Пластинчатый влагочувствительный элемент Советский патент 1992 года по МПК G01N25/68 G01N21/45 

Изобретение относится к технике измерения влажности газов и может быть использовано при разработке и конструировании индикаторов конденсации влаги, гигрометров точки росы.

Известен влагочувствительный anie- мент. представляющий собой пьезокварце- вую кристаллическую пластину с нанесенной на одну из ее плоскостей влагочувствительной пленкой, например, из кат рона с термодинамически устойчивой кристаллической структурой. На поверхности кварцевой пластины выполнены серебряные электроды. Пьезокварцевая пластина .возбуждается переменным электрическим, полем на ее резонансной частоте. При сорбции влаги из газа изменяется масса пластины, что приводит к изменению ее резонансной частбты, которое регистрируется электродной схемой гигрометра.

Однако точность показаний такого гигрометра невысока, так как зависит от степени загрязнения поверхности пластинчатого влагочувствительного элемента пылью, химическими примесями, конденсируемыми на поверхности.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является пластинчатый влагочувствительный элемент, состоящий из кварцевой кристаллической пластинки, на обе плоскости которой нанесена влагочувствительная пленка из цеолита. Пластинка расположена между двумя , дополнительными кварцевыми кристаллическими пластинками параллельно им так, что центры всех трех пластинок лежат на одной прямой. Пластинки оптически сопряжены. Конденсация влаги регистрируется по изменению резонансной частоты кварцевой кристаллической пластинки с влагочув

О

ел со

ствительным покрытием при сорбции на ней конденсата. В силу того, что кристаллографическая ориентация оптически сопряженных кристаллических пластинок одинакова, данный пластинчатый в/гагочув- ствительнуй элемент может использоваться в гигрометрах точки росы с оптическим принципом действия.

Однако показания электрических и оптических гигрометров с влагрчувствитель- кым элементом такого типа зависят от загрязнения, поверхности кварцевой кристаллической пластинки с влагочувстви-. тельной пленки пылью и другими микропримесями, что снижает точность регистрации конденсируемый влаги. Кроме того, известный пластинчатый влагочувст- вительный элемент сложен в изготовлении, боится резких температурных перепадов, дорогостоящий.

Цель изобретения - повышение точности индикации конденсируемой влаги и упрощение изготовления элемента.

На фиг. 1 и 2 представлены две проекции влагочувствительнрго элемента для случая трех пластинок.

Пластинчатый влагочувст.вительный элемент содержит оптически сопряженные прозрачные пластинки 1-3, например из плавленного кварца или из. полиметилме- такрилата, на плоскости которых нанесены влагочувствительные пленки 4-9, выполненные из одноосно ориентированного агрегированного псевдоизоцианинхлорида. Ось каждой последующей (I + 1)-й пленки повернута относительно оси предыдущей 1- й пленки на одинаковый по знаку угол а. Углы а являются максимальными углами поворота плоскости поляризации 1-й влаго- чувствительной пленкой в длине волны из диапазона 550-575 нм, которые предварительно измеряют, пропуская через пленку линейно поляризованный свет. Пластинки 1 -3 закреплены в держателе 10.

Элемент работает следующим образом.

При конденсации капелек влаги на вла- гочувствительных пленках 4-9 пластинок 1- 3 структура одноосно ориентированных пленок 4-9 становится кристаллической, что приводит к появлению у нее дихроичных свойств и, как следствие, повороту плоскости поляризации линейно поляризованного света, проходящего перпендикулярно пленкам. Величина измеряемого угла поворота плоскости поляризации прямо пропорциональна количеству конденсируемой влаги. Поворот плоскости поляризации при прохождении линейного по поляризации света с длиной волны из диапазона 550-570 нм

через пластинчатый алагочувствительный элемент реализуется .для каждой влагочув- ствительной пйенки 4-9, суммируясь на выходе, благодаря повороту оси каждой

последующей пленки относительно; предыдущей на одинаковый по знаку угол а.

