Биржевые курсы
00.00
00.00

Датчики влажности

16.04.2014

Количественное определение влажности твердых материалов, жидкостей и газов является постоянной актуальной задачей практически во всех сферах промышленной и научной деятельности, сельском хозяйстве и медицине. Существуют прямые и косвенные методы измерения влажности. В прямых методах измерения производится непосредственное разделение исследуемого материала на сухое вещество и влагу. Косвенные методы позволяют измерять физические величины, функционально связанные с влажностью материала.

Стремление контролировать, и, при необходимости, регулировать величину влаги привело к развитию направления непрерывного детектирования содержания молекул воды в измеряемом объекте с помощью миниатюрных сенсорных устройств - датчиков. Метрологические требования к сенсорам (датчикам) влажности не ограничиваются высокой точностью, чувствительностью и быстродействием, при выполнении измерений часто важен широкий диапазон измерений, охватывающий несколько порядков измеряемой величины, а важнейшим параметром является стабильность показаний.

Датчики влажности можно классифицировать по ряду признаков:

  • метод измерения, которому соответствует датчик;
  • агрегатное состояние и структура анализируемого материала;
  • условия работы - датчики для непрерывных и дискретных измерений;
  • способ эксплуатации датчика – проточные и погружные.

Сорбционно-импедансные датчики влажности

В настоящее время для определения содержания влажности различных сред получили широкое применение сорбционно-импедансные датчики. Преимуществом этого типа датчиков влажности является высокая чувствительность (в некоторых случаях нижний предел обнаружения составляет единицы ppb), простота изготовления (используются отработанные методы тонко- и толстопленочной технологии микроэлектроники), небольшие размеры. Датчик влажности такого типа действует на основе зависимости полного сопротивления (импеданса) влагочувствительного слоя сорбента от количества адсорбированной им влаги. В основном используют два ва­рианта конструкции датчиков этого типа - с планарным расположением электродов, обычно гребенкообразной формы, и «сэндвич»-струк­туру. В большинстве случаев эквивалентная схема этих первичных преобразователей может быть представлена в виде параллельно соединенных резистора и конденсатора.

Градуировочные характеристики сорбционно-импедансных датчиков влажности в основном определяются материалом применяемого в них сорбента, а их вид полностью соответствует виду изотермы сорбции на нем паров воды. В качестве сорбентов первоначально использовали в основном гигроскопичные ионообразующие соли. Общий недостаток датчиков с такими сорбентами - низ­кая стабильность, особенно при повышенной влажности, малая чувствительность при низких уровнях влажности и высокий гистерезис. Поэтому в настоящее время ионообразуюшие соли в качестве самостоятельного влагочувствительного агента используются редко и применяются в основном для пропитки неорганических сорбентов или введения в состав органических полимерных сорбентов с целью увеличения чувствительности. Основное распространение по­лучили импедансные датчики с органическими полимерными и неорганическими сорбентами на основе оксидов металлов. Покрытие может быть тонкопленочным и толстопленочным.

Перспективы развития датчиков влажности

Как в России, так и за рубежом основным направлением в разработке сорбционных датчиков является создание новых влагочувствительных композиций.

В целом, для развития датчиков влажности характерны следующие основные направления:

  • неуклонный переход на групповую планарную микроэлектронную технологию изготовления как тонкопленочную, так и толстопленочную;
  • создание многофункциональных датчиков, прежде всего, интегральных датчиков температуры и влажности. Использование таких датчиков не только повышает точность измерений, но и в ряде случаев значительно упрощает их калибровку.
  • унификация конструкции датчика влажности, а также средств обработки сигналов в сочетании с широким применением микропроцессоров.

Существующее в настоящее время многообразие типов датчиков влажности объясняется тем, что ни один из них не удовлетворяет всем предъявляемым к ним требованиям. Каждый тип имеет свои преимущества и недостатки, и, соответственно, свои области применения.

Сорбционные датчики влажности

Для измерения малых концентраций влаги лучше всего подходят сорбционные датчики, основанные на пьезосорбционном и сорбционно-импедансном методах. Датчик влажности возможно изготовить средствами технологии микроэлектроники, что также можно отнести к преимуществам этих методов измерения.

Основным элементом сорбционного датчика, независимо от способа преобразования и регистрации сигнала, является слой вещества, способный в условиях измерений при контакте с исследуемой средой обратимо сорбировать пары воды. Обычно для этих целей используются пленки полимеров или высокопористых неорганических оксидов.

