Сопротивление многих неметаллических проводников, в основном, зависит от содержания в них воды (см. раздел 3.5.4 главы 3). На этом принципе реализуются резистивные датчики влажности или гигристоры. На рис. 13.6 показана схема гигри-стора. В нем используется материал, обладающий сравнительно низким удельным сопротивлением, которое сильно зависит от влажности окружающей среды. Слой такого материала довольно большой площади наносится сверху двух гребенчатых электродов. Когда он поглощает молекулы воды, сопротивление между электродами меняется, что регистрируется при помощи электронной схемы. Первый датчик
такого типа был реализован Ф.В. Данмором в 1935 году; его гигроскопическая пленка состояла из 2...5% водного раствора LiCl [10]. В качестве пленки для гигристоров иногда применяют полистирол, обработанный серной кислотой для получения требуемых значений поверхностного удельного сопротивления.
Рис. 13.6.Схема гигристора
Другим перспективным материалом для изготовления пленок для гигристоров являются твердые полиэлектролиты, поскольку их электропроводность достаточно сильно зависит от влажности. Долговременная стабильность и воспроизводимость таких элементов может быть значительно улучшена при использовании взаимопроникающих цепей полимеров, а также соответствующих конструкционых материалов. При проведении измерений на частоте 1 кГц на экспериментальном образце такой пленки было показано, что при изменении RH от 0 до 90% ее импеданс уменьшается с 10 МОм до 100 Ом.
Рис. 13.7.А - структура тонкопленочного датчика влажности на основе тонких пленок из А1203, Б — упрощенная эквивалентная схема датчика влажности; R1 и С1 - переменные компоненты, реагирующие на изменение влажности; R2и С2 сопротивление и емкость слоя оксид алюминия, расположенного между порами, на который вода не оказывает никакого влияния; R3 и С3 соответсвуют участкам оксида ниже пор, также влагонепроницаемым
На рис. 13.7А показан твердотельный датчик влажности, реализованный на кремниевой подложке, обладающей высокой электропроводностью [12], чтобы пропускать через себя ток от алюминиевого электрода, нанесенного на ее поверхности методом вакуумного осаждения металлов. На электрод наносится слой из оксида алюминия, сверху которого формируется второй электрод из пористого золота, не мешающего прохождению газов, но обеспечивающего хороший электрический контакт. Слой алюминия подвергается специальной обработке для получения пористой оксидной поверхности. Среднее поперечное сечение пор должно быть достаточным для прохода через них молекул воды. Электрические выводы формируются в кремниевой подложке и слое золота. Оксид алюминия, как и многие другие материалы, при контакте со смесью газов, содержащей водяные пары, поглощает воду. Количество поглощенных молекул воды пропорционально парциальному давлению водяных паров и обратно пропорционально абсолютной температуре. Оксид алюминия является диэлектрическим материалом. Его диэлектрическая проницаемость и поверхностное удельное сопротивление зависят от количества адсорби-
рованной воды. По этой причине этот материал может применяться для изготовления чувствительных элементов датчиков влажности.
На рис. 13.7Б показана эквивалентная электрическая схема такого датчика [13]. Значения R1и С1 определяются средними размерами пор в оксиде алюминия и его плотностью. Они зависят о количества молекул, прошедших через поры и осевших на поверхности. R2и С2 — это сопротивление и емкость оксида, расположенного между пор, характеристики которого не зависят от уровня влаги. С3 — эквивалентная последовательная емкость, определяемая при измерении полного сопротивления компонентов в условиях сухой атмосферы на очень высоких частотах. При приближении частоты к нулю сопротивление датчика становится очень высоким (более 108 Ом). Поэтому при измерении влажности необходимо учитывать и импеданс датчика. Все остальные резистивные и емкостные элементы, существующие в датчике, не реагирующие на изменения влажности, шунтируют R1и C1, что приводит к уменьшению чувствительности преобразователя, а это, в свою очередь, вызывает снижение точности при низких значениях измеряемой величины. Поскольку показания влажности сильно зависят от температуры, в состав датчика обычно входят: сенсор влажности, термистор и эталонный конденсатор, защищенный от влияния влаги и обладающий низким температурным коэффициентом.
