Механические (деформационные) датчики

Сорбционные датчики механического (деформационного) типа изменяют свои линейные размеры (длину) в зависимости от изменения влажности воздуха или газа. Наиболее известными и распространенными датчиками этого типа являются волосяные гигрометры, в которых чувствительным элементом является пучок обезжиренных человеческих волос, иногда в качестве чувствительным элементов используют неорганические вещества: капроновые нити, целлофановые пленки и др.

Недостатками приборов данного типа являются: слабые усилия, развиваемые чувствительными элементами; большая инерционность, возрастающая с понижением температуры; наличие гистерезиса и т. д.

Электрические гигрометрические датчики (эгд)

ЭГД изменяют свои электрические свойства в зависимости от изменения влажности воздуха или газов. Выходной величиной ЭГД является тот или иной электрический параметр влагочувствительного элемента, зависящий от влажности окружающей среды.

Широкое применение получили ЭГД, основанные на применении хлористого лития (LiCl), который представляет собой очень гигроскопическую соль. Эти датчики получили распространение под названием электролитические ЭГД.

Конструкции этих датчиков чрезвычайно разнообразны. Наиболее удачная конструкция представляет собой стеклянную шероховатую трубку, на которую наносится водный раствор LiCl, а сверху наматывается винтообразно два проводника – медные или платиновые. Сопротивление электролитической плёнки изменяется в зависимости от влажности окружающего газа и выражается следующей зависимостью:

,

где - длина слоя электролита между электродами; - объём электролита; - удельная проводимость электролита.

Из формулы видно, что изменение сопротивления электролита происходит потому, что при поглощении влаги из воздуха объём электролита увеличивается, а, следовательно, сопротивление датчика уменьшается. В некоторых типах электролитических датчиков используются пластинки из пористого стекла, на обе стороны которых наносится напыление золото, являющееся электродами. В качестве электролита может использоваться не только хлористый литий, но также соли свинца, циркония, натрия, калия, кальция и др. Для придания датчикам лучшей стабильности к солям добавляют некоторые связующие вещества, чаще всего органические плёнки или лаки. Они несколько увеличивают инерционность, однако, значительно улучшают стабильность датчиков. Очень хорош для этих целей желатин. Для устранения явления поляризации измерение сопротивления электролитических датчиков производится исключительно на переменном токе. Наиболее широко используется схема дифференциального омметра переменного тока, приведённая на рис. 4.

Рис. 4.

Измерение сводится к уравновешиванию измеряемого сопротивления Rx переменным сопротивлением Rп. Указателем равновесия служит прибор И. Сопротивление Ro предназначено для настройки схемы на нуль. При этом вместо Rx включают эталонное сопротивление.

Измерение полного сопротивления датчика может быть осуществлено также с помощью мостов переменного тока, которые обеспечивают высокую точность и чувствительность. Однако, измерение больших сопротивлений с уравновешиванием тока по модулю и фазе (за счёт значительных ёмкостей датчика) представляет большие трудности и в практике применяется редко.

Для лабораторных измерений в полевых условиях иногда применяют полупроводниковые мосты постоянного тока. Однако, учитывая наличие поляризации, в их показания вводят поправки по таблицам. В некоторых случаях, учитывая быстроту анализа, эти поправки можно не вводить.

Гигрометр с электрическим подогревом датчика по своему устройству близок к электролитическим ЭГД, однако отличается от них по принципу действия. В подогреваемом датчике проводимость электролита является не выходной величиной, а лишь вспомогательным параметром.

Принципиальная схема такого датчика приведена на рис.5.

Рис. 5. Гигрометр с электрическим подогревом датчика

Работа его заключается в том, что насыщенный раствор хлористого лития или другой соли нагревается до температуры при которой парциальное давление водяного пара над раствором равно парциальному давлению пара в окружающей атмосфере. Следовательно, по принципу действия эти датчики близки к гигрометрам по точке росы.

При подаче напряжения на спираль из серебряной проволоки раствор LiCl нагревается до температуры его кристаллизации и образования твёрдой соли. Образования твёрдой соли приводит к резкому увеличению сопротивления между электродами, ток уменьшается и температура датчика понижается. Понижение температуры происходит до тех пор, пока вследствие поглощения влаги из окружающей среды проводимость раствора между электродами не повысится вновь, что влечёт за собой увеличение тока и повышение температуры датчика. Таким образом, температура датчика автоматически поддерживается на уровне равновесной температуру, соответствующей влажности газовой среды, в которой находится датчик. Вторичный прибор-логометр или мост, градуируется в единицах влажности.

Датчики с электрическим подогревом устойчивы во времени, взаимозаменяемы, обладают большой надёжностью. Однако их недостатком является, что они применимы до температуры газа не выше +100^ОС и не ниже -30^ОС.

Электрические сорбционные датчики с пористыми диэлектриками основаны на использовании изменении их электрических свойств при адсорбции влаги на внутренней поверхности пор.

Одной из распространённых конструкций этих датчиков являются датчики с чувствительным элементом, выполненным из микропористого эбонита с напылёнными металлическими электродами. Сопротивление таких датчиков изменяется в зависимости от влажности окружающего газа. Для увеличения чувствительности эбонит иногда пропитывают хлористым литием. Широкое распространение получили показанные на рис.3 датчики с оксидными плёнками из алюминия.

Рис. 6 ис.6.

Принцип работы таких датчиков состоит в том, что влага из воздуха проникает через графит к оксидной плёнке, которая нанесенной на алюминиевый стержень. Попадая в поры оксидной плёнки, влага меняет её электрическое сопротивление. Сопротивление датчика, как правило, измеряется с помощью приборов, работающих на переменном токе. Оксидные алюминиевые ЭГД представляют значительный интерес ввиду высокой чувствительности, механической прочности, простоты изготовления, а также малой инерционности – менее 1 сек.