Датчик влажности газов

Катушкин.:. 2) Авторы изобретена А. Г. Севастьянов, В, В ов и Ленинградский ордена Окт Трудового Красного Знамеим. Ленсовета койхноло 7 ) Заявит(54) ДАТЧИК ВЛАЖНОСТИ ГАЗОВ Иэобретеи технике тельного слоя к толщине пьезокварцевого резонатора (лф 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 повеакустических волнах можнусловий, при котором аку рения влажно помощью пове н рхностныхо добитьсястические е относится к измеритель предназначено для измети газов и их смесей с хностных акустических Известно устроиство, предназначенное для измерения и регулирования влажности газообразных сред, в которых в качестве чувствительного элемента используется пьезокварцевая пластина, покрытая влагочувствитель"10 ной пленкой 11.В 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. Чувствитель" ность пьеэокварцевого датчика к атмосфере влажного газа определяется соотношением толщины влагочувствиолюции и-орцЕначеский"ийститр.935773 3колебания 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 О ствительного покрытия, а следователь" но, и о влажности газа.Наиболее близким к изобретению является датчик влажности газов, .содержащий установленные на звукойрово 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 акус" тической волны в подложке. Это соотношение для первой нормальной волны во влагочувствительном слое состав" ляет 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 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 измерений2 1.Известное устройство на ПАВ обла" дает тем недостатком, что имеет боль" 4 з 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 проводи" . в масть пленки сорбента., В результате взаимодействия электроакустической поверхностной волны (ЭАПВ), которая распространяется по поверхности пьеэо" материала с пленкой сорбента, облада- М 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 значительнсй 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 тол" щина пленкки сорбента вместе с оболочкой не превышает двух расстояний между осями соседних встречно-штыревых электродов.Влагонепроницаемая электропроводя" щая оболочка, установленная с зазором к электродам, предназнацена для того, цтобы защитить встречно-штыревые электроды от окружающей среды и устранить проникновение влаги в зазор между встречно-штыревыми электродами. . Оболочка может быть выполнена из А 1, Мо, М 1. Использование оболочки, уста- З 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 необходима использо вать термостабильные пьезоматерналы (пьезоквар УХ-срезов), имеющие малый 25 коэффициент электромеханической связи для того, цтобы уменьшить погрешность, связанную с взаимодействием ЭАПВ с проводимостью пленки сорбента, Применение такого устройства оправда- зв но на частотах дофф 10 МГц, потому что на высоких частотах оболочка имеет плохую механическую прочность. На высоких частотах для увеличения механиФцеской прочности оболочки необходимо зазор между оболочкой и электродами заполнйть диэлектриком или пьезомате" риалом.На чертеже изображен предлагаемый датчик. 40Датчик 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 4, Электроды 2 и 3 защищены от окружа" ющей 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, за 55 зор 6 может быть заполнен пьезоматериалом и тогда звукопровод 1 выполняется из диэлектрика. В другом случае зазор б заполняется диэлектриком,3 6а 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 на 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 ЕпО. Использование других пьезомате" риалов (Сдб, Сд 5 е) менее эффективно, потому что они имеют меньший коэффициент электромеханической связи. Влагонепроницаемая электропроводящая оболочка на поверхности преобразователей ПАВ предназначена.для того, чтобы экранировать пьезослой от вли" яния влажного газа. Толщина оболочки (500-1000 А) выбирается такой, чтобы она не вносила существенных затуханий в работу преобразователей ПАВ.Бсли 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 приемни" ком ПАВ. При этом диэлектрический слой предназначен для электрической7развязки встречно-штыревых электродов от оболочки. В качестве диэлектрического слоя используется 510, 50, т;е. то вещество, которое имеет небольшую диэлектрическую проницаемость (5) и обладает хорошими упругими свойствами, Толщина диэлектричес" кого слоя (и) выбирается такой, чтобы ПАВ не имела значительных затуханий ( лдБ). Минимальная толщина . 