Датчик влажности газов

Датчик влажности газов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

A. Г. Севастьянов, 8, В. Ветров и B. П. Катушкин

1 ! (72) Авторы изобретекня

Ленинградский ордена Октябрьской Революции и - ордена..

Трудового Красного Знамени технологический ййстмт р им. Ленсовета (7! ) Заявитель (54) ДАТЧИК ВЛАЖНОСТИ ГАЗОВ

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения влажности газов и их смесей с помощью поверхностных акустических волн.

Известно устройство, предназначенное для измерения и регулирования влажности газообразных сред, в которых в качестве чувствительного элемента используется пьезокварцевая пластина, покрытая влагочувствитель10 ной пленкой (1).

В таком датчике выходным параметром, характеризующим влажность контролируемнй среды, является добротность или резонансная частота колеба"

15 ний пьезопластины, а величина полезного сигнала определяется относитель" ным изменением массы пьезопластины, связанным с изменением влажности контролируемой среды. Чувствительность пьеэокварцевого датчика к атмосфере влажного газа определяется соотношением толщины влагочувствительного слоя к толщине пьезокварцевого резонатора (. 0,005). Для повышения чувствительности пьеэокварцевого датчика влажности необходимо применять толстые влагочувствительные покрытия или повышать рабочую частоту 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 пьеэокварцевого 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

935773

3 колебания локализуются в тонком слое, сорбирующем влагу. В этом случае получается максимальная эффективность преобразования. Использование поверх" ностных акустических волн (ПАВ) поэ" воляет перечисленные выше ограничения для пьезокварцевого датчика пе" ренести значительно дальше, что приводит к практической возможности получать больше информации с влагочув- 10 ствительного покрытия, а следователь" но, и о влажности газа.

Наиболее близким к изобретению является датчик влажности газов, содержащий установленные на звукойрово- 3$ де источник, приемник поверхностных акустических волн (ПАВ), выполненный в виде подсоединенных к источнику переменного тока встречно-штыревых . электродов, пьеэоматериал и пленку сорбента. Чувствительность датчика влажности газов на ПАВ зависит от соотношения толщины влагочувствитель" ного слоя к длине поверхностной акустической 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 нормальная волна .(волны Сезавы), Таким образом, чувствительность датчика влажности газов определяется степенью локализации ПАВ во влагочувствительном слое. Рабочая частота датчика влажности на ПАВ может быть значитель" но выше (у 1000 МГц), чем в пьезокварцевом датчике. Возможность использования высоких частот позволяет применять тонкие влагочувствительные пленки, что снижает инерционность измерений (2).

Известное устройство на ПАВ обладает тем недостатком, что имеет боль" 4 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 пьеэо" материала с пленкой сорбента, облада- ющей непостоянной проводимостью, происходит затухание ЭАПВ, зависящее от проводимости пленки сорбента, что приводит к появлению погрешности при измерении влажности газа. Это означает, что чувствительность известного устройства на ПАВ больше 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 рассогла- совывает внешнюю электрическую цепь, с помощью которой датчик подсоединен к измерительной схеме. Изменение статической емкости встречно-штыревых преобразователей ПАВ влечет к появлению погрешности в измерении влажности газа. На основании,изложенного 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 значительнс и 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 иэ пьеэоматериала, влагонепроницаемая электропроводящая оболочка нанесена дополнительно по всей длине эвукопровода между источником и приемником

93577

ПАВ, а пленка сорбента расположена на этом участке оболочки, причем толщина пленкки сорбента вместе с оболочкой не превышает двух расстояний между осями соседних встречно-штыревых электродов.

Влагонепроницаемая электропроводя" щая 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, NI. Использование оболочки, уста- !> новленной с зазором к электродам, в датчике влажности газов, выполненном на звукопроводе из пьезоматериала, позволяет устранить погрешность, связанную с -изменением статической 20 емкости встречно-штыревых электродов в атмосфере влажного газа. В качестве,звукопровода необходимо использо вать термостабильные пьезоматерналы . (пьезоквар УХ=срезов), имеющие малый 2S коэффициент электромеханической связи для того, чтобы уменьшить погрешность, связанную с взаимодействием

ЭАПВ с проводимостью пленки сорбента, Применение такого устройства оправда- зв но на частотах до 10 МГц, потому что на высоких частотах оболочка имеет плохую механическую прочносгь. На высоких частотах для увеличения механиФ ческой прочности оболочки необходимо зазор между оболочкой и электродами заполнйть диэлектриком или пьезомате" риалом.

На чертеже изображен предлагаемый датчик. 40

Датчик содержит установленные на звукопроводе 1 источник и приемник

IlA{3, 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 4.

