Датчик влажности газов Советский патент 1982 года по МПК G01N27/22 

(S) ДАТЧИК ВЛАЖНОСТИ ГАЗОВ

Изобретение относится к измерител ной технике и предназначено для изме рения влажности газов и их смесей с помощью поверхностных акустических волн. Известно устройство, предназначен ное для измерения и регулирования влажности газообразных сред, в которых в качестве чувствительного элемента используется пьезокварцевая пластина, покрытая влагочувствительной пленкой РЗВ таком датчике выходным параметром, характеризующим влажность контролируемой среды, является добротность или резонансная частота колеба ний пьезопластины, а величина полезного сигнала определяется относитель ным изменением массы пьезопластины, связанным с изменением влажности контролируемой среды. Чувствительность пьезокварцевого датчика к атмосфере влажного газа определяется соотношением толщины влагочувствительного слоя к толщине пьезокварцевого резонатора (А0,005). Для повышения чувствительности пьезокварцевого датчика влажности необходимо применять толстые влагочувствительные покрытия или повышать рабочую час.тоту пьезокварцевого резонатора. Применение толстых влагочувствительных покрытий ограничивается тем, что при этом резко уменьшается добротность пьезокварцевого резонатора, что приводит к уменьшению разрешающей способности датчика или даже к прекращению работоспособности пьезокварцевого резонатора. Другой путь повышения чувствительности датчика - за счет повышения рабочей частоты пьезокварцевого резонатора - ограничен тем, что практически не применяют пьезокварцевые резонаторы на частоты свыше 100 МГц. В устройствах на поверхностных акустических волнах можно добиться условий, при котором акустические колебания локализуются в тонком слое сорбирующем влагу. В этом случае получается максимальная эффективность преобразования. Использование поверх ностных акустических волн (ПАВ) позJpляeт перечисленные выше ограничения дли пьезокварцевого датчика пеpeHccjM значительно дальше, что приводит к практической возможности получать больше информации с влагочувствительного покрытия, а следователь но, и о влажности газа. Наиболее близким к изобретению является датчик влажности газов, содержащий установленные на звукопрово де источник, приемник поверхностных акустических волн (ПАВ), выполненный в виде подсоединенных к источнику переменного тока встречно-штыревых электродов, пьезоматериал и пленку сорбента. Чувствительность датчика влажности газов на ПАВ зависит от соотношения толщины влагочувствитель ного слоя к длине поверхностной акус тической волны в подложке. Это соотношение для первой нормальной волны во влагочувствительном слое составляет 0,05 и зависит от акустических свойств влагочувствительного слоя. Чувствительность датчика может быть еще выше, если во влагочувствительном слое распространяется вторая нор мальная волна (волны Сезавы). Таким образом, чувствительность датчика влажности газов определяется степень локализации ПАВ во влагочувствитеяьном слое. Рабочая частота датчика влажности на ПАВ может быть значител но выше (л/ 1000 МГц), чем в пьезокварцевом датчике. Возможность испол зования высоких частот позволяет при менять тонкие влагочувствительные пленки, что снижает инерционНрсть измерений 2. Известное устройство на ПАВ обладает тем недостатком, что имеет боль шую погрешность при измерении влажности газа. Это объясняется тем, что в реальных газах всегда содержатся углекислый газ и аммиак, которые, со единяясь с водой, изменяют проводимость пленки сорбента, В результате взаимодействия электроакустической поверхностной волны (ЭАПВ), которая распространяется по поверхности пьез материала с пленкой сорбента, облада ющей непостоянней проводимостью, про исходит затухание ЭАПВ, зависящее от проводимости пленки сорбента, что Приводит к появлению погрешности при измерении влажности газа. Это означает, что чувствительность известного устройства на ПАВбольше к тем парам, у которых сорбированная влага обладает большей проводимостью. Кроме того, в известном устройстве в атмосфере влажного газа на поверхности встречно-штыревых электродов адсорбируется слой.влаги, который приводит к изменению статической емкости встречноштыревых преобразователей и рассогласовывает внешнюю электрическую цепь, с помсш|ью которой датчик подсоединен к измерительной схеме. Изменение статической емкости встречно-штыревых преобразователей ПАВ влечет к появлению погрешности в измерении влажности газа. На основании излох енного следует, что при измерении влажности газа с помощью известного устройства получаемая информация сильно искажается от наличия тех веществ, которые изменяют проводимость сорбированной влаги, а также от расстройки встречноштыревых преобразователей ПАВ, что приводит к знaчитeльнQй погрешности при измерении. Целью изобретения является увеличение точности измерений при наличии в контролируемой среде веществ, увеличивающих электропроводность сорбированной влаги. Поставленная цель достигается тем, что в датчике влажности газов, содержащем установленные на звукопроводе источник и приемник поверхностных акустических волн (ПАВ), выполненные в виде подсоединенных к источнику переменного тока встречно-штыревых электродов, пьезоматериал