литература / Sharapov_V._Datchiki

Глава 17. Датчики влажности

На рис. 17.11 показан конденсационный гигрометр, снабженный фотоприемником отраженного светового потока, кольцевым зеркалом и световой ловушкой. При охлаждении зеркала до момента выпадения конденсата световой поток, формируемый осветительной лампой и объективом, отразившись от поверхности зеркала, проходит через отверстие фотоприемника и попадает в светоловушку, где происходит полное гашение светового потока. На светочувствительный слой фотоприемника световые лучи не попадают.

При выпадении влаги на охлаждаемом зеркале изменяются условия отражения светового потока. При этом световые лучи перекрывают зеркало и, отразившись, попадают на светочувствительный слой фотоприемника. Пороговое увеличение фототока на выходе датчика характеризует момент выпадения росы на зеркале.

Одним из путей повышения чувствительности измерения при выпадении росы является резкое ослабление светового потока, падающего на фотоприемник, при многократном отражении лучей от параллельных зеркал (рис. 17.12).

При использовании в качестве конденсационного зеркала световода (рис. 17.12, б), охлаждаемого термоэлектрическим охладителем, луч света, также как в предыдущем случае, испытывает внутри световода многократное полное внутреннее отражение при отсутствии конденсата на конденсационной поверхности световода. При выпадении конденсата часть светового потока преломляется на границе двух сред — стекла и воды — и уходит из световода, а на

Рис. 17.12. Схемы конденсационных гигрометров: а — с параллельными зеркалами (1 — осветительная лампа; 2 — объектив; 3, 4 — зеркала; 5 — смотровое стекло; 6 — фоторезистор); б — с охлаждаемым световодом (1 — осветительная лампа; 2 — объектив; 3 — рабочая камера; 4 — конденсационная поверхность; 5 — световод; 6 — фоторезистор; 7 — охлаждающее устройство)

17.4. Методы измерения влажности газов

фотоприемник приходит резко ослабленный световой поток. Для уменьшения влияния примесей, содержащихся в анализируемом газе, на отражение и преломление светового пучка в световоде гигрометр снабжается узлом отклонения светового пучка.

Для повышения точности контроля температуры конденсации на рабочую поверхность световода наносят прозрачный термочувствительный слой. В местах отражения света от поверхности световода остаются непокрытые участки поверхности. Использование термочувствительного слоя, нанесенного на конденсационную поверхность, позволяет устранить ошибку измерения, связанную с существованием градиента температур на конденсационной поверхности.

Для уменьшения теплоемкости конденсационное зеркало выполняется многослойным (рис. 17.13) в виде пленок, разделенных тонким слоем оксидной изоляции. При этом понижается градиент температур между термометром сопротивления и зеркалом.

дильник; 10 — коммутационные пластины

Повышение точности измерения предполагается также достигнуть путем уменьшения градиента температур между поверхностью зеркала и охлаждаемым газом.

Для этого измерительная камера выполняется в виде цилиндра внутри холодопровода. Внутренняя поверхность цилиндра представляет собой конденсационное зеркало.

Среди выпускаемых гигрометров точки росы следует отметить отечественный конденсационный беззеркальный гигрометр АГК-210 для автоматического контроля абсолютной влажности воздуха в диапазоне от ­29 до +50 °С с основной абсолютной погрешностью точки росы ±0,5 °С [6—9].

Принцип действия этого гигрометра заключается в поддержании термогигрометрического равновесия на поверхности охлаждаемого влагочувствительно-

Глава 17. Датчики влажности

го элемента, выполненного в виде двух палладий-серебряных электродов, вмонтированных в диэлектрик. Охлаждение датчика осуществляется термоэлектрическим охладителем и контролируется платиновым термометром сопротивления, расположенным под рабочей поверхностью датчика. Выпадение конденсата фиксируется на участке между электродами по появлению проводимости.

Кулонометрический метод

Кулонометрический метод основан на поглощении влаги из точно дозируемого потока газа и ее электролитическом разложении на водород и кислород. О количестве влаги в газе судят по величине тока электролиза [5].

