SU1711057A1 - Первичный преобразователь гигрометра точки росы - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике и в сочетании с вторичным преобразователем может быть применено дл  автоматизации измерений, контрол  технологических процессов и управлени , а также 2 при выполнении научно-исследовательских , испытательных и проверочных работ в сельском хоз йстве, текстильной и электронной промышленности, при контроле микроклимата в медицине и т.п. Цель, изобретени  - повышение точности измерени  влажности за счет улучшени  условий подвода тепла к влагочувствительному веществу и увеличение быстродействи  преобразовател . Преобразователь содержит тонкие металлические термометр сопротивлени  и нагревательный элемент и влагочувстаительный элемент в виде кбррр- зионнестойких тонкопленочных электродов , разделённых с; помощью П-об;разн6й диэлектрической вставки межэлектррДным промежутком, заполненным влагочувСтви- тельным веществом на основе электролитической соли. Выполнен преобразователь в виде тела вращени , образованного двум  коаксиально сопр женными цилиндрами, один из которых  вл етс  термометром сопротивлени , а другой - нагревателем. Вла- гочувствительное вещество предложено формировать из суспензии, содержащей высокотеплопроводный порошок, а цилиндры - из фольги с микроотверсти ми. 1 ил.

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике и в сочетании с вторичным пре-/ образователем может быть предназначено/ дл  замены автоматических приборов типа ДВ-1 Ки ГП-225 и может быть применено дл  автоматизации измерений, контрол  технологических процессов управлени , а такжв: при выполнении научнЬ-исследоватепь- ских, испытательных и поверочных оабот в сельском хоз йстве (контроль атмосферы на фермах, в овощехранилищах), текстильной

и электронной промышленност х, дл  контрол  микроклимата в медицине, запотевани  стекол в автомобил х и т.д.

Известен первичный, преобразователь (ПП) гигрометра точки росы, содержащий тонкопленочные металлические термометр сопротивлени  и нагревательный элемент, нанесенные на одну из поверхностей негиг- роекопической диэлектрической подложки, влагочувствительный элемент в виде тонкопленочных коррозионностойких металличеО

ел VI

ских электродов, нанесенных на другую сторону подложки и разделенных щелевым межэлектродным промежутком, заполненным вл;агрчувствйтельным веществом на основе здектролитической соли - насыщенным раствором хлорида лити .

Недостатками известного.технйческого решени   вл етс  низка  надежность веледст ие плохого контакта электродов с влагочувствительным веществом (ВЧВ) только по узким и шероховатым кромкам, и малое быстродействие - пор дка 1.5 с из-за значительного термического сопротивлени  между нагревательным элементом и ВЧВ.

Наиболее близким по технической сущности кизобретению  вл етс  ПП гигрометра Сточки росы, содержащий тонкопленочные металлические термометр сопротивлени  и нагревательный элемент, нанесенные на одну из поверхностей негигроскопичной диэлектрической подложки, и влагочуествительный элемент в виде тонкоплёночных коррозионнрстбйких металлических электродов, нанесенных на другую сторону подложки и разделенных с помощью П-рбразной диэлектрической вставки межэлектродным промежутком, заполненным влагочуветвительным веществом на основе электролитической соли. . Недостатками известного преобразовател   вл ютс  малое быстродействие (пор дка 10 с) вследствие значительного термическогд сопротивлени  между нагревательным элементом и ВЧВ -теплоподвод от нагревательного элемента, к .8.4 В осуществл етс  кондуктивным теплообменом через все сечение подложки, и сложна  технологи  изготовлени  ПП - необходимость использовани  подложек с двухсто- 0онней полировкой, двухстороннего напылени  металлических пленок с помощью дорогосто щих установок и т.п.

Цель изобретени -увеличение быстродействи  преобразовател , за счет улучше- ни  -условий подвода тепла к в агочувствительному веществу.