и пленку сорбента, электроды защищены от окружающей среды влагонепроницаемой электропроводящей оболочкой, установленной с зазором к электродам, причем величина зазора не превышает расстояния между осями соседних встречноштыревых электродов. Зазор между электродами и оболочкой может быть заполнен пьезоматериалом, а звукопровод выполнен из диэлектрика. Кроме того, зазор между электродами и оболочкой может быть заполнен диэлектриком, звукопровод выполнен из пьезоматериала, влагонепроницаемая электропроводящая оболочка нанесена дополнительно по всей длине звукопровода между источником и приемником ПАВ, а пленка сорбента расположена на этом участке оболочки, причем толщина пленкки сорбента вместе с оболо кой не превышает двух расстояний меж ду осями соседних встречно-штыревых электродов. Влагонепроницаемая электропроводящая оболочка, установленная с зазором к электродам, предназначена для того чтобы защитить встречно-штыревые электроды от окружающей среды и устранить проникновение влаги в зазор между встречно-штыревыми электродами Оболочка может быть выполнена из А1, Мо, N1. Использование оболочки, установленной .с зазором к электродам, в датчике влажности газов, выполненном на звукопроводе из пьезоматериала, позволяет устранить погрешность связанную с изменением статической емкости встречно-штыревых электродов В атмосфере влажного газа. В качестве, звукопровода необходимо использовать термостабильные пьезоматериалы (пьезоквар YX-срезов), имеющие малый коэффициент электромеханической связи для того, чтобы уменьшить погрешность, связанную с взаимодействием ЭАПВ с проводимостью пленки сорбента. Применение такого устройства оправдано на частотах МГц, потому что на высоких частотах оболочка имеет плохую механическую прочность. На высоких частотах для увеличения механической прочности обсэлочки необходимо зазор между оболочкой и электродами заполнить диэлектриком или пьезоматериалом. На чертеже изображен предлагаемый датчик. Датчик содержит установленные на звукопроводе 1 источник и приемник ПАВ, выполненные в виде подсоединенных к источнику переменного тока (на чертеже не показан) встречно-штыревых электродов 2 и 3 соответственно. На звукопроводе 1 расположен также пьезоматериал и пленка сорбента . Электроды 2 и 3 защищены от окружающей среды влагонепроницаемой электропроводящей оболочкой Si установленной с зазором 6 к электродам 2 и 3, величина которого не превышает расстояния между осями соседних встречно штыревых электродов. В частности, зазор 6 может быть заполнен пьезоматери алом и тогда звукопровод 1 выполняется из диэлектрика. В другом случае зазор 6 заполняется диэлектриком. а звукопровод. выполняется из пьезоматериала. При этом оболочка 6 наносится дополнительно по всей длине звукопровода 1, соединяя оболочки над электродами 2 и 3 а пленка сорбента k установлена уже на этом участке оболочки, причем толщина пленки сорбента вместе с оболочкой не превышает двух расстояний между соседними встречно-штыревыми электродами. Когда звукопровод выполняется из диэлектрика, например плавленого кварца, стекла, т.е. материала, имеющего малый температурный коэффициент линейного расширения и пригодного для использования в акустоэлекгронике в качестве звукопровода, то диэлектрик выбран потому, что на его поверхности не существует ЭАПВ. По поверхности диэлектрика распространяется только упругая поверхностная волна (УПВ), затухание которой не зависит от проводимости пленки сорбента, а зависит только от массы сорбированной влаги. Встречно-штыревые электроды, покрытые слоем пьезоматериала, представляют собой преобразователи ПАВ. В ка- ; честве пьезоматериала наиболее пригодным является использование ориентированного поликристаллического слоя ZnO. Использование других пьезоматериалов (CdS, CdSe) менее эффективно, потому что они имеют меньший коэффициент электромеханической связи. Влагонепроницаемая электропроводящая оболочка на поверхности преобразователей ПАВ предназначена.для того, чтобы экранировать пьезослой от влияния влажного газа. Толщина оболочки (500-1000 А) выбирается такой, чтобы она не вносила существенных затуханий в работу преобразователей ПАВ. Если поверхность преобразователей ПАВ не защищена влагонепроницаемой электропроводящей оболочкой, то на поверхности пьезоспоя существует ЭАПВ, которая, взаимодействуя с электронами проводимости сорбированных веществ, затухает и приводит к. появлению погрешности в измерениях влажности газа. В другом случае у датчика влажности газов зазор между электродами и оболочкой заполнен диэлектриком, а звукопровод выполнен из пьезоматериала, а пленка сорбента находится на оболочке между источником и приемником ПАВ. При этом диэлектрический слой предназначен для электрической развязки встречно-штыревых электродов от оболочки. В качестве диэлектрического слоя используется SIO, SiO Tie. то вещество, которое имеет небольшую диэлектрическую проницаемост (6, 5) и обладает хорошими упругими свойствами. Толщина диэлектрического слоя (h) выбирается такой, чтобы ПАВ не имела значительных затуханий ( л 5 дБ). Минимальная толщина . диэлектрического слоя ограничивается тем, что между встречно-штыревыми электродами и оболочкой образуется большая статическая емкость, которая не позволяет электрически согласовать датчик с внешней измерительной схемой. Статическая емкость встречно штыревых электродов компенсируется с помощью согласующих- индуктивностей Оптимальная толщина диэлектрического слоя зависит от применяемого пье оматериала и апертуры встречно-штыревого преобразователя. Так, например, для преобразователя {N k, т.