Выбор в качестве влагочувствительной пленки одноосно ориентированной плёнки агрегированного псевдоизоцианина обусловлей ее высокой влагочувствитеяьностью и нечувствитеяьностью ее поляризационных оптических свойств к загрязнению пылью и другими микропримесями. Поворот осей влагочувствительных пленок на углы а

и однознаковость этих углов необходимы для усиления суммарного поворота плоскости поляризации пластинчатым.влагочувст- вительным элементом. Выбор диапазона длин волн 550-575 нм обусловлен тем, что

именно в этом спектральном диапазоне достигается максимальный поворот плоскости поляризации одноосно ориентированным агрегированным псевдоизоцианинхлори- дом.

П р и м е р. Из прозрачного плавленого кварца вырезали круглые пластинки. Порошок псевдоизоцианинхлорида растворяли в воде, дистиллированной до концентрации 5« хЮ М, раствор выстаивали при комнатной температуре в течение 1 ч до образования тиксотропного геля. Кусочек геля объемом примерно 1 мм3 помещали на пло- скость каждой пластины и растирали в одном направлении по площади примерно 5

см2( В процессе растирания молекулы воды испарялись из тонкой пленки пеевдоизоци-. анинхлорида, толщина которой порядка 0,001 мм. Растирание проводили двумя пластинками в одном направлении, и на плоскостях этих пластинок получались одноосно ориентированные пленки агрегированного псевдоизоцианинхлорида, для каждой из которых измеряли угол негирот- ропного поворота плоскости поляризации в

длине волны 550, 562 и 575 нм. Углы неги- ротропного поворота плоскости поляризации соответственно равны 2, 3.2 и 1,8°.

Выбрав длину волны линейно поляризованного света для регистрации суммарного

угла поворота плоскости поляризации пластинчатым влагочувствительным элементов, составленным из пяти пластинок, равной 562 нм, эти пластинки устанавливали в держатель, выполненный в виде прямоугольного бруска из полиметилметакрилатй с прорезями, таким образом, чтобы пло ско- сти пластинок были параллельны одна другой и оптически сопряжены. Расстояние, между пластинками было одинаковым и составлялр 4 мм при толщине самих пластинок 0,5 мм. Пластинки ориентировались вокруг оптической оси всей системы так, чтобы оси агрегированных пленок псевдо- изЬцианинхлорида составляли угол одного знака порядка 3,2° с предыдущей пленкой, образуя прерывистую правую спираль. Ориентированные таким образом пластинки фиксировали в прорезях держателя при помощи кяея. Полученный пластинчатый вла- гочуЁствительныйэлемент был испытан следующим образом. ,

Влагочувствительный элемент жестко фиксировали в камере с противоположными отверстиями для прохождения через них и через пластинки элемента линейно поляризованного света. Пластинки с влагочувст ви- тельными пленками охлаждали потоком холодного осушенного аргона, который пропускали через входную и выходную газовые магистрали. Контроль температуры пластинок вели при помощи термосопротивлений, жестко фиксированных полированными плоскостями на плоскостях пластинок элемента. Далее попускали через камеру анализируемый воздух с температурой 30° при давлении 98 кПа.

Регистрацию момента конденсации влаги на поверхностях пластинок вели па углу поворота плоскости поляризации проходящего через систему света. Для этого свет ксеноновой лампы ДСКШ монохрома- тизировали с помощью интерференционного фильтра на длину волны 562 нм, линейно поляризованы при помощи поляризационной призмы Рошона, пропускали через модулятор и компенсатор, расположенные перед оптическим отверстием камерыс вла- гочувствительным элементом, далее через анализатор на фотоэлектронный умножитель. Отсчет угла поворота плоскости поляризации осуществляли на чувствительном самописце, связанном положительной обратной электронной связью с усилителем фототока и компенсатором. Охлаждение пластинок влагочувствительного элемента проводили этапно до 16, 15, 14, 12, 10, 9 и 8° С. Более точные значения температуры пластинок элемента измеряли в момент конденсации на них влаги из анализируемого воздуха. При этом фиксировали как усредненную температуру всех пластинок, так и температуру каждой пластинки в отдельности.