Указанна  цель дбстигаетс  тем, что в первичном .преобразователе гигрометра точки росы, содержащем тонкие металлйче ские термометр сопротивлени 4, нагревательный элемент, корробионностойкие тонкопленочные электроды, разделенные с помощью П-образной диэлектрической вставки межэлектродным промежутком( за- гтолненным влагочувствительным веществом на основе электролитической соли, термометр и нагреватель выполнены из двух коаксиальных цилиндров из металлической фольги со сквозными микроотверсти ми , поверхности цилиндров со стороны наход щегос  между ними влагочувстви- тельного вещества покрыты высокотеплоп- р о вод н ы м д и э л е к т р и ч е с к и м слоем, на который нанесены соединенные по всей поверхности электроды.

Сопоставительный анализ показывает, что за вл емый ПП отличаетс  как технологией , так и формой выполнени  термометра сопротивлени  и нагревательного элемента - изготовлены из фольги со сквозными микроотверсти ми .

В известном преобразователе термометр сопротивлени  и нагревательный элемент выполнены из тонких пленок никел , размещенных на поликоровых подложках. Однако, как показал опыт эксплуатации ПП. тонкопленочные нагреватели и термосопротивлени , изготовленные на поликоровых подложках, довольно часто перегорают, что объ сн етс  наличием раковин на поверхности подложки, Ориентировочное значение этих раковин после полировки поликора иногда достигает 30 нм. В то же врем  толщины используемых в ПП металлических пленок составл ют пор дка 300 нм. Поэтому вследствие микронеровностей удельное сопротивление пленок резко колеблетс  по площади, что приводит к локальному увеличению плотности тока до величины пор дка 0,4 А/см2, т.е. локальному нагреву и разрушению пленок. С целью снижени  термического сопротивлени  между термометром сопротивлени , нагревательным элементом и ВЧВ заслуживает внимани  не тонкопленочна , технологи , а фольгова  технологи  изготовлени  термометров сопротивлени  (ТС) и нагревательных элементов (НЭ). Высокие точностные параметры фольговых прецизионных и термочувствительных резисторов достигаютс  благодар  использованию металлургической фольги, получаемой методом холодной деформации. Применение рулонного фрльгированного материала позвол ет автоматизировать процесс изготовлени  изделий. Известен способ выполнени  тонкой металлической фольги со множеством ме ких сквозных микроотверстий , позвол ющий получить приблизительно одинаковые габариты ТС и НЭ на основе фольги и «а основе тонких пленок.

Однако замена тонкоплёночных ТС и НЭ, выполненных на поликоровой подложке ( Я 25 Вт/м . фольговые со сквозными микроотверсти мй ( Я 75 ) позвол ет улучшить услови  подвода тепла к влагочувствительному веществу (исключена подложка) за счет снижени  термического сопротивлени  примерно в 3 раза. Выполнение их в виде цилиндров не только уменьшает неравномерность нагрева ВЧВ, но и увеличивает количество подводимого к ВЧВ теплового потока, и, следовательно, не только позвол ет увеличить быстродействие преобразовател , но и уменьшить рае- ход энергии, идущей на разогрев нагревательного элемента. Выполнение электродов тонкопленочными на фольге со сквозными микроотверстй ми, закрытой вьгеокотеплбпроводной диэлектрической пленкой, позвол ет получить их развитую поверхность, за счет чего увеличиваетс  площадь контакта ВЧВ с электродами и. как следствие, увеличить чувствительность измерени  влажности, а также позвол ет улучшить абсорбционные характеристики межэлектродного промежутка, так как благодар  капилл рному эффекту происходит более интенсивное подсасывание пленки, соответствующей трехфазному состо ни , на поверхность электродов, при этом улучшаетс  ее контакт с ними, что приводит к увеличению чувствительности и быстродей- ствию ПП.

