Способ изготовления датчиков влажности

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДАТЧИКОВ ВЛАЖНОСТИ, включающий нанесение на поверхность подложки с электродами полиэлектролита с дальнейшей термообработкой, отличающийся тем, что, с целью уменьшения погрешности измерения и расширения диапазона измерения, в качестве полиэлектролита используют сополимер метакриловой кислоты и дивинильного соединения, синтезированный в водно-органической среде при соотношении мономеров, дающих полимеры с неявной пористостью, после чего его измельчают до размера частиц, гарантирующих заданное адгезионное сцепление с подложкой, и переводят в солевую форму.

Изобретение относится к влагометрии и предназначено для использования в приборостроении при создании средств контроля, измерения и регулирования относительной влажности газообразных сред в промышленности, метеорологии, сельском хозяйстве.
Цель изобретения уменьшение погрешности измерения датчика влажности воздуха и расширение диапазона измерения.
Для осуществления способа в качестве влагочувствительного вещества (ВВ) используют сополимеры ненасыщенных карбоновых кислот, например метакриловой (МАК) и дивинильного соединения, синтезированные в водно-органической среде при соотношении мономеров, дающих полимеры без явной пористости (с неявной пористостью, т.е. не имеющие пористости в сухом состоянии). Для того, чтобы изотермы сорбции и десорбции совпадали, сополимер переводят в солевую форму, например в Na-форму. Ненасыщенные карбоновые кислоты содержат двойную связь, раскрывающуюся при реакции полимеризации. В качестве дивинильного соединения используют гидрофильные кроссагенты амидного типа, например этилендиметакриламид (ЭДМА). Наилучшими метрологическими качествами обладают такие преобразователи, ВВ у которых обладает отсутствием сорбционного гистерезиса и стабильностью сорбционной характеристики влагопоглощения от давления водяных паров. Это возможно для полимеров с неявной пористостью и повышенной гибкостью и подвижностью полимерных цепей. Для получения полимеров с повышенной гибкостью цепей проводят полимеризацию в среде растворителей, в которых исходные мономеры растворимы, а конечный продукт сольватирован. В качестве растворителей для получения сополимеров МАК и гидрофильных кроссагентов амидного типа можно использовать водные растворы уксусной кислоты. Для использования данного сополимера в качестве ВВ его переводят в солевую форму, например в Na-форму, для которой характерно совпадение изотерм сорбции и десорбции. При подготовке ВВ необходимо выдерживать следующие соотношения компонентов, мас.
МАК 76-96
Дивинильное соединение 24-4
При количестве МАК менее 76 мас. дивинильного соединения более 24 мас. возникает явная пористость, что приводит к сорбционному гистерезису, который увеличивает погрешность измерения. При количестве МАК более 96 мас. и кроссагента менее 4 мас. сополимер сильно набухает, что приводит к отслаиванию его от подложки при высоких влажностях, увеличивается инерционность вследствие понижения внутреннего давления в объеме ВВ. Исходный сополимер измельчают в течение нескольких часов в шаровой мельнице до тех пор, пока средний размер частиц не станет менее 10 мкм. Это необходимо для создания надежного адгезионного сцепления слоя частиц с подложкой. При более крупном размере частиц слой "шелушится" и отваливается. Необходимые фракции отбирают, например, путем седиментации. Полученный таким образом сополимер является катионитом в Н-форме, однако в Н-форме сополимер непригоден для измерения влажности, так как изотермы сорбции и десорбции не совпадают. Для того, чтобы еще более уменьшить сорбционный гистерезис, катионит переводят в Na-форму. При этом водную суспензию сополимера титруют 1N раствором NaOH до рН 7-9. При этом значении рН карбоксильные группы катионита хорошо диссоциируют при увлажнении. Чувствительность к водяным парам практически постоянна в диапазоне влажностей 25-100% При меньшем значении рН в ионите образуется большое количество неионизированных СООН-групп, что приводит к увеличению гистерезиса. При рН > 9 появляется свободная щелочь, которая при увлажнении диссоциирует. Под действием конденсата на датчике она может перемещаться из одной зоны подложки в другую, создавая дрейф характеристики.