При температурах пластин 16,15,14,12, 10° С регистрируемый угол негиротропного поворота плоскости поляризации в пределах точности его измерения 210 угловых градусов был равен нулю, что свидетельствовало о неизменности состояния влагочувствмтельной пленки из одноосно ориентированного агрегированного псевдоизоциа- нмнхлорида на каждой пластинке элемента, т.е. водного конденсата на этих пластинках

не образовывалось. Процесс конденсации начинался при 9,25° С, очем свидетельствовало появление на самописце сигнала, пропорционального нетиротропному углу поворота плоскости поляризации, значение ;

0 которого в начальный момент конденсации равнялось+0,008 угловых градусов.

По мере развития процесса конденсации угол негиротропного поворота плоскости поляризации увеличивался до значения

5 0,5 угловых градусов, легко измеряемых электронной системой. Зная удельную вращательную способность закристаллизованного при помощи водного конденсата одноосно ориентированного при помощи

0 водного конденсата Одноосно ориентированного агрегированного псевдоизоцета- нинхлорида, которая равна г/угловых градусов, можно точно оценить количество конденсированной влаги на освещаемых

5 линейно поляризованным светом участках влагочувствительных пленок пластинок элемента. Это количество равно 6 г. В то же время лучшие образцы пластинчатых влагочувствительных элементов, используемых .

0 в гигрометрах точки росы, позволяют регистрировать количество-конденсируемой воды до г.: :

Влагочувствительный элемент, изготовленный согласно изобретению, был испы5 тан в условиях запыления комнатной пылью, собранной в пылесосе, до состояния, видимого невооруженным глазом. Далее проводили измерения. Анализируемый воздух также был предварительно запылен.

.0 Показания температуры начала конденсации и угла негиротропного поворота плоскости поляризаций в начальный момент . конденсации были соответственно 9.26° Си 0Ч0079 угловых градусов, т.е. практически

5 одинаковыми с показаниями, когда пластинки не были запылены и анализировали

чистый воздух.В то же время лучшее образ-); цы известных пластинчатых влагочувствительных элементов даже при значительно 0 меньшем запылении изменяют показания при измерении этих параметров на два-три порядка.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я 1. Пластинчатый Влагочувствительный 5 элемент, состоящий из оптически сопряженных параллельных друг другу пластинок, содержащих влагочувствительные пленки, нанесенные на плоскости пластинок, отличающийся тем, что, с иелью повышения точности индикации конденсиp ye мой влаги и упрощения изготовления элемента, пластинки выполнены из изотропного материала, а влагочувствмтельная пленка выполнена из одноосного ориентированного агрегированного псевдоизоциа нинхлорида.

2. Элемент по п. 1, о т л и чающийся тем, что ось 0 + 1)-й влагочувствительной пленки из одноосно ориентированного агре ги ро ва н н о г о псе в доизоцйан и н хл ори Да составляет одинаковый по,знаку угол: (и с осью предыдущей 1-й влагочувствитеяьнрй пленки, где ак - максимальный угол неги- ротропного поворота плоскости поляризации 1-й плен кой н а д л и:не волны из диапазона спектрального поглощения агрегатов псевдоизоцианинхлорида.

Изобретение относится к технике измерения влажности газов и может быть использовано при разработке и конструировании индикаторов конденсации влаги, гигрометров точки росы. Целью изо2 бретения является повышение Точности индикации конденсируемой влаги и упрощение изготовления элемента. Указанная цель достигается тем, что влагочувствительные пленки, нанесенные на плоскости оптически сопряженных пластинок из изотропного материала, выполнены из одноосно ориентированного агрегированного псевдоизоци- анинхлорида, и, кроме того, ось (I + 1)-й влагочувствительной пленки составляет одинаковый по знаку угол са с осью предыдущей 1-й влагочувствительной пленки, где €d - максимальный угол негиротропного поворота плоскости поляризации i-й пленкой на длине волны из диапазона спектрального поглощения агрегатов псевдоизоцианинх- лррида. 1 з.п. ф-яы, 2 ил.

«7Риг.1

d-5

Pf,

ЧЫР

Риг.2