2. Датчики вологості

Значення вологості повітря та інших газів може виявитися суттєвим для контролю різноманітних фізико-хімічних процесів. Необхідність її вимірювання пов`язана з причинами які можна класифікувати в відповідності з наступними задачами:

- побутове кондиціонування повітря

- кондиціонування повітря в промисловості

- визначення залишкових кількостей водяної пари

- експлуатація теплообмінників

- контроль за роботою сушилок і тд

Характеристики вмісту вологи в матеріалах: абсолютна, відносна вологість та температура точки роси.

Під абсолютною вологістю r розуміють відношення маси водяної пари m_v до маси т_а сухого повітря в суміші з яким знаходиться ця водяна пара:

Під відносною вологістю U розуміють відношення парціального тику пари води при температурі Т до тиску насиченої пари при цій температурі:

Температура точки роси – це температура до якої потрібно охолодити вологе повітнря щоб досягти насичення, зберігаючи постійним масове співвідношення вологи в процесі охолодження.

Гігрометри

Гігрометри можна розділити на дві групи:

• гігрометри, засновані на фізичному законі, що дозволяє безпосередньо визначати вологість, конденсаційні гігрометри, психометри, електролітичні та сорбціонні гігрометри.

• гігрометри, принцип дії яких заснований на вимірюванні властивостей тіл, які пов`язані з вологістю, наприклад імпедансні гігрометри.Ці гігрометри дозволяють у відповідності до принципів закладених у їх основу визначити один з параметрів вологого повітря:

а) температура точки роси, що визначається конденсаційними, сорбціонними і електролітичними гігрометрами, а також гігрометрами на основі оксиду алюмінію;

б) температура вологого термометра, що вимірюється психометрами;

в) відносна вологість U (%), що визначається гігрометрами на основі зміни опору і ємності.

Співставлення різних типів гігрометрів ускладнено оскільки вони призначені для визначення різних параметрів вологого повітря.

3. Конструкція датчику вологості

В даній лабораторній роботі ми розглянули датчик вологості ємнісного типу. Конструкція його представлена на рисунку 4

Рис. 4. Датчик ємнісного типу

1. – основа; 2 – електроди; 3 – вологочутливий шар; 4 – вологопроникний електрод.

Еквівалентна схема даного датчика має наступний вигляд:

Рис. 5. Еквівалентна схема

В цій схемі R_в – опір влагопоглинаючого шару, С_в – ємність влагопоглинаючого шару, С_д – ємність діелектрика, R_э – опір влагопроникного електрода.

Завдяки адсорбційним якостям діелектрик поглинає вологу якак частково проникає через капіляри на поверхні діелектричного шару, а основна частина вологи, як правило адсорбується на поверхні діелектрика.

Розрізняють два види поглинання води:

- капілярне

- поверхневе

Шар полімерного діелектрика товщиною в декілька мікрон поглинає з оточуючого повітря молекули води в результаті чого встановлюється рівновага з повітрям. Це призводить до зміни діелектричної проникності шару і відповідно зміни ємності конденсатора, в якому використовується цей діелектрик. Вода, проникаючи в діелектрик міняє його діелектричну проникність, збільшуючи її оскільки ε води 82, а діелектрика не більше 8.

де S -площа конденсатора, d – відстань між пластинами.

Для збільшення ємності конденсатора застосовують гребінчасту структуру

Рис. 6. Планарний конденсатор

1 - основаа (сітал, кварц); 2 - електроди - Au; 3 – вологочутливий шар.

Вибір матеріалу електроду (2) визначається критеріями стійкості до корозії, зменшення процесів електроліза в приелектродній області. Поруч з с Au, застосовуються Cr, Ti-Ni, Al, Pt.

У якості вологочутливих діелектриків застосовують:

а) полііміди;

б) поліамиди;

в) поліелектроліти

г) сополімери

д) оксиди: Si0₂:LiСl, SiО₂Al₂О₃,СеО2,Al₂О₃ тощо

Ємнісні характеристики деяких з цих матеріалів приведені на рис. 7

Рис. 7. Характеристики різних влагопоглинаючих діелектриків

Як видно з малюнку поліамід має невеликий гістерезис. Швидкість датчика визначається товщиною діелектрика оскільки всі процеси відбуваються на поверхні.