13.4. Термисторные датчики влажности
Датчики, реализованные на основе термисторов, измеряют влажность по изменению теплопроводности газов (рис. 13.8А) [14]. Такие датчики состоят из двух крошечных термисторов R1, и R2, закрепленных при помощи очень тонких проводов для снижения тепловых потерь за счет теплопроводности через корпус. Исследуемый газ через небольшие вентиляционные отверстия воздействует на левый термистор, при этом правый термистор размещается в герметичной камере с сухим воздухом. Оба термистора включены в мостовую схему, на которую подается напряжение +E. При прохождении через термисторы тока их температура повышается до 170°С относительно температуры окружающей среды. Балансировка моста проводиться в условиях сухого воздуха, в уравновешенном состоянии вы-
Рис. 13.8. Датчик абсолютной влажности с саморазогревающимися термисторами: А—схема и электрические соединения. Б — зависимость выходного напряжения от влажности
ходное напряжение должно быть равно нулю. При отклонении абсолютной влажности воздуха от нулевого значения происходит постепенное повышение выходного напряжения. Однако при концентрации паров 150 г/м3 оно начинает падать, а при концентрации 345 г/м3 — даже меняет свою полярность (рис. 13.8Б)
Оптический гигрометр
Большинство датчиков влажности обладают не очень хорошей воспроизводимостью. Например, величина их гистерезиса составляет от 0.5... 1% RH. Поэтому при помощи них нельзя проводить прецизионные измерения. Для этих целей требуется применение косвенных методов определения влажности. Самым эффективным из них является вычисление абсолютной и относительной влажности по температуре точки росы. Как было указано ранее, точка росы определяется по температуре, при которой жидкая и газовая фазы воды (в данном случае любого вещества) находятся в равновесии. Температура, при которой пар и твердая фаза воды находятся в термодинамическом состоянии равновесия, называется точкой замерзания. Каждой температуре точки росы соответствует только одно значение давления насыщенного пара. Поэтому, измеряя температуру точки росы при известном значении давления, всегда можно найти абсолютную влажность. Оптический способ определения влажности является оптимальным методом, которому соответствует минимальный гистерезис. Стоимость оптического гигрометра намного выше, чем у предыдущих датчиков, но он позволяет отслеживать низкие уровни содержания воды в продукции, что приводит к повышению ее качества, делает эту цену вполне оправданной. Основным элементом оптического гигрометра является зеркало, температура поверхности которого точно регулируется при помощи термоэлектрического насоса. Пороговая температура зеркала настраивается на температуру точки росы. Исследуемый воздух при помощи насоса прогоняется над поверхностью зеркала. Если температура зеркала пересекает точку росы, на его поверхности конденсируются
Рис. 13.9.Датчик точки росы с охлаждаемым зеркалом
капли воды. При этом отражающие свойства зеркала изменяются, поскольку капли воды рассеивают лучи света, что детектируется соответствующим фотодетектором. На рис. 13.9 показана упрощенная схема гигрометра с охлаждаемым зеркалом. Он состоит из термоэлектрического насоса, работающего на эффекте Пельтье. Этот насос отводит тепло от поверхности тонкого зеркала, внутрь которого встроен детектор температуры, входящий в состав цифрового термометра, отображающего температуру
зеркала. Данный датчик является дифференциальным устройством, в котором верхняя оптопара - светоизлучающий диод (СИД) и фотодетектор — используется для компенсации дрейфа, а вторая (нижняя)— для измерения коэффициента отражения зеркала. Симметричность датчика регулируется при помощи клиновидного оптического балансира, размещенного на пути лучей света верхней оптопары. Нижняя оптопара наклонена под углом 45° к зеркалу. При температуре выше точки росы, поверхность зеркала является сухой, а его отражающая способность — максимальной. Под управлением контроллера насос снижает температуру зеркала. При появлении капель воды отражающая способность зеркала резко падает, что вызывает уменьшение тока фотодектора. Сигнал фотодетектора поступает на контроллер, который теперь должен подавать на насос такой ток, чтобы температура зеркала оставалась равной точке росы, при которой не происходит ни дополнительной конденсации влаги, ни ее выпаривания с поверхности. В действительности, при этой температуре молекулы воды то прилипают к зеркалу, то отрываются от него, но среднее количество конденсата остается неизменным, т.е. устанавливается равновесие.
Поскольку полученная температура зеркальной поверхности точно определяет действительную точку росы, этот метод считается наиболее прецизионным способом измерения влажности. В рассмотренном датчике отсутствует гистерезис, а его чувствительность составляет 0.03°С от температуры точки росы. При известном давлении по точке росы можно определить все характеристики влажности: %RH, давление пара и т.д.
Этот метод имеет ряд недостатков: сравнительно высокую стоимость, возможность загрязнения зеркальной поверхности и достаточно высокое потребление электроэнергии тепловым насосом. Проблема, связанная с загрязнением, решается при помощи фильтров и специальной техники охлаждения зеркала, при которой температура сначала понижается ниже точки росы, чтобы выступило много конденсата, а потом резко нагревается. Это позволяет смыть загрязнение и оставить поверхность чистой [15].