В предложенном ПП пленка ВЧВ тонка , что уменьшает врем , необходимое пленке дл  прихода в равновесное состо ние (при толщине ВЧВ не более 0,1 мкм процессы влагоо.бмена нос т чисто адсорбционный характер и посто нна  времени ПП не превышает «1-3 м), и имеет максимально развитую поверхность при минимальном объеме. Кроме того, в за вленном преобразователе раствор электролитической соли более длительное врем  удерживаетс  в межэлектродном промежутке (не выливаетс  из пор), так как поры имеют весьма малый радиус, который меньше рэ диуса закруглени  поверхности раствора электролитической соли, выступающего из лор при 100% относительной влажности.

Сравнение за ленного решени  с другими техническими решени ми показывает, что при введении в указанной св зи с остальными элементами в за вленный первичный преобразователь гигрометра точки росы перечисленные компоненты про вл ют новые свойства, что в итоге приводит к увеличению быстродействи  преобразовател  и упрощению технологии его изготовлени .

На чертеже изображен ПП гигрометра точки росы, общий вид. , . - j.

ПП гигрометра точки росы выполнен в виде тела вращени  и содержит изготовленные из металлической фольги со сквозными микроотверсти ми два коаксиально сопр женных и разделенных по высоте узкой

щелью цилиндра 1 и 2, меньший из которых  вл етс  ТС1, а больший - НЭ 2. На наружной поверхности цилиндра 1 и на внутренней поверхности цилиндра 2, закрытых высокотеплопроводной диэлектрической пленкой 3, размещены тонкопленочные электроды 4. Электроды 4 (или, вернее, цилиндры 1 и 2) разделены с помощью свернутой , по цилиндрической поверхности П-обрэзной диэлектрической вставки 5, Межэлектродный промежуток б. образованный углублением вставки 5 и наружной и внутренней поверхност ми цилиндров 1 и 2 (поверхност ми электродов 4), заполнен влагочувствительным веществом 7, Полученное таким образом тело вращении ПП плотно обжато любым известным способом. ПП с тугой посадкой размещен в цилиндрическом отверстии плоского нетеплопроводного диэлектрического держател  8 с электрическими выводами 9. Причем диаметр цилиндрического отверсти  держател  8 соответствует диаметру наружной поверхности цилиндра 2, а толщина держател  8 выбрана только из соображени  надежной фиксации преобразовател  к держателю 8 и самого держател  к вторичному преобразователю , котора  может быть осуществлена любым известным способом.

Примером конструктивного исполнени  ПП может служить такой преобразователь, в котором цилиндра 1 и 2 выполнены из. тонкой никелевой фольги со множеством микроотверстий, полученных в результате многократной прокатки ленты холоднока- танной из никел  марки Никель -21Г -. материала с малым относительным удлинением , размещенного между двум  сло ми медной ленты - материала с большим относительным удлинением. Холодна  прокатка с постепенным уменьшением зазора между роликами приводит к значительному удлинению слоистой полосы в направлении прокатки . Ее толщина внутреннего сло  уменьшаетс  до 25 мкм, а разность пластичности внешних и внутренних слоев вызывает образование множества сквозных микропор, имеющих вид-поперечных разрывов ..,

Необходимо заметить, что с точки зрени  надежности работы ПП при повышенной мощности и повышенной температуре окружающей среды, а также вли ни  радиации никелевые фольговые элементы, как и тонкопленочные никелевые элементы, имеют р д преимуществ перед ТС и НЭ на основе полупроводниковых элементов. С целью защиты ТС 1 и-НЭ 2 от воздействи  ВЧВ 7 и изол ции их от электродов 4 наружна  поверхность цилиндра 1 и внутренн  

