3.7. Датчики влажности и содержания воды

Вода входит в состав окружающего воздуха и является необходимым компонентом для всех живых существ: людей и животных. Комфортность окружающих условий опреде­ляется, в основном, двумя факторами: относительной влажностью и температурой. Работа многих устройств (высокоимпедансных электрон­ных схем, электростатических чувствительных элементов, высоковольтных приборов и т.д.) также сильно зависит от уровня влажности. Как правило, все характеристики приборов определяются при относительной влажности 50% и температуре 20-25°С. Для измерения влажности используются приборы, называемые гигрометрами. Чувствительный элемент гигро­метра должен избирательно реагировать на изменение концентрации воды. Его реакцией может быть изменение внутренних свойств. Датчики для измерения влажности и темпера­туры точки росы бывают емкостными, электропроводными, вибрационными и оптичес­кими. Оптические газовые датчики определяют точку росы, в то время как оптические гиг­рометры измеряют содержание воды в органических растворах по поглощению излучения ближнего ИК диапазона в интервале 1,9...2,7 мкм.

Для количественного определения влажности и содержания воды применяются раз­ные единицы. Влажность газов в системе СИ иногда выражается как количество паров воды в одном кубическом метре (г/м³). Содержание воды в жидкостях и твердых телах обычно задается в процентах от общей массы. Содержание воды в плохо смешиваемых жидкостях определяется как количество частей воды на миллион частей веса (ppm).

Влага — это количество воды, содержащееся в жидкости или твердом теле, которое может быть удалено без изменения химических свойств вещества.

Удельная влажность r — это масса паров воды на единицу массы сухого газа.

Абсолютная влажность (массовая концентрация или плотность паров воды) - это масса паров воды m на единицу объема влажного газа ν: d_w=m/ν. Другими словами, аб­солютная влажность — это плотность водяных паров. Для ее определения известное количество газа, например, воздуха, пропускается через влагопоглощающий материал (такой как силикагель), который взвешивается до и после этой процедуры. Абсолют­ная влажность выражается в г/м³. Поскольку на результаты таких измерений оказывает влияние атмосферное давление, они редко используются в инженерной практике

Относительная влажность Н— это отношение давления паров воды в воздухе P_w, измеренное при некоторой температуре (парциальное давление), к максималь­ному давлению насыщенного пара Р при той же температуре. Относительная влаж­ность (RH) всегда определяется в процентах:

(3.7.1)

Величина H выражает содержание пара в виде процента от концентрации водя­ных паров, при которой происходит его насыщение (т.е. образование капель воды (росы) при заданной температуре). Существует еще одно определение RH: отно­сительная влажность — это отношение мольной доли паров воды в заданном объеме к мольной доле насыщенных водяных паров в том же объеме. Сумма парциаль­ных давлений влажного Р_w и сухого воздуха Р_а равна давлению в замкнутом объе­ме или атмосферному давлению Р_атм, если этот объем незамкнут:

(3.7.2)

При температуре выше точки кипения пары воды вытесняют все остальные газы из заданного объема. Тогда вся атмосфера состоит только из перегретого пара. В этом слу­чае, Р_w=Р_атм . При температурах , больших 100°С, P_s всегда выше Р_атм , и максимальная относительная влажность никогда не может достичь 100%. При нормальном атмос­ферном давлении и температуре 100°С, максимальная относительная влажность равна 100%, в то время как при температуре 200°С она составляет только 6%. При температу­ре выше 374°С давление насыщенных паров термодинамически не определено.

Точка росы — это температура, при которой парциальное давление водяных паров становится максимальным, что соответствует состоянию насыщения пара, при котором пар и жидкая фаза воды находятся в равновесии. Точка росы - это температура, при которой относительная влажность воздуха равна 100%. Други­ми словами, точка росы определяет температуру воздуха, при которой он облада­ет максимальной влажностью. При охлаждении воздуха до точки росы, он стано­вится насыщенным, что может привести к появлению тумана, росы или инея.

Точку замерзания можно определить как температуру, при которой при изоба­рическом охлаждении смеси газа и водяных паров (при постоянном давлении) образуется иней или лед (минуя стадию конденсации).

Используя следующие уравнения, можно определить температуру точки росы DP по величине относительной влажности и температуре. Все температу­ры должны быть выражены в °С. Давление насыщенных паров над поверхностью воды находится при помощи выражения:

(3.7.3)

Тогда точка росы определяется по аппроксимационной формуле:

(3.7.4)

где . (3.7.5)

Относительная влажность обратно пропорциональна температуре. Точка росы обычно определяется при помощи холодного зеркала. Однако при температуре точки росы ниже 0°С такие измерения становятся неточными, поскольку вода за­мерзает, что ведет к медленному образованию кристаллической решетки, напо­минающей снежинку. Тем не менее при температурах ниже нуля вода еще дли­тельное время может находиться в жидкой фазе. Это время зависит от перемеши­вания состава, скорости конвекции, температуры газа, загрязнения и т.д.

