротивления, изготовленные на поликоровых подложках, довольно часто перегорают, что объясняется наличием раковин на поверхности подложки, Ориентировочное значение этих раковин после полировки поликора иногда достигает 30 нм. В то же время толщины используемых в ПП металлических пленок составляют порядка 300 нм. Поэтому вследствие микронеровностей удельное сопротивление пленок резко колеблется по площади, что приводит к локальному увеличению плотности тока до величины порядка 0,4 А/см2, т.е. локальному нагреву и разрушению пленок. С целью снижения термического сопротивления между термометром сопротивления, нагревательным элементом и ВЧВ заслуживает внимания не тонкопленочная, технология, а фольговая технология изготовления термометров сопротивления (ТС) и нагревательных элементов (НЭ). Высокие точностные параметры фольговых прецизионных и термочувствительных резисторов достигаются благодаря использованию металлургической фольги, получаемой методом холодной деформации. Применение рулонного фрльгированного материала позволяет автоматизировать процесс изготовления изделий. Известен способ выполнения тонкой металлической фольги со множеством меяких сквозных микроотверстий, позволяющий получить приблизительно одинаковые габариты ТС и НЭ на основе фольги и «а основе тонких пленок.

Однако замена тонкоплёночных ТС и НЭ, выполненных на поликоровой подложке ( Я 25 Вт/м . фольговые со сквозными микроотверстиямй ( Я 75 ) позволяет улучшить условия подвода тепла к влагочувствительному веществу (исключена подложка) за счет снижения термического сопротивления примерно в 3 раза. Выполнение их в виде цилиндров не только уменьшает неравномерность нагрева ВЧВ, но и увеличивает количество подводимого к ВЧВ теплового потока, и, следовательно, не только позволяет увеличить быстродействие преобразователя, но и уменьшить рае- ход энергии, идущей на разогрев нагревательного элемента. Выполнение электродов тонкопленочными на фольге со сквозными микроотверстйями, закрытой вьгеокотеплбпроводной диэлектрической пленкой, позволяет получить их развитую поверхность, за счет чего увеличивается площадь контакта ВЧВ с электродами и. как следствие, увеличить чувствительность измерения влажности, а также позволяет улучшить абсорбционные характеристики межэлектродного промежутка, так как благодаря капиллярному эффекту происходит более интенсивное подсасывание пленки, соответствующей трехфазному состояния, на поверхность электродов, при этом улучшается ее контакт с ними, что приводит к увеличению чувствительности и быстродей- ствию ПП.

В предложенном ПП пленка ВЧВ тонкая, что уменьшает время, необходимое пленке для прихода в равновесное состояние (при толщине ВЧВ не более 0,1 мкм процессы влагоо.бмена носят чисто адсорбционный характер и постоянная времени ПП не превышает «1-3 м), и имеет максимально развитую поверхность при минимальном объеме. Кроме того, в заявленном преобразователе раствор электролитической соли более длительное время удерживается в межэлектродном промежутке (не выливается из пор), так как поры имеют весьма малый радиус, который меньше рэ диуса закругления поверхности раствора электролитической соли, выступающего из лор при 100% относительной влажности.

Сравнение заяленного решения с другими техническими решениями показывает, что при введении в указанной связи с остальными элементами в заявленный первичный преобразователь гигрометра точки росы перечисленные компоненты проявляют новые свойства, что в итоге приводит к увеличению быстродействия преобразователя и упрощению технологии его изготовления.

На чертеже изображен ПП гигрометра точки росы, общий вид. , . - j.

ПП гигрометра точки росы выполнен в виде тела вращения и содержит изготовленные из металлической фольги со сквозными микроотверстиями два коаксиально сопряженных и разделенных по высоте узкой

щелью цилиндра 1 и 2, меньший из которых является ТС1, а больший - НЭ 2. На наружной поверхности цилиндра 1 и на внутренней поверхности цилиндра 2, закрытых высокотеплопроводной диэлектрической пленкой 3, размещены тонкопленочные электроды 4. Электроды 4 (или, вернее, цилиндры 1 и 2) разделены с помощью свернутой, по цилиндрической поверхности П-обрэзной диэлектрической вставки 5, Межэлектродный промежуток б. образованный углублением вставки 5 и наружной и внутренней поверхностями цилиндров 1 и 2 (поверхностями электродов 4), заполнен влагочувствительным веществом 7, Полученное таким образом тело вращении ПП плотно обжато любым известным способом. ПП с тугой посадкой размещен в цилиндрическом отверстии плоского нетеплопроводного диэлектрического держателя 8 с электрическими выводами 9. Причем диаметр цилиндрического отверстия держателя 8 соответствует диаметру наружной поверхности цилиндра 2, а толщина держателя 8 выбрана только из соображения надежной фиксации преобразователя к держателю 8 и самого держателя к вторичному преобразователю, которая может быть осуществлена любым известным способом.