Чувствительный элемент кулонометрического гигрометра представляет собой пластмассовую или фторопластовую трубку, в которой размещены два металлических геликоидальных электрода (рис. 17.15). Между электродами нанесен сорбент — тонкий слой частично гидратированного пентаоксида фосфора Р2О5. Если через чувствительный элемент проходит газ, то влага поглощается сорбентом и происходит ее электролиз, в результате чего возможна реакция

2Н2О ; О2 + 2Н2.

Продукты электролитического разложения влаги — кислород и водород выносятся из чувствительного элемента обезвоженным потоком газа. При обеспечении полноты поглощения влаги из газа электрический ток, необходимый для ее разложения, пропорционален концентрации влаги в газе.

В установившемся режиме работы чувствительного элемента количество поглощенной и разложенной в единицу времени влаги практически равно, при этом ток электролиза, измерен-

ный микроамперметром, включенным последовательно с чувствительным элементом, является точной мерой концентрации влаги в анализируемом газе.

Кулонометрический метод является одним из наиболее перспективных методов определения микроконцентраций влаги в сжатых газах, его точность зависит главным образом от точности измерения тока электролиза и расхода газа.

Величина тока электролиза на единицу концентрации влаги (мкА/млн-1) определяется формулой

где Р — барометрическое давление воздуха в условиях измерения, мм рт. ст.; Q — расход газа через чувствительный элемент, см3/мин; Р0 — барометрическое давление воздуха на уровне моря на широте 45°, мм рт. ст.; tи — температура газа в условиях измерения, °С.

17.4. Методы измерения влажности газов

Благодаря высокой точности измерения при малых влагосодержаниях и простоте конструктивного исполнения кулонометрические гигрометры получили широкое распространение в промышленности. На рис. 17.16 показана газовая схема переносного кулонометоического гигрометра.

Рис. 17.16. Газовая схема переносного кулонометрического гигрометра: 1 — штуцер «Вход газа»; 2 — фильтр грубой очистки; 3 — редуктор; 4 — фильтр тонкой очистки; 5 — рабочий чувствительный элемент; 6 — контрольный чувствительный элемент; 7 — переключатель дросселей; 8 — регулятор расхода газа; 9 — пневмотумблер; 10 — дроссель; 11 — предохранительный клапан

Кулонометрические гигрометры «Байкал» представляют собой автоматические, непрерывно действующие приборы, предназначенные для измерения и регистрации объемной доли влаги в газах (азоте, воздухе, водороде, кислороде, инертных газах и их смесях, не взаимодействующих с Р2О5).

За рубежом кулонометрические гигрометры разрабатывают и выпускают фирмы Elliot Process Automation (Англия) — портативные приборы типа «26-303» и др. (0—10; 0—100 млн-1), Сrau (ФРГ) — приборы Hygrostor (0—10, 0—100, 0—1000 и 0—10000 млн-1), Dowpount Hygrometer (США) и др. [5].

Сорбционно-частотный метод

В гигрометрах, построенных на основе сорбционно-частотных методов, в качестве датчика влажности используется пьезоэлемент, например кристалл кварца, покрытый пленкой сорбента. В качестве сорбентов используются тонкопористые материалы — цеолиты оксид алюминия, полиамид, полиэтиленгликоль. Датчик влажности размещается в потоке анализируемого газа, при этом пьезоэлемент включен в схему колебательного контура Принцип действия сорбционно-частотного гигрометра основан на измерении резонансной частоты колебания пьезоэлемента, зависящей от массы пленки сорбента, которая в свою очередь зависит от влажности анализируемого газа.

Исследованиями [5] показана перспективность создания гигрометров, в том числе образцовых, на базе сорбционно-пьезорезонансных элементов и цифровых измерительных устройств. Такое направление разработок соответствует общей тенденции использования в последнее десятилетие пьезорезонансных чувствительных элементов в измерительной технике [5].