поверхность цилиндра 2 закрыты пленкой нитрида бора - материала, обладающего комплексом ценных дл  практики свойств. Покрытие из нитрида бора обладает высо- кой коррозионной устойчивостью, хорошими механическими свойствами, стойкое в щелочных средах, в окисл ющих водных растворах, в хлорированных углеводородах. Коэффициент теплопроводности А« 73 Вт/м.°С, т.е. на два пор дка больше, чем у моноокиси кремни  при той же толщине (пор дка 2 мкм). Кроме того, адгезионна  прочность пленок нитрида бора (6...7)-106 Па, плотность пленок составл ет 2,23-2,31 г/см3, они кислотоустойчивы, практически беспористы, пробивное напр жение пор дка В/см. Такое защитное покрытие с низким тепловым сопротивлением выдерживает экстремальные тепловые и радиационные воздействи  с сохранением электрофизических и физико-химических свойств. Никелева  фольга, рокрыта  нитридом бора, обеспечивает суммарное сопротивление , в дес тки раз меньшее по сравнению с покрытием SiQ, На пленке 3 размещены тонкопленочные электроды 4 из нитрида титана толщиной 1-2,мкм, полученные из титана маркиВТ1-0. При их получении использован метод конденсации вещества в вакууме с ионной .бомбардировкой электропроводного тугоплавкого материала на установке ВУ-16, а также его соединений с газами (азотом).

Поверхностное сопротивление тонкопленочных электродов 4 составл ет 1-2 QM/KB, так как выбрано исход  из требуемой посто нной времени и омического сопротивлени . Трнкопленочные электроды 4 из нитрида титана подобны электродам из металлов платиновой группы - не раствор ютс  электролитически и значительно превосход т по стойкости серебр нные электроды. Цилиндры 1 и 2 с, тонкопленочными элементами 3 и 4 разделены с помощью свернутой по цилиндрической поверхности П-образной диэлектрической вставки 5, изготовленной из лавсановой пленки толщиной 100 мкм и глубиной 1 мм при высоте цилиндров 1 и 2 4-5 мм и радиусе внутреннего цилиндра 1 ТС около 4 мм - этот размер выбран из соображений получени  100 СЫ сопротивлени  ТС при 20° С. Собранный таким образом ПП плотно обжат специальной струбциной цилиндрической формы и размещен в цилиндрическом отверстии диэлектрического держател  8, вы- полненного на основе эбонитовой пластинки толщиной 1-1,5 мм с электрическими выводами 9, расположенными с двух сторон подложки, что делает удобным их

подключение к электродам ТС 1, нагревател  2, и тонкопленочными электродами 4 ВЧЭ.

Держатель а может быть вып олнен любо й формы - это определ етс  видом стан- дартного разъема, подключаемого К вторичному преобразователю, и обеспечивает надежную электро- и теплоизол цию

ПП от компонентов разъема. В качестве материала держател  8 выбран эбонит, так как этот материал хорошо поддаетс  механической обработке, негигроскопичен, газонепроницаем , стоек к действию растворов

кислот, оснований, солей, растительных и животных жиров (разрушаетс  только сильными окислител ми, ароматическими и хло- рированными углеводородами). Его удельное электрическое сопротивление

1014-1015 Ом-см Выпускаетс  эбонит в виде пластин, прутков, трубок и фасонных деталей , а примен ют в производстве электроизол ционных деталей приборов, при гумировании различных емкостей дл  агрессивных жидкостей. После сборки компонентов ПП в межэ ектродный промежуток 6 введена гомогенизированна  суспензи , содержаща  раствор хлорида лити  плотностью (1,1-1,2) кг/м3 в количестве 60% от

объема ВЧВ-и 40% (по объему) диэлектрического высокотеплопроводного порошка фракции 20-40 мкм, например порошка нитрида бора.

Преобразователь работает следующим

образом.

