Первичный измерительный преобразователь влажности Советский патент 1992 года по МПК G01N25/56 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах автоматического регулирования параметров микроклимата в помещениях.

Известен электрический сорбционный датчик влажности, содержащий покрытую влагочувствительным слоем подложку с нанесенными на одну из ее сторон двумя электродами. Поры жидкой пленки заполняются раствором гигроскопической соли до нанесения на пленку внешнего электрода. Раствором заполняется только часть объема пор без образования сквозных проводящих мостиков между электродами. На базе таких датчиков выпускают гигрометры для измерения микроконцентраций влаги в газах.

Недостаток известного датчика - выход чувствительного элемента из строя при контакте с атмосферным воздухом больше 5-10 с. Это вынуждает хранить датчики в закрытых контейнерах с молекулярными ситами.

Наиболее близким к предлагаемому является первичный измерительный преобразователь влажности воздуха, содержащий покрытую влагочувствительным слоем подложку с нанесенными на одну из ее сторон двумя электродами.

Недостатком известного измерительного преобразователя является низкая чувствительность к изменениям влажности воздуха, особенно при малых скоростях газа и при малых значениях относительной влажности.

Кроме того, известный измерительный преобразователь обладает большой инерционностью (длительность установления режима измерения длится 30-90 мин.) в зависимости от температуры и влажности окружающего воздуха, что в значительной степени ограничивает быстродействие системы регулирования параметров микроклимата в помещениях.

Цель изобретения - повышение чувствительности и снижение инерционности устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в первичном измерительном преобразоваNJ Јь N О

сЈ

теле влажности воздуха, содержащем покрытую влагочувствительным слоем подложку с нанесенными на одну из ее сторон двумя электродами, на другой стороне подложки жестко укреплен биморфный пьезо- керамический элемент, который своими концами жестко соединен с корпусом датчика.

Введение биморфного пьезокерамиче- ского элемента позволяет при питании его от источника переменного напряжения возбуждать изгибные механические колебания влагочувствительного слоя и тем самым повысить интенсивность насыщения влагой воздуха. Другими словами это позволяет повысить скорость достижения термодинамического равновесия системы влажный воздух - влагочувствительный слой, т.е. снизить инерционность датчика влажности.

Кроме того, интенсификация процесса влагообмена микроколебаниями подложки позволяет расширить нижний предел измерений (т.е. измерять меньшие значения относительной влажности) и тем самым повысить чувствительность датчика.

Сущность изобретения состоит в интенсификации процесса влагообмена между контролируемым газом и влагочувствительным элементом при помощи изгибных механических микроколебаний последнего, что позволяет повысить чувствительность и снизить инерционность датчика влажности.

На фиг.1 изображен первичный измерительный преобразователь влажности воз- уха, продольный разрез; на фиг.2 - ти же, вид сверху.

Первичный измерительный преобразователь влажности воздуха содержит покрытую влагочувствительным слоем подложку 1 с нанесенными на одну из ее сторон двумя электродами 2 и 3. На другой стороне подложки жестко укреплен (например, приклеен) биморфный пьезоэлектрический элемент, состоящий из двух пьезокерамиче- ских пластин 4 и 5 с нанесенными на их основные грани электродами 6, 7 и 8 (электрод 7 является общим). Биморфный пьезо- элемент жестко соединен своими концами (например, припаян) с корпусом 9, К электродам 6, 7 и 8 подведено переменное электрическое напряжение таким образом, что биморфный пьезоэлемент совершает изгибные колебания.

При измерении влажности воздуха подложка 1, жестко соединенная с биморфным пьезокерамическим вибратором, совершает изгибные микроколебания. Эти колебания, достигая влагочувствительного слоя, приводят к значительному увеличению влагопередачи от контролируемого газа в упомянутый слой.

Интенсификация влагопереноса от контролируемого газа к гигроскопическому материалу датчика влажности позволяет значительно повысить чувствительность и снизить инерционность первичного измерительного преобразователя влажности воздуха.