Глава 17. Датчики влажности

На основе разработанного фирмой Du Pont (Франция) датчика влажности с кварцевым кристаллом выпускаются анализаторы влажности газов модели 560 и 5600. Эти гигрометры предназначены для измерения содержания влаги в потоке газа по изменению частоты колебаний гигроскопически чувствительного кристалла кварца, который попеременно находится в потоке сухого и влажного газа. Подводимый к гигрометру газ разделяется на две линии — линию анализа и контрольной линии, газ проходит через осушитель, где из него извлекается практически вся влага (рис. 17.17).

Рис. 17.17. Газовая схема анализатора влажности Du Pont модели 560 (5600): 1 — штуцер «Вход газа»; 2 — ловушка; 3 — осушитель первой ступени; 4 — осушитель-второй ступени; 5, 14 — фильтры; 6, 13, 17 — вентили; 7, 12, 16 — переключатели газов; 8 — манометр; 9 — регулятор давления; 10 — ротаметр; 11 — чувствительный элемент; 15 — генератор влажности

Для увеличения надежности и срока службы датчика контрольный газ очищается от загрязнений, в частности компрессорных масел, в специальной ловушке, устанавливаемой перед осушителем (чистый контрольный газ может подаваться на датчик и от отдельного источника). Кроме этого используют так называемый асимметричный цикл подачи на датчик анализируемого газа — 30 с (модель 560) и 9,5 мин (модель 5600). При прохождении анализируемого газа через датчик в течение 30 с гигроскопическое покрытие кристалла кварца поглощает влагу, в результате чего изменяется частота колебаний кристалла. При этом в гигрометре измеряется разность частот колебаний Дн1 измерительного кварцевого кристалла и герметичного кварцевого генератора, а затем измеряется разность частот колебаний Дн2 этих кристаллов при подаче сухого контрольного газа.

Разность Дн3 = Дн2 ­ Дн1 пропорциональна количеству влаги, сорбированному из анализируемого газа в течение 30-секундного цикла, и преобразуется

ввыходной сигнал в цифровой форме.

Вгигрометрах предусмотрено устройство для вывода аналогового выходного сигнала 4—20 мА. К приборам может быть подключен ленточный регистратор.

17.4. Методы измерения влажности газов

Одной из отличительных особенностей анализатора влажности Du Pont является наличие встроенного в прибор генератора влажности, который позволяет осуществить быструю проверку калибровки и соответствующую регулировку прибора.

Откалиброванный газ представляет собой анализируемый газ с заданным содержанием влаги, создаваемым в генераторе влажности.

Среди гигроскопических гигрометров можно отметить также волосяные, пленочные, с токопроводящей пленкой и емкостные. В первых двух обезжиренный волос или специальные пленки служат чувствительными элементами. При изменении влажности происходит изменение их длины, что преобразуется в показания приборов.

Современные датчики влажности изготовляют методами полупроводниковой технологии на подложках из кремния, ситалла и др.

Пример резистивного датчика влажности показан на рис. 17.18.

Рис. 17.18. Резистивный датчик влажности (гигристор): 1 — подложка; 2, 3 — электроды; 4, 5 — выводы

На подложке 1 из ситалла нанесены гребенчатые электроды 2, 3 (Al, Ni и др.). Сверху электродов наносится слой гигроскопичного материала с низким удельным сопротивлением. В качестве пленки для гигристоров используют LiCl, полистирол, обработанный серной кислотой, твердые полиэлектролиты и др. [24].

Емкостные датчики влажности могут быть изготовлены на подложке из кремния n-типа, на поверхности которого создается слой изолятора в виде SiO2, а на него наносятся, как и в предыдущем случае, два гребенчатых электрода из алюминия, хрома или других проводящих материалов. Толщина электродов — 0,2—0,3 мкм [16, 18, 19].

На верхнюю часть наносится слой диэлектрика (SiO2, осажденная из газовой фазы, фосфорное силикатное стекло и др.).

Часто на этой же поверхности подложки наносится один или два терморезистора. Некоторые конструкции датчиков влажности можно найти в [16—18, 20, 21], а сведения о выпускаемых серийно в [25—27].

