Гигрометр Советский патент 1992 года по МПК G01N5/02 

Изобретение относится к устройствам для исследования и анализа материалов, в частности для определения влагосодержания, а именно к гигрометрам, и может быть использовано в нефтяной, газовой, химической и других отраслях промышленности, например, для- анализа содержания влаги в углеводородных газах.

Известны кварцевые гигрометры, влаго- чузствительные элементы которых представляют собой пьезокварцевые резонаторы с нанесенными на их.поверхность сорбирующими влагу пленками, изготовленными наос- нове керамических или полимерных материалов (полиамид, силикагель и др.).

Однако подобные устройства не удовлетворяют требованиям обеспечения высокой точности измерений. Одним из основных факторов, ухудшающих характеристики кварцевых гигрометров, наряду с температурным дрейфом, изменениями изотермы сорбции, связанными со старением и деструкцией полимерных пленок, является значительный гистерезис характеристик влажности, обусловленный процессами адсорбции и десорбции во влагочувствитель- ных пленках, что оказывает влияние на точность измерений.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является кварцевый гигрометр, включающий резонатор из кристалла кварца АТ-среза, покрытый влагочув- ствительной пленкой ангидрида кислоты. Известный гигрометр содержит также наЈ

О О

гревательные элементы, которые служат для установления равновесия между адсорбцией и десорбцией влаги полимерной пленки. Чувствительный элемент (резонатор из кристалла кварца), покрытый влагочувствитель- ной пленкой, помещен в перфорированный кожух из нержавеющей стали, туда же помещены нагревательные элементы (силовые транзисторы) и датчики температуры (тер- морезисторы).

При нагреве нагревательных элементов температура вблизи пьезосорбционного чувствительного элемента поддерживается выше температуры окружающей среды, процесс десорбции ускоряется и устанавливается его равновесие с адсорбцией на поверхности пленки. При наличии постоянно поддерживаемого равновесия устраняется явление гистерезиса.

Однако такой гигрометр обладает целым рядом недостатков: устройство само по себе получается громоздким за счет наличия кожуха, нагревательных элементов (транзисторов) и датчиков температуры; необходима довольно сложная система стаби- лизации температуры. Кроме того, измерения с высокой точностью и достоверностью достигаются только при проведении измерений в потоке газа, поскольку в неподвижном газе в замкнутом объеме перфорированного кожуха устанавливаются свои влажностные характеристки, отличные от характеристик анализируемой среды, окружающей кожух с датчиком.

Все эти факторы снижают точность и достоверность измерений.

Цель изобретения - повышение точности и достоверности измерений.

Резонатор гигрометра содержит дополнительно три контакта, снабженных выводами, при этом два контакта расположены на противоположных торцовых сторонах резонатора симметрично относительно друг друга, а третий контакт расположен на одной из сторон резонатора и выполнен охватывающим по периметру с одинаковым зазором относительно одного из симметрично расположенных контактов, причем на оба этих контакта, включая зазор между ними, нанесена влагочувствительная пленка, выполненная в виде кольца, оставляющего часть поверхности контактов непокрытой пленкой.

Наличие двух симметрично расположенных контактов, снабженных электрическими выводами, позволяет включить резонатор в электрическую схему автогенератора колебаний и возбудить колебания резонатора.

Третий контакт расположен на одной из сторон резонатора и охватывает по периметру с одинаковым зазором содержащийся на ней контакт. Оба эти контакта,

снабженные электрическими выводами, обеспечивают электролиз поглощенной пленкой влаги,

Контакты эти находятся под влагочувст- вительной пленкой, при этом пленкой по0 крывается не вся поверхность контактов для обеспечения наилучших условий процесса электролиза. Если бы пленкой была покрыта вся поверхность контактов, то электролиз бы проходил в объеме пленки, тогда как

5 основная масса влаги собирается на поверхности. При этом значительно замедлился бы процесс электролиза, и как следствие, равновесие было бы нарушено,

В качестве влагочувствительной пленки

0 используют пленку из ангидрида кислоты, в частности пятиокиси фосфора, поскольку она интенсивно поглощает влагу и, кроме того, позволяет эффективно осуществлять электролиз поглощенной воды, тогда как

5 для других пленок скорость электролиза значительно меньше.

На сЬиг. 1 и 2 представлены соответственно общий вид гигрометра со стороны боковой поверхности и с торца.