В основе действи  гигрометра точки росы с предложенным первичным преобразователем лежит принцип автоматического поиска и поддержани  температуры трехфазного равновеси  (кристаллы электролитической соли - раствор - пары воды) ВЧВ 7 на основе электролитической соли, т.е. температуры, при которой давление пара над насыщенным раствором соли поднима-

етс  до значени  давлени  пара в окружающем воздуха. Нагрев ВЧВ 7, размещенного в межэлёктродном промежутке 6. осуществл етс  за счет теплопередачи от нагревательного элемента 2. После завершени 

переходного процесса нагрева устанавливаетс  динамическое равновесие между количеством сорбируемой и испар емой с поверхности ВЧВ 7 влаги. Этому равновесию соответствует определенное сопротивление соли, регистрирующегос ; устройством, подключенным к электродам 4 ВЧВ 7, и равновесна  температура (температура точки росы), котора  регистрируетс  с помощью термометра сопротивлени  и преобразуетс  в соответствующий выходной сигнал, по которому с помощью характеристики преобразовани  определ ют влажность окружающего воздуха.

На основании полученных экспериментальных результатов и усовершенствовани  элементов конструкции ПП гигрометра точки росы разработана конструкци , позволивша  повысить быстродействие за счет улучшени  условий подвода тепла к влаго- чувствительномуэлементу (веществу). На- пример. в диапазоне изменени  относительной влажности 15-98% и температуры окружающей среды в диапазоне (-30)- +50)° С быстродействие преобразовател  1-3 с, т.е. в 3 раза выше, при точности изме- рени  влажности 0,1° С, чем в известном преобразователе. Применение фольгового материала при изготовлении термометров сопротивлени  и нагревательных элементов позволило существенно упростить тех- нологию изготовлени  ПП и перейти к групповому способу их производства. Фольгова  технологи  обеспечивает сочетание высоких точностных параметров про- волочных ТС с технологичностью изготовлени  микросхем. Высока  стабильность изделий их необходимее ТКС и допускаемое Отклонение сопротивлени  от номинала достигаетс  использованием ме-, таллургической фольги, получаемой мето- дом холодной деформации (проката), а технологичность изготовлени  - применением специфических приемов технологии.

Фольгова  технологи  позволила при изготовлении ПП исключить дорогие поликора- вые подложки с двухсторонней полировкой, стоимость которых определ етс  договорными ценами, и выполнение операций фотолитографии и травлени  при изготовлении термометров сопротивлени  и нагревательных элементов, что естественно, исключает применение дорогосто щих установок и привлечение высококвалифицированных специалистов. .

Ф о р м у л а и зо б рете н и   Первичный преобразователь гигрометра точки росы, содержащий тонкие металлические термометр сопротивлени , нагревательный элемент, коррозиен нестойкие тонкопленочные электроды, разделенные с помощью П-образн;Ой диэлектрической вставки межэлектродным промежутком, заполненным влагочувстви- тельным веществом на основе электролитической соли, о т л и чаю щи и с;  тем, что, с целью увеличени  быстродействи  преобразовател , термометр и нагреватель еы- полнены из двух коаксиальных цилиндров из металлической фольги со сквозными микроотверсти ми , поверхности цилиндров со стороны наход щегос  между ними в л аГо- чувствительного. вещества покрыты высоки- теплопроводным4 диэлектрическим слоем, на который нанесены соединенные ho всей поверхности электроды..

Claims (1)

1. Формула изобретения

   Первичный преобразователь гигрометра точки росы, содержащий тонкие металлические термометр сопротивления, нагревательный элемент, коррозионностойкие тонкопленочные электроды, разделенные с помощью П-образной диэлектрической вставки межэлектродным промежутком, заполненным влагочувствительным веществом на основе электролитической соли, о тличающийся тем, что, с целью увеличения быстродействия преобразователя, термометр и нагреватель выполнены из двух коаксиальных цилиндров из металлической фольги со сквозными микроотверстиями, поверхности цилиндров со стороны находящегося между Ними влагочувствительного вещества покрыты высокртеплопроводным диэлектрическим слоем, на который нанесены соединенные по всей' поверхности электроды. .