Недостаток всех гигроскопических методов — влияние химически активных примесей и взвешенных частиц (пыли) в анализируемом газе на свойства сорбента влаги.

Глава 17. Датчики влажности

Литература

1.А. с. 1224698.СССР. Влагомер для сыпучих материалов/ И. Г. Минаев, А. В. Ивашина / Заяв. 27.08.84. Опубл. 15.12.85. Б.и. № 14, 1986.

2.А.с. 1516931. СССР. Влагомер для сыпучих материалов/ И.Г. Минаев, А.В. Ивашина / Заяв. 25.01.88. Опубл. 23.10.89. Б.и. № 39, 1989.

3.А.с. 1670561. СССР. Способ измерения диэлектрической проницаемости сыпучих материалов/ И.Г. Минаев, А.В. Ивашина/ Заяв. 12.12.88. Опубл. 15.04.91. Б.и. 1991,

№30.

4.А.с. 1125530. СССР. Емкостной датчик диэлектрических свойств газообразных и жидких сред/ И.Г. Минаев, О.В. Реброва/ Заяв. 31.05.83. Опубл. 23.11.84. Б.и. 1984,

№43.

5.Байбаков Ф.Б., Шарапов В.М. Контроль примесей в сжатых газах. – М.: Химия, 1989. – 160 с.

6.Берлинер М.А. Измерение влажности. – М.: Энергия, 1973. – 400 с.

7.Ваня Я. Анализаторы жидкостей и газов. – М.: Энергия, 1970. – 552 с.

8.Виглеб Г. Датчики: устройство и применение: Пер. с нем. – М.: Мир, 1989. – 196 с.

9.Гордон В.А. Газоанализаторы. – М.: Машиностроение, 1975. – 296 с.

10.ГОСТ 8.547 – 2009. ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерения влажности газов.

11.ГОСТ 29027 – 91. Влагомеры твердых и сыпучих веществ. Общие технические требования и методы испытаний.

12.ГОСТ 8.442 – 81. ГСИ. Влагомеры нейтронные. Методы и средства поверки.

13.ГОСТ 23061 – 90. Методы радиоизотопных измерений плотности и влажности.

14.ГОСТ 23422 – 87. Материалы строительные. Нейтронный метод измерения влажности.

15.Готра З.Ю., Ильницкий Л.Я., Полищук Е.С. и др. Датчики: Справочник / Под ред. З.Ю. Готры и О.И.Чайковского. – Львов: Каменяр, 1995 – 312 с.

16.Джексон Р. Новейшие датчики. – М.: Техносфера, 2007.

17.Зимина Т., Лучинин В.В., Корляков А. Микроаналитическая лаборатория на чипе.

– М.: Техносфера, 2007.

18.Измерения в промышленности. Справ. изд. В 3-х кн. Способы измерения и аппаратуры: Пер. с нем./ Под ред. Профоса П. – 2-е изд., перераб.и доп. – М.: Металлургия, 1990, — 344 с.

19.Коллеров Д.К. Метрологические основы газоаналитических измерений. – М.: Комитет стандартов, 1967. – 395 с.

20.Леончик Б.И., Малкин В.И. Измерение в дисперсных потоках. – М.: Энергоиздат, 1981. – 182 с.

21.Полищук Е.С. Измерительные преобразователи. – Киев: Вища школа. 1981. — 296 с.

22.Туричин А. М. Электрические измерения неэлектрических величин. – М.-Л.: Госэнергоиздат, 1959. – 684 с.

23.Экнадиосянц О.К. Получение аэрозолей// Физические основы ультразвуковой технологии. Т. 3. Физика и техника мощного ультразвука / Под ред. Розенберга Л.Д. – М.: Наука, 1970. — 300 с

24.Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник. – М.: Техносфера, 2005. – 592 с.