Электроды 2 и 3 защищены от окружающей среды влагонепроницаемой электропроводящей оболочкой 5, установлен" ной с зазором 6 к электродам 2 и 3, величина которого не превышает расстояния между осями соседних встречно. штыревых электродов. В частности, за5$ зор 6 может быть заполнен пьезоматериалом и тогда звукопровод 1 выполняется из диэлектрика. В другом случае зазор б заполняется диэлектриком, 3 6 а звукопровод. выполняется из пьезоматериала. При этом оболочка 6 нано" сится дополнительно по всей длине звукопровода 1, соединяя оболочки над электродами 2 и 3, а пленка сорбента 4 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 акустоэлектронике в качестве звукопровода, то диэлектрик выбран потому, что íà его поверхности не существует ЭАПВ. По поверхнос" ти 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 качестве пьезоматериала наиболее пригодным является использование ориентированного поликристаллического слоя

2пО. Использование других пьезомате" риалов (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 IlAB.

Если поверхность преобразователей

ПАВ не защищена влагонепроницаемой электропроводящей оболочкой, то на поверхности пьезослоя существует

ЭАПВ, которая, взаимодействуя с электронами проводимости сорбированных веществ, затухает и приводит к появлению погрешности в измерениях влажности газа.

В другом случае у датчика влажнос" ти газов зазор между электродами и оболочкой заполнен диэлектриком, а звукопровод выполнен иэ пьезоматериала, а пленка сорбента находится на оболочке между источником и приемником ПАВ. При этом диэлектрический слой предназначен для электрической

935773

7 развязки встречно-штыревых электродов от оболочки. В качестве диэлектрического слоя используется SiO, SiÎ, т;е. то вещество, которое имеет небольшую диэлектрическую проницаемость (f„ 5) и обладает хорошими упругими свойствами, Толщина диэлектричес" кого слоя (h) выбирается такой, чтобы ПАВ не имела значительных затуханий (л 5 дБ). Минимальная толщина . 10 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 щ слоя зависит от применяемого пьезоматериала и апертуры встречно-штыревого преобразователя. Так, например, для преобразователя (И = 4, т.е. име. ет четыре пары электродов) с сопро- 25 тивлением излучения Rq = 50 Ом и выполненного на подложке из ниобата лития YZ-среза, h = 0,03 ) (А - длина поверхностной акустической волны в подложке). В качестве пьеэоматериала желательно использовать термостабильные срезы пьеэокварца и ниобата лития. Влагонепроницаемая электропроводящая оболочка на поверхности зву»копровода предназначена для того, чтобы экранировать пьезоматериал от влияния влажного газа. Оболочка устраняет взаимодействие ЭАПВ с электронами проводимости. в пленке сорбента.

На поверхности звукопровода из пьезоматериала, имеющего влагонепроницаемую электропроводящую оболочку, существует только УПВ. Информация о влажности газа в данном датчике получается 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 практи55 чески не проникают в глубь материала более, чем на величину g . При приме" нении пленок сорбента с максимальной толщиной необходимо выбирать материал этих пленок таким, чтобы он обладал хорошими акустическими свойствами, как, например, пленки из 810, S10< микропористых стекол. Оптимальная толщина пленки сорбента для первой нормальной волны в слое сорбента составляет л 0,1 расстояния между осями соседних электродов ВШП.

Датчики влажности газов содержат измерительный (с пленкой сорбента) и термокомпенсационный каналы изме-, рения 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 распространяется 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 ампли» туду 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

935773

Составитель Ю, Коршунов

Редактор М. Петрова техред М. Рейвес Корректор Г. Огар

Заказ 4197/43 Тираж 887 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35; Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул, Проектная, 4 источник и приемник поверхностных акустических волн (ПАВ), выполненные в виде подсоединенных к источнику переменного тока встречно-штыревых электродов, пьезоматериал и пленку S сорбента, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности измерений при наличии в контролируемой среде веществ, увеличивающих электропроводность сорбированной вла- 1О ги, электроды защищены от окружающей среды влагонепроницаемой электропроводящей оболочкой, установленной с зазором к элект родам, причем величина зазора не превышает расстояния И между осями соседних встречно-штыревых электродов.

2,,Датчик по и. 1, о т л и ч аю шийся тем, что зазор между электродами и оболочкой заполнен 20 пьезоматеризлом, а звукопровод выполнен из диэлектрика.

3. Датчик по и. 1, о т л и ч аю шийся тем, что зазор между . электродами и оболочкой заполнен 25 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 .рассто-: яний между осями соседних встречноштыревых электродов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

Малов 8. В. Пьезорезонансные датчики, М., "Энергия", 1978, с. 20121Î.

2. Челядинова 8. Д. Применение устройств на поверхностных акустических волнах в системах регулирования параметров окружающей среды в сельском хозяйстве. - 8 Сб.: Функциональные акустические устройства обработки сигналов, вып. 124, Л., 1978, с. 58-60 (прототип).