е. име ет четыре пары электродов) с сопротивлением излучения Rg 50 Ом и выполненного на подложке из ниобата лития YZ-среза, h 0,03 Х( - длина поверхностной акустической волны в подложке). В качестве пьезоматериала желательно использовать термоста . бильные срезы пьезокварца и ниобата лития. Влагонепроницаемая электропро водящая оболочка на поверхности звукопровода предназначена для того, чтобы экранировать пьезоматериал от влияния влажного газа. Оболочка устр няет взаимодействие ЭАПВ с электрона ми проводимости в пленке сорбента. На поверхности звукопровода из пьезо материала, имеющего влагонепроницаемую электропроводящую оболочку, существует только УПВ. Информация о влажности газа в данном датчике полу чается в результате взаимодействия УПВ с пленкой сорбента. Влагонепроницаемая электропроводящая оболочка в приведенных датчиках влажности газа заземляется. Толщина пленки сорбента вместе с влагонепроницаемой электропроводящей оболочкой не должна превышать двух расстояний между осями соседних электродов встречно-штыревого преобразователя (ВШП). Это ограничение накладывается потому, что ПАВ практи чески не проникают в глубь материала более, чем на величину X При прим нении пленок сорбента с максимальной 9 38 толщиной необходимо выбирать материал этих пленок таким, чтобы он обладал хорошими акустическими свойствами, как, например, пленки из SfO, SiO микропористых стекол. Оптимальная толщина пленки сорбента для первой нормальной волны в слое сорбента составляет Л 0,1 расстояниямежду осями соседних электродов ВШП. Датчики влажности газов содержат измерительный (с пленкой сорбента) и термокомпенсационный каналы измерения и включаются на любой из известных измерительных схем, обладающей высокой точностью измерения малых затуханий и изменений скорости ультразвуковых поверхностных волн. Работа датчика осуществляется следующим образом. Датчик влажности газов помещается в замкнутый объем, через который продувается влажный газ. На два излучающих преобразователя (через проходные изоляторы) от внешнего генератора высокой частоты подается синусоидальный электрический сигнал, который преобразуется в ПАВ и t acпpocтpaняeтся по поверхности звукопровода двумя каналами к выходным преобразователям. Под действием влажного газа пленка сорбента изменяет свою массу. Влагонепроницаемая электропроводящая оболочка защищает пьезоматериал и ВШП от внешней среды. ПАВ, распространяющиеся в измерительном канале с пленкой сорбента, изменяет свою амплитуду и скорость больше, чем это про-: исходит в термокомпенсационном канале. Далее ПАВ в выходных преобразователях преобразуется в электрические сигналы, которые поступают в измерительную схему. Измерение относительных изменений выходных электрических сигналов (амплитуды и фазы) дает информацию о изменении упругих свойств и массы пленки сорбента в атмосфере влажного газа с помощью поверхностных акустических волн. Изобретение позволяет увеличить точность измерений за счет устранения влияния проводимости сорбционного слоя влаги на результаты измерений. Это дает возможность более полно исследовать массообменные процессы, контролировать состояние окружающей среды. Формула изобретения 1. Датчик влажности газов, содержащий установленные на звукопроводе 9 источник и приемник поверхностных акустических волн (ПАВ), выполненные в виде подсоединенных к источнику пе ременного тока встречно-штыревых электродов, пьезоматериал и пленку сорбента, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности измерений при наличии в контролируемой среде веществ, увеличивающих электропроводность сорбированной ела ги, электроды защищены от окружающей среды влагонепроницаемой электропроводящей оболочкой, установленной с зазором к электродам, причем величина зазора не превышает расстояния между осями соседних встречно-штыревых электродов. 2.,Датчик по п. 1, о т л и ч аю щ и и с я тем, что зазор между электродами и оболочкой заполнен пьезоматери лом, а звукопровод выМолнен из диэлектрика. 3. Датчик по п. 1 , о т л и ч аю щ и и с я тем, что зазор между, электродами и оболочкой заполнен

S 10 диэлектриком, звукопровод выполнен из пьезоматериала, влагонепроницаемая электропроводящая оболочка нанесена дополнительно по всей длине звукопровода между источником и приемником ПАВ, а пленка сорбента расположена на этом участке оболочки, причем толщина пленки сорбента вместе с оболочкой не превышает двух расстояний между осями соседних встречноштыревых электродов. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Малов В. В. Пьезорезонансные датчики. М., Энергия, 1978, с. 201210. 2.Челядинова В. Д. Применение устройств на поверхностных акустических волнах в системах регулирования параметров окружающей с0еды в сельском хозяйстве. - В Сб.: Функциональные акустические устройства обработки сигналов, вып. 2k, Л,, 1978, с. 58-60 (прототип).