10 диэлектрического слоя ограничивается тем, что между встречно-штыревыми электродами и оболочкой образуется большая статическая емкость, которая не позволяет электрически согласо вать 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 = М, т.е. име. ет четыре пары электродов) с сопро тивлением излучения Вц = 50 Ом и выполненного на подложке из ниобата лития УЕ-среза, и = 0,03 )( 3 - 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 влагонепроница" емую 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 заземляетсяТолщина 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 55 чески не проникают в глубь материала более, чем на величину, При приме" нении пленок сорбента с максимальной толщиной необходимо выбирать материалэтих пленок таким, чтобы он обладалхорошими акустическими свойствами,как, например, пленки из 510, 510микропористых стекол. Оптимальнаятолщина пленки сорбента для первойнормальной волны в слое сорбентасоставляет лф 0,1 расстояния междуосями соседних электродов ВШП,Датчики влажности газов содержатизмерительный (с пленкой сорбента)и термокомпенсационный каналы изме-,рения и включаются на любой из известных измерительных схем, обладающейвысокой точностью измерения малыхзатуханий и изменений скорости ультразвуковых поверхностных волн,Работа датчика осуществляется следующим образом,Датчик влажности газов помещаетсяв замкнутый объем, через которыйпродувается влажный газ. На два излучающих преобразователя (через проходные изоляторы) от внешнего генераторавысокой частоты подается синусоидальный электрический сигнал, которыйпреобразуется в ПАВ и распространяется по поверхности звукопровода двумя каналами к выходным преобразователям. Под действием влажного газапленка сорбента изменяет свою массу.Влагонепроницаемая электропроводящаяоболочка защищает пьезоматериал иВШП от внешней среды. ПАВ, распространяющиеся в измерительном канале спленкой сорбента, изменяет свою амплитуду и скорость больше, чем это происходит в термокомпенсационном канале,Далее ПАВ в выходных преобразователяхпреобразуется в электрические сигналы, которые .поступают в измерительную схему, Измерение относительныхизменений выходных электрических сигналов (амплитуды и Фазы) дает информацию о изменении упругих свойств имассы пленки сорбента в атмосферевлажного газа с помощью поверхностныхакустических волн,Изобретение позволяет увеличитьточность 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 изобретения1, Датчик влажности газов, содержащий установЛенные на звукопроводеЗаказ 4197/43 Тираж 887 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж; Раушская наб., д. 4/5 Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул, Проектная, 4 источник и приемник поверхностныхакустических волн (ПАВ), выполненныев виде подсоединенных к источнику переменного тока встречно-штыревыхэлектродов, пьезоматериал и пленку 5сорбента, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью увеличения точности измерений при наличии в контролируемой среде веществ, увеличивающихэлектропроводность сорбированной вла" 10ги, электроды защищены от окружающейсреды влагонепроницаемой электропроводящей оболочкой, установленной сзазором к электродам, причем величина зазора не превышает расстояния Имежду осями соседних встречно-штыревых электродов,2 Датчик по и. 1, о т л и ч аю щ и й с я тем, что зазор междуэлектродами и оболочкой заполнен 20пьезоматеризлом, а звукопровод выполнен из диэлектрика.3, Датчик по и. 1, о т л и ч аю щ и й с я тем, что зазор между,электродами и оболочкой заполнен .Б диэлектриком, звукопровод выполнениз пьезоматериала, влагонепроницаемаяэлектропроводящая оболочка нанесенадополнительно по всей длине звукопровода между источником и приемникомПАВ, а пленка сорбента расположенана этом участке оболочки, причемтолщина пленки сорбента вместе соболочкой не превышает двух,рассто-:яний между осями соседних встречноштыревых электродов,Источники информации,принятые во внимание при экспертизеМалов 8. В. Пьезорезонансныедатчики, М., "Энергия", 1978, с, 201210.2, Челядинова 8. Д, Применениеустройств на поверхностных акустических волнах в системах регулирования параметров окружающей среды всельском хозяйстве. - В Сб.: функциональные акустические устройства обработки сигналов, вып. 124, Л., 1978,с. 58-60 (прототип).