0 Гигрометр, содержащий резонатор 1-из кристалла кварца, выполнен в форме диска. На противоположные поверхности резонатора нанесены платиновые или родиевые контакты 2 и 3. Контакт 3 по размерам, фор5 ме и расположению в точности соответствует контакту 2.

К контактам 2 и 3 припаяны электрические выводы 4 и 5 соответственно. Контакт 6 выполнен в форме кольца, охватывающего

0 контакт 2, и разделен с ним непрерывным зазором. Контакт 6 выполнен из того же материала, что контакты 2 и 3, и может быть нанесен как с одной стороны резонатора, так и с обеих. На фиг. 1 показан случай

5 одностороннего нанесения контакта 6. К контакту 6 припаян электрический вывод 7. Поверх контактов 2 и б нанесена влагочувствительная пленка 8, при этом пленкой покрыта часть поверхности контактов 2 и бтак,

0 что, подавая разность потенциалов между выводами 4 и 7, можно осуществлять электролиз влаги в пленке фосфорного ангидрида. Таким образом, выводы 4 и 5 служат для возбуждения пьезоэлектрического разло5 жения влаги, сорбированной пленкой 8.

Величина зазора по всему периметру

контакта 6, а также между его разрезными

краями и частью контакта 2 с выводом 4

может составлять от десятых долей милли метра до нескольких миллиметров и определяется в каждом конкретном случае а зависимости диапазона измеряемой влажности, толщины влагонепроницаемой пленки (т.е. важно - промокает пленка насквозь или нет), размеров резонатора и пленки, а также параметров процесса электролиза и материала самой пленки.

Размеры контакта 2 определяются требованиями к созданию кварцевых резонаторов; в выбранном нами типе серийно выпускаемых резонаторов контакт 2 имеет диаметр 5-6 мм, а сам диск кварцевого резонатора - диаметр 10-12 мм; при этом резонансная частота колебаний составляет 5-10 МГц, что принято считать оптимальными величинами для разработки электронной части гигрометра. Размеры внешнего контакта 6 при этом составляют 7-10 мм в диаметре. При этих размерах контактов влагочувствительная пленка представляет собой кольцо с внутренним диаметром 1-2 мм и внешним 8-9 мм. Площадь пленки при этом вподне достаточна для обеспечения чувствительности гигрометра в диапазоне порядка 1-10 ррт; дальнейшее увеличение чувствительности возможно при использовании дисков резонатора с двусторонним покрытием.

Гигрометр работает следующим образом.

При прохождении влажного газа над поверхностью пленки 8 происходит поглощение воды пленкой по реакции

Н20 + Р205 2НРОЗ.

При этом масса пленки увеличивается, а это приводит к изменению частоты колебаний резонатора 1, включенного за счет наличия контактов 2, 3 в электрическую схему автогенератора колебаний посредством электрических выводов 4 и 5.

Одновременно с этим происходит электролиз поглощенной влаги за счет подачи разности потенциалов на выводы 4 и 7 по реакции:

2НРОз Н2 + (1/2)02 + Р205.

В результате устанавливается динамическое равновесие, которому соответствует некоторая равновесная концентрация поглощенной воды и некоторая резонансная частота колебаний.

При изменении влажности анализируемого газа происходит смещение равновесия и изменение равновесной концентрации поглощенной влаги, а следовательно, и резонансной частоты колебаний пьезокри- сталла (резонатора 1).

Измеряя частоту колебаний, можно судить о величине влажности анализируемой среды.

При измерениях без электролиза предварительно осушенная пленка при заданных температуре Т0, давлении газа Р0, и влажности W0 сорбирует после установле- 5 ния равновесного состояния определенное количество влаги та в соответствии с изотермой сорбции. При этом установится определенная частота резонансных колебаний пьезокристалла fa, определяе0 мая массой та. Таким образом, установится соответствие

W0 ma fa (1)

Это соответствие будет строго выполняться при соблюдении условий (Р0, Т0) для

5 влажности газа W0. Таким образом будет обеспечена воспроизводимость этой связи между Wo и fa.

Одним из существенных недостатков сорбционных гигрометров является боль0 шое время последействия при десорбции влаги с гигроскопического покрытия. Этот недостаток особенно существенно сказывается при измерениях микроконцентраций паров воды (10 - 107)и заключается в том,

5 что процессы десорбции протекают в десятки и сотни раз дольше, чем процессы сорбции. Время десорбции может составлять 1 ч и более. При меньшем времени измерения инерционность процесса десорбции восп0 ринимается как гистерезис.