Таблица 3.7.1

Относительная влажность насыщенных растворов солей

(3.7.6)

где Т— абсолютная температура (в Кельвинах), Р — давление влажного воздуха (в мм рт.ст.), P_s — давление насыщенных водяных паров при температуре Т (в мм рт.ст.), Н — относительная влажность (в %). Из уравнения (3.7.6) видно, что диэ­лектрическая проницаемость влажного воздуха, а значит и его емкость, пропор­циональны относительной влажности.

Пространство между пластинами конденсатора может быть заполнено не воз­духом, а соответствующим диэлектрическим материалом, проницаемость кото­рого сильно зависит от влажности окружающей среды. Например, существуют емкостные датчики, сформированные на основе гигроскопической полимерной пленки с нанесенными с двух сторон металлическими электродами.

На рис.3.7.1 показана схема, позволяющая при помощи емкостного датчика измерять относительную влажность воздуха в диапазоне 5...90% с точностью 2%, а на рис.3.7.2 приведены передаточные характеристики датчика и интерфейсной схемы. Номинальная емкость датчика при 75% RH составляет 500пФ. Он облада­ет квазилинейной передаточной функцией со смещением при нулевой влажнос­ти, равным 370пФ, и наклоном 1,7пФ/%RН. Показанная на рисунке схема вы­полняет две функции: преобразует емкость в напряжение и компенсирует емкость смещения для получения нулевого выходного напряжения при нулевом уровне RH. Основной частью схемы является аналоговый ключ LT1043 с автосинхронизацией, подключаю­щий несколько конденсаторов к точ­ке суммирования — на вход ОУ U₁, (эта точка иногда называется виртуальной землей).

Рис.3.7.1. Упрощенная схема измерения влажности при помощи емкостного датчика.

Конденсатор С₁, использует­ся для компенсации емкости смеще­ния, а конденсатор С₂ включается последовательно с емкостным датчи­ком S₁. Среднее напряжение на дат­чике должно быть равно нулю, в про­тивном случае электрохимические процессы могут вывести его из строя. Неполярный конденсатор С₂ защи­щает датчик от статического электричества. Переменный резистор P₂ регулирует ве­личину тока, поступающего на датчик, а P₁ подстраивает ток смещения. Конденса­тор С₃, стоящий в цепи ОС, используется для интегрирования результирующего за­ряда, а конденсатор С₄ поддерживает уровень выходного напряжения неизменным во время отсоединения точки суммирования ОУ от датчика.

Рис.3.7.2. передаточная функция емкостного датчика системы.

Такой же подход может быть использован для определения содержания влаги в образцах различных материалов. На рис.3.7.3 показана схема емкостной систе­мы измерений, где изменение диэлектрической проницаемости образца приводит к изменению частоты генератора. Этот метод измерения влажности широко при­меняется в системах контроля фармацевтической продукции. Диэлектрическая про­ницаемость большинства медицинских таблеток по сравнению с водой достаточно низкая (2...5). Образец исследуемого материала помещается между двумя пластинами, формирующими конденсатор, подсоединенный к LC- колебательному контуру. Счетчик измеряет частоту, по которой определяется вели­чина влажности. Для уменьшения влияния таких параметров окружающей среды, как температура и атмосферная влажность, рекомендуется использовать дифферен­циальные датчики. В этом случае определяется разность частот Δf=f₀-f₁ где f₀ — частота, измеренная при пустом контейнере, a f₁ — частота, измеренная с контейне­ром, заполненным исследуемым материалом. Этот метод имеет ряд ограничений: он весьма неточен при влажности ниже 0,5%; образец должен быть очищен от по­сторонних частиц с относительно высокой диэлектри­ческой проницаемостью (например, от металла и пла­стика), а также геометрия об­разца не должна меняться во время проведения экспери­мента.

Рис.3.7.3. Емкостная система измерения влажности.

Тонкопленочный емкостной датчик влажности может быть изготовлен на кремниевой подложке. Для этого на кремниевой подложке n-типа выращи­вается слой SiО₂ толщиной 3000Ǻ (рис.3.7.4Б), а на него наносятся два электро­да из алюминия, хрома или легирован­ного фосфором поликремния, для чего применяется метод осаждения из газо­вой фазы, проводимый при низком дав­лении (LPCVD). Толщина электродов, имеющих гребенчатую форму (рис.3.7.4А), лежит в пределах 2000...5000 Ǻ. Для обеспечения дополнительной ком­пенсации изменения окружающей тем­пературы на той же самой подложке формируются два термочувствительных резистора. На верхнюю часть датчика на­носится диэлектрический слой толщи­ной 300...4000Ǻ , для получения которо­го могут использоваться разные матери­алы, например, химически осажденные из газовой фазы SiО₂ или фосфорное си­ликатное стекло. На рис.3.7.5 показана упрощенная эквивалентная схема тонкопленочного датчика влажности. Каждый компонент схемы является элементом RС-линии передач. При увеличении относитель­ной влажности распределение сопро­тивления поверхности уменьшается, а эквивалентная емкость между выводами 1 и 2 возрастает. Величина емкости зависит от частоты. Следовательно, при измере­нии низких значений влажности частота должна быть порядка 100 Гц, в то время как для высоких величин влажности, ее надо выбирать в пределах 1...10 кГц.