Примером конструктивного исполнения ПП может служить такой преобразователь, в котором цилиндра 1 и 2 выполнены из. тонкой никелевой фольги со множеством микроотверстий, полученных в результате многократной прокатки ленты холоднока- танной из никеля марки Никель -21Г -. материала с малым относительным удлинением, размещенного между двумя слоями медной ленты - материала с большим относительным удлинением. Холодная прокатка с постепенным уменьшением зазора между роликами приводит к значительному удлинению слоистой полосы в направлении прокатки. Ее толщина внутреннего слоя уменьшается до 25 мкм, а разность пластичности внешних и внутренних слоев вызывает образование множества сквозных микропор, имеющих вид-поперечных разрывов..,

Необходимо заметить, что с точки зрения надежности работы ПП при повышенной мощности и повышенной температуре окружающей среды, а также влияния радиации никелевые фольговые элементы, как и тонкопленочные никелевые элементы, имеют ряд преимуществ перед ТС и НЭ на основе полупроводниковых элементов. С целью защиты ТС 1 и-НЭ 2 от воздействия ВЧВ 7 и изоляции их от электродов 4 наружная поверхность цилиндра 1 и внутренняя

поверхность цилиндра 2 закрыты пленкой нитрида бора - материала, обладающего комплексом ценных для практики свойств. Покрытие из нитрида бора обладает высо- кой коррозионной устойчивостью, хорошими механическими свойствами, стойкое в щелочных средах, в окисляющих водных растворах, в хлорированных углеводородах. Коэффициент теплопроводности А« 73 Вт/м.°С, т.е. на два порядка больше, чем у моноокиси кремния при той же толщине (порядка 2 мкм). Кроме того, адгезионная прочность пленок нитрида бора (6...7)-106 Па, плотность пленок составляет 2,23-2,31 г/см3, они кислотоустойчивы, практически беспористы, пробивное напряжение порядка В/см. Такое защитное покрытие с низким тепловым сопротивлением выдерживает экстремальные тепловые и радиационные воздействия с сохранением электрофизических и физико-химических свойств. Никелевая фольга, рокрытая нитридом бора, обеспечивает суммарное сопротивление, в десятки раз меньшее по сравнению с покрытием SiQ, На пленке 3 размещены тонкопленочные электроды 4 из нитрида титана толщиной 1-2,мкм, полученные из титана маркиВТ1-0. При их получении использован метод конденсации вещества в вакууме с ионной .бомбардировкой электропроводного тугоплавкого материала на установке ВУ-16, а также его соединений с газами (азотом).

Поверхностное сопротивление тонкопленочных электродов 4 составляет 1-2 QM/KB, так как выбрано исходя из требуемой постоянной времени и омического сопротивления. Трнкопленочные электроды 4 из нитрида титана подобны электродам из металлов платиновой группы - не растворяются электролитически и значительно превосходят по стойкости серебрянные электроды. Цилиндры 1 и 2 с, тонкопленочными элементами 3 и 4 разделены с помощью свернутой по цилиндрической поверхности П-образной диэлектрической вставки 5, изготовленной из лавсановой пленки толщиной 100 мкм и глубиной 1 мм при высоте цилиндров 1 и 2 4-5 мм и радиусе внутреннего цилиндра 1 ТС около 4 мм - этот размер выбран из соображений получения 100 СЫ сопротивления ТС при 20° С. Собранный таким образом ПП плотно обжат специальной струбциной цилиндрической формы и размещен в цилиндрическом отверстии диэлектрического держателя 8, вы- полненного на основе эбонитовой пластинки толщиной 1-1,5 мм с электрическими выводами 9, расположенными с двух сторон подложки, что делает удобным их

подключение к электродам ТС 1, нагревателя 2, и тонкопленочными электродами 4 ВЧЭ.

Держатель а может быть вып олнен любо й формы - это определяется видом стан- дартного разъема, подключаемого К вторичному преобразователю, и обеспечивает надежную электро- и теплоизоляцию

ПП от компонентов разъема. В качестве материала держателя 8 выбран эбонит, так как этот материал хорошо поддается механической обработке, негигроскопичен, газонепроницаем, стоек к действию растворов

кислот, оснований, солей, растительных и животных жиров (разрушается только сильными окислителями, ароматическими и хло- рированными углеводородами). Его удельное электрическое сопротивление

1014-1015 Ом-см Выпускается эбонит в виде пластин, прутков, трубок и фасонных деталей, а применяют в производстве электроизоляционных деталей приборов, при гумировании различных емкостей для агрессивных жидкостей. После сборки компонентов ПП в межэяектродный промежуток 6 введена гомогенизированная суспензия, содержащая раствор хлорида лития плотностью (1,1-1,2) кг/м3 в количестве 60% от

объема ВЧВ-и 40% (по объему) диэлектрического высокотеплопроводного порошка фракции 20-40 мкм, например порошка нитрида бора.