Очевидно, что чем больше величина удельной поверхности материала, на основе которого формируется пленка, тем датчик влажности более эффективен. Оптимальное техническое решение – использование пористых и мезопористых материалов. Однако наряду с повышением чувствительности, применение таких материалов сопровождается появлением гистерезиса на изотерме адсорбции, что автоматически ведет к увеличению погрешности измерений. Поэтому при разработке и изготовлении датчиков для определения влажности необходимо уделять большое внимание оптимизации условий формирования чувствительного слоя.

Специалистами предприятия разработаны сорбционные датчики, имеющие «сэндвич»-струк­туру, для определения относительной влажности разных сред и микровлажности газовых сред. Датчик влажности изготавливается на подложках из ситалла или поликора. Никель с подслоем ванадия используется в качестве материала электродов. В качестве чувствительного гидрофильного слоя такого датчика применяются полимерные наноструктурированные пленки, сформированные по специальной технологии. Затем на слое полученной диэлектрической пленки формируется наноразмерная пленка золота, которая выполняет роль второго электрода. Контакты располагаются только на нижнем электроде, что повышает надежность конструкции датчика. Выбирая оптимальную толщину пленки золота можно обеспечить селективную проницаемость для молекул воды, которая определяется, в первую очередь, структурой пленки, наличием в ней пор, по размерам сопоставимых с размерами определяемого компонента. Постоянная времени датчика относительной влажности составляет 1-2 с., датчика микровлажности - 10-180 с., что зависит от уровня измеряемой микровлажности. За счет специально примененной технологии термообработки датчика величина гистерезиса снижена до 2%.

датчик влажности типа сэндвич

Датчик влажности «сэндвич» типа:

1. Основание датчика;

2. Нижние электроды;

3. Пленка сорбента;

4. Верхний электрод.

  

Датчики влажности, как правило, применяются вместе с датчиками температуры. Это необходимо для повышения точности измерений, пересчета единиц измерения влажности (%, ppm, оС т.р. и др.) и получения значений абсолютной и относительной влажности.

Важное прикладное значение имеет применение датчиков относительной влажности для измерения относительной влажности в атмосфере, промышленных и жилых зонах. Другой важной областью применения таких датчиков является их использование в гидрометеорологических зондах.

Датчик микровлажности применяется для измерений малых количеств влаги в особо чистых активных газах (азот, аргон, кислород, водород), используемых в технологии микроэлектроники, и в активных газах, содержащих синглетный кислород, хлор, йод, аммиак.

Уход показаний таких датчиков после постоянной работы в течение года составляет не более 2% от первоначального значения.

Датчик влажности в приборах ЭКСИС

На основе производимых предприятием датчиков разработаны портативные и стационарные приборы для измерения относительной влажности и температуры (серия приборов ИВТМ-7) и микровлажности газов (серия приборов ИВГ-1), а также многоканальные автоматизированные контрольно-измерительные системы.

датчик влажности и температурыпреобразователь ИПВТ

Важно отметить, что в научной и технической литературе под термином «датчик влажности» часто подразумеваются устройства, состоящие из чувствительного элемента (сенсора) и электронной схемы обработки сигнала от сенсора в электрический сигнал или непосредственно в визуальный (цифровой или аналоговый индикатор). Поэтому часто измерительные приборы также называют датчиками.

Разработанные приборы применяются для решения производственных задач и обеспечения комфортной и безопасной жизнедеятельности человека в различных отраслях промышленности. В качестве примера такого использования можно отметить микроэлектронику, химическую промышленность, атомную энергетику и т.д.

Разработанные приборы поддерживают все необходимые требования по подключению в общую измерительную сеть. В ее состав на настоящий момент могут объединяться сетевые многоканальные приборы, портативные одноканальные приборы, непосредственно датчики (преобразователи). Достигнутые результаты позволяют реализовать такие современные возможности, как распределенное управление, удаленный мониторинг (в том числе посредством сети Интернет) и другие современные технологии проведения измерений.

 
Видео-избранное
Ваша корзина пуста, но ее можно наполнять даже без регистрации
В Зеленограде
Температура -1.2°C
Влажность 97.5%
Давление 736 мм.рт.ст.
В офисе «ЭКСИС»
Температура 23.7°C
Влажность 20.2%
очистить список
 
Чтобы добавить товар к сравнению, нажмите на ссылку "Сравнить"