25.www.compel.ru

26.www.sensorica.ru

27.www.sktbelpa.ru

ГЛАВА 18

ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ

18.1.Параметры и характеристики приемников оптического излучения

Элемент или устройство, предназначенное для приема и преобразования энергии оптического излучения в какие-либо другие виды энергии (электрическую, тепловую, энергию химических процессов, энергию нервных импульсов и т.д.), называют приемником оптического излучения (ПИ). Приемники, преобразующие невидимые рентгеновское, ультрафиолетовое или инфракрасное изображения в видимые, называют преобразователями.

ПИ являются важнейшими элементами в оптических приборах (ОП) или оптико-электронных приборах (ОЭП), так как ОП непосредственно работает на ПИ — глаз или фоточувствительные слои, а в ОЭП осуществляют связь между оптической и электрической частями прибора, предопределяя технические требования к конструированию ОЭП в целом.

Параметры и характеристики приемников излучения

Технические свойства приемников излучения и эффективность использования их в оптико-электронных приборах оценивают при помощи системы параметров и характеристик.

Параметр характеризует определенное свойство приемника и служит критерием оценки его качества при работе в определенных условиях. Параметр можно измерить или вычислить по данным измерений других величин.

Характеристика — это зависимость, описывающая изменение какого-либо параметра ПИ при изменении внешних факторов. Характеристику можно выразить формулой, графиком или таблицей. К основным параметрам ПИ, согласно ГОСТ 21934-83, относят:

1.Параметры чувствительности ПИ: интегральная токовая чувствитель-

ность Sинт в А/Вт или в А/лм (или вольтовая в V/Вт, V/лм) характеризует сам ПИ — это его реакция на суммарный поток излучения источника паспортиза-

ции; интегральная токовая чувствительность SI и интегральная вольтовая чувствительности SV учитывают рекомендованную схему включения ПИ; монохроматическая чувствительность S л — реакция ПИ на монохроматический поток; импульсная чувствительность Sимп — отношение амплитудных значений импульсов фотосигнала в цепи ПИ и потока излучения; коэффициент использования потока излучения (КПД приемника) Ω показывает, какую долю в спектре излучения источника приемник превращает в электрический (или не электрический) сигнал.

2.Пороговые и шумовые параметры ПИ: ток шума Iш; напряжение шума Vш;

пороговый поток в заданной полосе Фп; пороговый поток в единичной полосе

Глава 18. Приемники излучения

Фп1; удельный пороговый поток Фп*; обнаружительная способность D; удельная обнаружительная способность D*; радиационный пороговый поток Фр.п; квантовая пороговая чувствительность Фp п.

3.Временные параметры ПИ: собственная постоянная времени ; гранич-

ная частота модуляции fгр; темновое сопротивление приемника Rт; динамическое сопротивление RD; емкость приемника С.

4.Спектральные параметры ПИ: максимум спектральной характеристи-

ки max; коротковолновая граница спектральной чувствительности 9; длинноволновая граница спектральной чувствительности 99.

5.Эксплуатационные параметры ПИ: рабочее напряжение фотоприемни-

ка Vр; максимально допустимая рассеиваемая электрическая мощность Pmax; температурный коэффициент фототока т; нестабильность параметров при эксплуатации.

Параметры ПИ. Чувствительностью приемника называют отношение изменения измеряемой электрической (или не электрической) величины, вызванного падающим на фотоприемник излучением, к количественной характеристике этого излучения в заданных эксплуатационных условиях. В зависимости от того, в какой системе фотометрических величин характеризуется воздействующее на приемник излучение, различают:

1)чувствительность к потоку излучения SФe,

2)чувствительность к световому потоку SФ ,

3)чувствительность к облученности SEe или освещенности SE ,

4)в зависимости от спектрального состава регистрируемого приемником

излучения различают интегральную Sинт и монохроматическую S чувствительности.

Существуют также статическая чувствительность, определяемая отношением постоянных значений, измеряемых на выходе и на входе приемника величин, и дифференциальная, определяемая отношением малых приращений этих величин. Иногда употребляют понятие «удельная чувствительность ПИ», которая представляет собой чувствительность, отнесенную к напряжению питания в 1 В.