Кроме того, щелочь, взаимодействуя с электродами, создает пористые слои, также влияющие на характеристику первичного преобразователя. Полученный таким образом катионит в Na-форме имеет гистерезис, близкий к нулю. Это связано, во-первых, с повышенной гибкостью цепей полимера, обусловленной проведением синтеза в присутствии сольватирующего растворителя и, во-вторых, с тем, что при переводе в солевую форму у слабосшитого полимера происходит конформационный переход, вызванный разрушением структурированных областей сетки, что еще более повышает гибкость цепей полимера. Далее суспензию в количестве 0,1 мл наносят на подложку и высушивают при температуре менее 100^оС. Отсутствие гистерезиса и повышенная подвижность цепей уменьшают сопротивление датчика и расширяют диапазон измерений влажности. Это объясняется тем, что в области пониженной влажности перенос заряда с одной макромолекулы на другую осуществляется при сближении молекул вследствие теплового движения, поэтому сопротивление датчика и ВВ может быть очень большим, что ограничивает диапазон измерения. При большей подвижности макромолекул вероятность перескока заряда увеличивается и сопротивление влагочувствительного вещества уменьшается.
Таким образом, охватывается более широкий диапазон измерения влажности без принятия специальных мер электрометрии. Так, например, у ранее известного преобразователя при влажности 40% сопротивление приближается к 10 МОм, при влажности 25% сопротивление более 100 МОм. У преобразователей, выполненных по предлагаемому изобретению, сопротивление около 10 МОм при влажности 15-20%
Пример осуществления способа. Ионит КМДМ-2 сшитый сополимер МАК с ЭДМА с массовым содержанием компонентов 90 и 10% соответственно синтезировался в присутствии 5%-ной уксусной кислоты при степени разбавления мономерной смеси 0,2. Полученный таким образом катионит в Н-форме в течение 7 ч диспергировался в шаровой мельнице. Получившуюся дисперсию фракционировали путем седиментации. Для этого собирали фракцию, находящуюся во взвешенном состоянии после 2 ч отстоя. Отстаивали эту суспензию еще 10 ч. Отбирали фракцию, находящуюся в осадке, и добавляли воды до концентрации катионита 3 мг/мл. Для получения Na-формы подводили раствором 1N NaOH рН суспензии до значения 7-9. Полученную суспензию наносили на подложку. Сушку производили в течение 2-3 ч при 60^оС. При более высокой температуре полимер меняет свой цвет (желтеет), при этом уменьшается обменная емкость, уменьшается адгезионное сцепление с подложкой.
Датчики, изготовленные по этому способу, имеют погрешность от гистерезиса не более 2,5% в диапазоне влажности 25-98% и дрейф характеристики, не превышающей 3% в год. Испытания проводились в жестких условиях: датчики в течение 3 мес находились при влажности 90-98% с многократным выпадением конденсата. При этом к ним был подключен источник переменного тока частотой 1000 Гц и напряжением 0,2 В.
Изобретение относится к влагометрии и может быть использовано при создании и изготовлении средств контроля и для регулирования относительной влажности газообразных средств в промышленности, метеорологии, сельском хозяйстве. Целью изобретения является уменьшение погрешности и расширение диапазона измерения изготавливаемых датчиков. Синтезируют в присутствии уксусной кислоты сополимер метакриловой кислоты с этилендиметакриламидом, взятых для получения полимера с неявной пористостью, соответственно 76 - 96 и 4 - 24 мас.%. Затем его измельчают до размеров частиц, гарантирующих земное адгезионное сцепление с подложкой, и переводят в солевую форму. Полученный полиэлектролит наносят на подложку с электродами и подвергают термообработке.