Преобразователь работает следующим

образом.

В основе действия гигрометра точки росы с предложенным первичным преобразователем лежит принцип автоматического поиска и поддержания температуры трехфазного равновесия (кристаллы электролитической соли - раствор - пары воды) ВЧВ 7 на основе электролитической соли, т.е. температуры, при которой давление пара над насыщенным раствором соли поднима-

ется до значения давления пара в окружающем воздуха. Нагрев ВЧВ 7, размещенного в межэлёктродном промежутке 6. осуществляется за счет теплопередачи от нагревательного элемента 2. После завершения

переходного процесса нагрева устанавливается динамическое равновесие между количеством сорбируемой и испаряемой с поверхности ВЧВ 7 влаги. Этому равновесию соответствует определенное сопротивление соли, регистрирующегося; устройством, подключенным к электродам 4 ВЧВ 7, и равновесная температура (температура точки росы), которая регистрируется с помощью термометра сопротивления и преобразуется в соответствующий выходной сигнал, по которому с помощью характеристики преобразования определяют влажность окружающего воздуха.

На основании полученных экспериментальных результатов и усовершенствования элементов конструкции ПП гигрометра точки росы разработана конструкция, позволившая повысить быстродействие за счет улучшения условий подвода тепла к влаго- чувствительномуэлементу (веществу). На- пример. в диапазоне изменения относительной влажности 15-98% и температуры окружающей среды в диапазоне (-30)- +50)° С быстродействие преобразователя 1-3 с, т.е. в 3 раза выше, при точности изме- рения влажности 0,1° С, чем в известном преобразователе. Применение фольгового материала при изготовлении термометров сопротивления и нагревательных элементов позволило существенно упростить тех- нологию изготовления ПП и перейти к групповому способу их производства. Фольговая технология обеспечивает сочетание высоких точностных параметров про- волочных ТС с технологичностью изготовления микросхем. Высокая стабильность изделий их необходимее ТКС и допускаемое Отклонение сопротивления от номинала достигается использованием ме-, таллургической фольги, получаемой мето- дом холодной деформации (проката), а технологичность изготовления - применением специфических приемов технологии.

Фольговая технология позволила при изготовлении ПП исключить дорогие поликора- вые подложки с двухсторонней полировкой, стоимость которых определяется договорными ценами, и выполнение операций фотолитографии и травления при изготовлении термометров сопротивления и нагревательных элементов, что естественно, исключает применение дорогостоящих установок и привлечение высококвалифицированных специалистов. .

Ф о р м у л а и зо б рете н и я Первичный преобразователь гигрометра точки росы, содержащий тонкие металлические термометр сопротивления, нагревательный элемент, коррозиен нестойкие тонкопленочные электроды, разделенные с помощью П-образн;Ой диэлектрической вставки межэлектродным промежутком, заполненным влагочувстви- тельным веществом на основе электролитической соли, о т л и чаю щи и с;я тем, что, с целью увеличения быстродействия преобразователя, термометр и нагреватель еы- полнены из двух коаксиальных цилиндров из металлической фольги со сквозными микроотверстиями, поверхности цилиндров со стороны находящегося между ними в л аГо- чувствительного. вещества покрыты высоки- теплопроводным4 диэлектрическим слоем, на который нанесены соединенные ho всей поверхности электроды..

Изобретение относится к измерительной технике и в сочетании с вторичным преобразователем может быть применено для автоматизации измерений, контроля технологических процессов и управления, а также 2 при выполнении научно-исследовательских, испытательных и проверочных работ в сельском хозяйстве, текстильной и электронной промышленности, при контроле микроклимата в медицине и т.п. Цель, изобретения - повышение точности измерения влажности за счет улучшения условий подвода тепла к влагочувствительному веществу и увеличение быстродействия преобразователя. Преобразователь содержит тонкие металлические термометр сопротивления и нагревательный элемент и влагочувстаительный элемент в виде кбррр- зионнестойких тонкопленочных электродов, разделённых с; помощью П-об;разн6й диэлектрической вставки межэлектррДным промежутком, заполненным влагочувСтви- тельным веществом на основе электролитической соли. Выполнен преобразователь в виде тела вращения, образованного двумя коаксиально сопряженными цилиндрами, один из которых является термометром сопротивления, а другой - нагревателем. Вла- гочувствительное вещество предложено формировать из суспензии, содержащей высокотеплопроводный порошок, а цилиндры - из фольги с микроотверстиями. 1 ил.