При измерении влаги в динамическом режиме (при наличии электролиза) при заданных тех же условиях Т0, Ро и W0 для газовой фазы и кристалла скорость сорбции

5 влаги определяется параметрами То. Ро и W0 и свойствами пленки. Поскольку наряду с процессом сорбции идет процесс принудительной десорбции, то этот процесс также характеризуется определенной

0 скоростью, которая определяется током электролиза (при прочих равных условиях). Необходимым условием для реализации возможности измерения влажности газа в этом случае является задание определен5 ной скорости десорбции, т.е. определенного тока электролиза 0, который поддерживается неизменным в процессе измерений и служит характеристикой прибора.

0

Таким образом, в процессе измерения влажности в динамическом режиме в пленке при То, РО и W0 устанавливается некая равновесная масса влаги т0, которой соот5 ветствует частота f0. При этом обеспечивается соответствие

W0 mo fo(2)

Это соответствие будет выполняться

всегда при воспроизведении условий Wo,

РО, То и при постоянном 10 для данной пленки.

При повышении влажности скорость сорбции начинает превышать скорость десорбции и устанавливается новая равновесная масса и частота, соответствующая изменившейся влажности. В этом случае процесс принудительной (за счет электролиза) десорбции несколько тормозит процесс установления нового равновесия сорбция-десорбция, поскольку в отсутствие электролиза это равновесие установилось бы немного быстрее. Но поскольку скорость сорбции в десятки и сотни раз выше скорости естественной десорбции, то при оптимальном выборе тока электролиза влияние принудительной десорбции на скорость установки нового равновесия при повышенной влажности незначительно. При понижении влажности скорость принудительной десорбции значительно превышает скорость естественной десорбции и играет определяющую роль в процессе установления нового динамического равновесия, сокращая время этого процесса в десятки и сотни раз.

Таким образом, устраняются гистере- зисные явления и улучшаются динамические характеристики датчика влажности. При этом равновесная концентрация поглощенной воды для каждого значения влажности газа имеет строго определенное значение и соответствует строго определенной частоте колебаний пьезокристалла. Измерение этой равновесной концентрации не является необходимым, достаточно определить соответствующую частоту и произвести калибровку датчика в координатах влажность газа - частота При заданном токе электролиза и прочих равных условиях эта зависимость будет воспроизводиться с высокой степенью точности до тех пор, пока не станут сказываться явления старения и износа пленки и датчика.

Использование изобретения при создании приборов для определения влажности

позволяет повысить точность и достоверность измерений не только в потоке газа, но и в замкнутом объеме за счет отсутствия кожуха, нагревательных элементов, что обеспечивает непосредственный контакт

датчика с измеряемой средой.

Формула изобретения Гигрометр, включающий резонатор из кристалла кварца АТ-среза, выполненный в

форме диска и покрытий влагочувствитель- ной пленкой ангидрида кислоты, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и достоверности измерений, резонатор содержит дополнительно три контакта, снабженных выводами, при этом два контакта расположены на противоположных торцевых сторонах резонатора симметрично относительно друг друга, а третий контакт расположен хотя бы на одной из

сторон резонатора и выполнен охватывающим по периметру с одинаковым зазором относительно одного из симметрично расположенных контактов, причем на оба этих контакта, включая зазор между ними, нанесена влагочувствительная пленка в виде кольца, покрывающего часть поверхности обоих контактов.

Использование: изобретение относится к устройствам для исследования и анализа материалов, а именно к гигрометрам, и может быть использовано в нефтяной, газовой химической и других отраслях промышленности для определения влагосодержания, в частности для определения содержания влаги в углеводородных газах. Сущность изобретения состоит в том, что в известном гигрометре, включающем резонатор из кристалла кварца АТ-среза, выполненный в форме диска и покрытый влагочувствитель- ной пленкой ангидрида кислоты, резонатор содержит дополнительно три контакта, снабженных выводами. При этом два контакта расположены на противоположных торцовых сторонах резонатора симметрично друг относительно друга. Третий контакт расположен на одной из сторон резонатора и выполнен охватывающим по периметру с одинаковым зазором содержащийся на ней контакт, причем на оба эти контакта нанесена влагочувствительная пленка.2 ил.

Фиг.

Фиг. 2

зо