0 Кроме того, благодаря микроколебаниям можно вести регулируемый процесс сушки влагочувствительного слоя датчика без повышения температуры, что устраняет необходимость подогрева для формирования

5 нового влагочувствительного слоя, т.е. значительно увеличивает периодичность проведения регенерации влагочувствительного элемента. При этом появляется возможность длительной работы первичного изме0 рительного преобразователя влажности воздуха в помещениях без доступа обслуживающего персонала.

Технические преимущества предлагаемого первичного измерительного преобра5 зователя влажности воздуха по сравнению с прототипом заключаются в повышении чувствительности и снижении инерционности преобразователя. Чувствительность преобразователя повышается не менее

0 чем в 2 раза. Расширение нижнего предела измерений происходит за счет увеличения влагопереноса от контролируемого воздуха к гигроскопическому материалу чувствительного элемента, что достигает5 ся принудительным осциллированием последнего.

Снижение инерционности датчика влажности при вынужденных колебаниях обусловлено интенсификацией тепловла0 гопереноса, позволяющей уменьшить промежуток времени, необходимый для достижения гигротермического равновесия чувствительного элемента датчика с контролируемым воздухом.

5 Использование предлагаемого первичного измерительного преобразователя по сравнению с преобразователем-прототипом обеспечивает экономию энергии, которая достигается в системах кондициони0 рования воздуха вследствие повышения быстродействия управляющих устройств. Точность поддержания необходимых параметров микроклимата в помещениях в значительной степени лимитируется

5 чрезвычайно большой инерционностью (постоянная времени порядка 30 мин) применяемых датчиков влажности. Поэтому повышение качества переходных процессов в датчиках влажности, т.е. уменьшение постоянной времени и повышение чувствительности датчика, существенно повышает динамические свойства системы управления параметрами микроклимата в помещениях и улучшает условия обитаемости.

В опытах использовался штатный хло- ристолитиевый датчик влажности воздуха и биморфный вибратор размером 65х20х х2 мм из пьезокерамики ЦТС-19, питаемый от промышленной сети переменного тока LN220 В, Гц. Потребляемая мощ- ность 0,8 Вт.

Рассматриваемый режим является наиболее приемлемым на практике, так как не требуется дополнительный генератор электрических колебаний, В то же время он по- зволяет в резонансном режиме достигать амплитуды колебаний биморфного пьезоке- рамического элемента до 1,5 мм.

При скачкообразном изменении влажности амплитуда колебаний 0,2 мм вполне достаточна для повышения чувствительности и снижения инерционности датчика влажности не менее, чем в 2 раза. Дальнейшее увеличение амплитуды колебаний нецелесообразно, так как чувствительность

повышается (а инерционность снижается) в меньшей степени, чем уменьшается долговечность устройства.

Эксперименты с варьируемой частотой питания от генератора ГЗ-33 показали, что оптимальные результаты достигаются в диапазоне частот 20-200 Гц с амплитудой колебаний влагочувствительного слоя-0,2- 0,5 мм.

Формула изобретения Первичный измерительный преобразователь влажности газовой среды, содержащий покрытую влагочувствительным слоем подложку с нанесенными на одну из ее сторон двумя электродами, соединенными с источником переменного напряжения, и с закрепленным на другой стороне пьезоэлектрическим элементом, отличающий- с я тем, что, с целью повышения чувствительности и снижения инерционности преобразователя, пьезоэлектрический элемент выполнен в виде биморфного пьезокерами- ческого элемента, который своими концами жестко соединен с корпусом датчика.

Использование: измерительная техника. Сущность изобретения: покрытая влаго- чувствительным слоем подложка с нанесенными на одну из ее сторон двумя электродами приклеена другой стороной к би- морфному пьезоэлектрическому элементу. Элемент состоит из двух пьезокерамиче- ских пластин 4 и 5. Интенсификация процесса влагообмена между контролируемым газом и влагочувствительным элементом осуществляется с помощью принудительного осциллирования,2 ил,

Фиг.1

5 Ч