При экспериментальном определении чувствительности ПИ оговаривают частоту и форму модуляции, потока излучения и форму выходного сигнала, так как от них зависит чувствительность.

Чувствительность ПИ к немонохроматическому (сложному) потоку излучения заданного спектрального состава называют интегральной (А/Вт; А/лм; А/лк и т.д.). Так, для приемников с внешним фотоэффектом Sинт= I / Ф [A / Вт] для фоторезисторов Sинт R = RФ / RФ Ф [Ξ / Вт]. Внешняя схема включения не должна существенно влиять на результаты измерений. Так как Sинт — величина паспортная и относится к определенному источнику, для другого (не паспортного) источника ее надо пересчитывать [1].

В качестве паспортных источников ГОСТ 17772-79 рекомендует: светоизмерительную лампу накаливания при цветовой температуре Тцв = 2856 ± 100 К (источник типа А по ГОСТ 8023-74) для приемников, чувствительных в видимой области спектра; полный излучатель (черное тело) с температурой полости 500 ± 2К и полный излучатель с температурой полости 1273 ± 15К по ГОСТ 8.196-76 для приемников, чувствительных в ИК-области спектра.

18.1. Параметры и характеристики приемников оптического излучения

Импульсной чувствительностью ПИ называют отношение амплитудного значения фототока (напряжения) фотосигнала, вызванного падающим на фотоприемник импульсным излучением, к амплитудному значению потока излучения при заданной его форме.

Пороговые и шумовые параметры ПИ. Помимо полезного регулярного сигнала в выходной цепи приемника наблюдается хаотический сигнал со случайными амплитудой и частотой — шум приемника. На фоне шума становятся неразличимыми малые полезные сигналы, т.е. шум ограничивает возможности приемника излучения. Ток шума (напряжение шума на нагрузке) фотоприемника возникает из-за внешних и внутренних причин: воздействие тепла, тока фотоприемника, фотонный характер излучения и т.д. Так как шумы (флуктуации) — процессы случайные, их описывают такими характеристиками, как математическое ожидание (средний уровень шума), среднеквадратичное значе-

ние или дисперсия тока (напряжения) — I тш2 ;Vтш2 шума.

Дисперсия. Распределение шума по спектру определяют спектральной плотностью шума (дисперсией), приходящейся на единицу полосы частот. Если спектральная плотность шума одинакова и не зависит от частоты, то такой шум называют «белым».

Током шума ПИ Iш называют среднеквадратичное значение флуктуации тока, протекающего через фотоприемник в указанной полосе частот, напряжением шума Vш — среднеквадратичное значение флуктуации напряжения на заданной нагрузке в цепи фотоприемника в указанной полосе частот.

Пороговым потоком ПИ в заданной полосе частот усилительного тракта Фп [Вт] (порогом чувствительности приемника в заданной полосе) называют среднеквадратичное значение действующего на фотоприемник синусоидально-мо- дулированного потока излучения источника сигнала с заданным спектральным распределением, при котором среднеквадратичное значение фототока (фотонапряжения на нагрузке) равно среднеквадратичному значению напряжения (тока) шума в заданной полосе частот (ГОСТ 19852-74):

п Vш2 / SV ,

п I ш2 / SI .

Для фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) или фотоэлементов (ФЭ) на внешнем фотоэффекте — Фп называют поток излучения, который, падая на фотокатод, создает на выходе ФЭУ или ФЭ сигнал, равный среднеквадратичному значению напряжения шумов темнового анодного тока, измеренного в определенной полосе частот эквивалентом шума темнового анодного тока ФЭУ или ФЭ. Оба эти понятия используются при рассмотрении параметров различных ПИ.

Для сравнения пороговых потоков ПИ, снятых аппаратурой с различной полосой пропускания и имеющих разные по площади приемные площадки, вводят понятие порогового потока в единичной полосе частот и удельного порогового потока.

Пороговым потоком ПИ в единичной полосе частот Фп1 (Вт/Гц1/2) (порогом чувствительности приемника в единичной полосе частот) называют среднеквадратичное значение действующего на ПИ синусоидально-модулированного по-