Сопротивление многих неметаллических проводников, в основном, зависит от со­держания в них воды. На этом принципе реализуются ре­зистивные датчики влажности или гигристоры. На рис.3.7.6 показана схема гигристора. 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.

Рис.3.7.4. Емкостной тонкопленочный датчик влажности: А – греенчатые электроды, формирующие пластины конденсатора; Б – поперечное сечение датчика.

Рис.3.7.5. Упрощенная эквивалентная электрическая схема емкостного тонкопленочного датчика влажности.

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. В качестве пленки для гигристоров иногда при­меняют полистирол, обработанный серной кислотой для получения требуемых значений поверхностного удельного сопротивления.

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 10МОм до 100Ом. На рис.3.7.7А показан твердотельный датчик влажности, реализованный на кремниевой подложке, обладающей высокой электропроводностью, 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 адсорбированной воды. По этой причине этот материал может применяться для изготовле­ния чувствительных элементов датчиков влажности.

Рис.3.7.6. Схема гигристора.

Рис.3.7.7. А – структура тонкопленочного датчика влажности на основе тонких пленок из оксида алюминия; Б – упрощенная эквивалентная схема датчика влажности.

На рис.3.7.7Б показана эквивалентная электрическая схема такого датчика. Значения R₁ и С₁, определяются средними размерами пор в оксиде алюминия и его плотностью. Они зависят о количества молекул, прошедших через поры и осевших на поверхности. R₂ и 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 10⁸Ом). Поэтому при измерении влажности необходимо учитывать и импеданс датчика. Все остальные резистивные и емкостные элементы, существующие в дат­чике, не реагирующие на изменения влажности, шунтируют R₁ и С₁, 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.

Датчики, реализованные на основе термисторов, измеряют влажность по изме­нению теплопроводности газов (рис.3.7.8А). 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.

Рис.3.7.8. Датчик абсолютной влажности с саморазогревающимися термисторами: А – схема и электрические соединения; Б – зависимость выходного напряжения от влажности.

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 +Е. 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 вы­ходное напряжение должно быть равно нулю. При отклонении абсолютной влаж­ности воздуха от нулевого значения происходит постепенное повышение выход­ного напряжения. Однако при концентрации паров 150г/м³ оно начинает падать, а при концентрации 345г/м³ — даже меняет свою полярность (рис.3.7.8Б)

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 капли воды.

Рис.3.7.9. Датчик точки росы с охлажденным зеркалом.

При этом отра­жающие свойства зеркала из­меняются, поскольку капли воды рассеивают лучи света, что детектируется соответ­ствующим фотодетектором. На рис.3.7.9 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 фотодетекгор — 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.

Рис.3.7.10. Пьезоэлектрический датчик влажности с охлажденным зеркалом.

Основная идея вибрационных гигрометров аналогична идее оптических гигрометров с охлаждае­мым зеркалом. Разница между ними заключается в том, что точка росы определяется не по изменению оптического коэффициента отражения поверхности, а по измере­нию массы охлаждаемой пластины. Эта пластина изготавливается из тонкого кварцевого кристалла, являюще­гося частью колебательного контура. Поскольку в осно­ве вибрации кварцевой пла­стины лежит пьезоэлектри­ческий эффект, появилось еще одно название такого датчика — пьезоэлектричес­кий гигрометр. Охладитель Пельтье с высокой степенью точности контролирует температуру кварцевого кристалла (рис.3.7.10). При пониже­нии температуры до точки росы на поверхности пластины формируется тонкая пленка из конденсированной воды, что вызывает изменение массы кристалла. Это приводит к сдвигу резонансной частоты колебательного контура от f₀ до f₁. Новая частота опре­деляется толщиной слоя воды. Сдвиг по частоте приводит к изменению тока в охла­дителе Пельтье, стремящегося стабилизировать температуру на поверхности крис­талла, близкой к точке росы. Из-за малых размеров кристалла и минимальной меха­нической нагрузки на этом датчике очень сложно в обеспечить адекватную тепловую связь между охладителем и кристаллом. Принцип таких гигрометров может быть использован для построения датчиков на ПАВ. В этом случае исследуемый газ должен проходить по активной зоне преобразо­вателя.