ITMI20011910A1 - Sensore di umidita' - Google Patents
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Description
Descrizione dell' invenzione industriale avente per titolo "Sensore di umidità"
Descrizione
La presente invenzione si riferisce ad un sensore di umidità.
Più in particolare, la presente invenzione si riferisce ad un sensore di umidità per la valutazione del tasso di umidità, basato su misure di resistività.
Il sensore di umidità della presente invenzione trova particolare applicazione nel settore del condizionamento, della deumidificazione, delle cappe aspiranti per ottimizzare il funzionamento e ridurre i costi, della visualizzazione ed eventuale regolazione del tasso di umidità relativa in ambienti chiusi o all'interno di termoigrometri digitali o analogici, ecc.
I sensori di umidità sono ben noti e di uso corrente. Essi permettono di misurare l'umidità relativa di un ambiente in base a misure capacitive, coulometriche, gravimetriche, igroscopiche, resistive, ecc.
In particolare, i sensori di umidità basati su misure di resistività fanno riferimento alla variazione della conduttività elettrica di materiali sensibili al tasso di umidità. E' noto, infatti, che la conduttività elettrica di questi materiali varia in modo proporzionale al variare dell'umidità relativa dell'ambiente in cui detti materiali sono esposti.
L'inconveniente principale di tali sensori è che essi non sono molto sensibili alle variazioni di umidità relativa dell'ambiente in cui sono esposti, in quanto una repentina variazione dell'umidità relativa dell'ambiente non comporta una uguale repentina variazione del valore della resistività elettrica.
Inoltre, i sensori noti garantiscono una corretta valutazione del tasso di umidità relativa solo in un ristretto campo di valori e/o di temperature, per cui la loro applicazione è limitata.
Scopo della presente invenzione è quello di eliminare i suddetti inconvenienti dei sensori di umidità noti.
Più in particolare, scopo della presente domanda è quello di provvedere un sensore di umidità, basato sulla variazione della conduttività elettrica di un materiale sensibile al tasso di umidità, che possa essere usato in modo pratico e affidabile entro un ampio intervallo di umidità relativa e un ampio intervallo di temperatura, con elevata velocità di risposta alle variazioni anche repentine del valore dell'umidità.
Un ulteriore scopo della presente invenzione è quello di provvedere un sensore di umidità che, oltre ad avere buone caratteristiche di ripetitività, sia privo di fenomeni significativi di isteresi e sia di facile realizzazione e di costo molto contenuto.
Nel suo aspetto più generale, la presente invenzione permette di ottenere questi ed altri scopi, che risulteranno dalla descrizione che segue, impiegando come materiale sensibile al tasso di umidità, la cui conduttività elettrica varia in funzione dell'umidità relativa, uno strato di ossido di ferro additivato o drogato con almeno un ossido di un metallo alcalino, alcalino-terroso o di transizione.
Forma, pertanto, oggetto della presente invenzione un sensore di umidità basato su misure di conduttività elettrica di un materiale sensibile, la cui conduttività elettrica varia in funzione dell'umidità relativa, in cui detto materiale è costituito da uno strato di ossido di ferro additivato o drogato con almeno un ossido di un metallo alcalino, alcalino-terroso o di transizione.
Esempi di ossidi di un metallo alcalino, alcalino-terroso o di transizione possono essere quelli di litio, sodio, potassio, calcio, magnesio, bario, ecc.
La quantità di ossido di un metallo alcalino, alcalinoterroso o di transizione, aggiunta all'ossido di ferro, non è critica ai fini della presente invenzione e varia in funzione del tipo di ossido o di ossidi metallici di drogaggio impiegati. Generalmente, tale quantità può variare fra 0,01 e 50% in peso rispetto alla miscela totale .
Lo strato di materiale sensibile, costituito da ossido di ferro drogato con almeno un ossido di un metallo alcalino, alcalino-terroso o di transizione, viene depositato sotto forma di film su un substrato di materiale inerte, come, per esempio, ceramica. La deposizione viene effettuata, preferibilmente, mediante la ben nota tecnologia planare serigrafica.
L'ancoraggio dello strato di materiale sensibile al substrato viene assicurato mediante trattamento termico a temperature superiori a 750°C impiegando elettrodi in metallo nobile, come oro.
Sullo strato di materiale sensibile deposto vengono successivamente depositati, preferibilmente mediante la ben nota tecnologia serigrafica, due elettrodi metallici che permettono la misurazione dell'andamento della resistenza elettrica in funzione del tasso di umidità dell'ambiente in cui il sensore è esposto. Anche questi elettrodi sono in materiale nobile, come, per esempio, oro.
Sulla faccia del substrato, opposta a quella in cui è depositato lo strato di materiale sensibile, possono essere applicati, mediante tecnologia serigrafica, uno o più resistori di riscaldamento e/o di controllo termico. Tali resistori sono regolati in modo da riscaldare il sensore ad una temperatura compresa fra 100°C e 500°C. Questo trattamento termico permette la pulizia, mediante evaporazione, decomposizione o combustione, della superficie esposta degli strati di materiale sensibile da eventuali impurezze solide, liquide o gassose adsorbite in superficie, e, nello stesso tempo, garantisce il ripristino periodico delle condizioni iniziali di purezza.
Ai resistori possono essere associati elementi per la rilevazione della temperatura, come per esempio termoresistenze a coefficiente di temperatura positivo o negativo, applicati mediante tecnologie serigrafiche note. Uno strato isolante di rivestimento può essere applicato su detta faccia provvista di resistori di riscaldamento ed, eventualmente, di elementi di rilevazione della temperatura .
Le caratteristiche costruttive e funzionali del sensore di umidità della presente invenzione possono essere meglio comprese dalla descrizione che segue in cui si fa riferimento alle figure dei disegni allegati che ne rappresentano una forma di realizzazione data solo a scopo illustrativo, esemplificativo ma non limitativo, ed in cui: La figura 1 rappresenta la vista schematica frontale di una faccia del sensore di umidità della presente invenzione su cui sono depositati lo strato di materiale sensibile e gli elementi metallici di contattazione;
la figura 2 rappresenta la vista schematica di una sezione della faccia del sensore di umidità della figura 1 ottenuta con un piano passante lungo la linea A-A;
la figura 3 rappresenta la vista schematica frontale dell'altra faccia del sensore di umidità della figura 1, in cui sono depositati i resistori di riscaldamento ed, eventualmente, gli elementi di rilevazione della temperatura;
la figura 4 rappresenta la vista schematica di una sezione dell'altra faccia del sensore di umidità della figura 3 ottenuta con un piano passante lungo la linea B-B;
la figura 5 riporta il diagramma della variazione del valore della resistività elettrica in funzione dell'umidità relativa per diverse temperature ottenuto con il sensore di umidità illustrato nelle precedenti figure da 1 a 4, e la figura 6 riporta il diagramma della variazione del valore della resistività elettrica a seguito di una variazione repentina del tasso di umidità, a temperatura costante, ottenuto con il sensore di umidità illustrato nelle precedenti figure da 1 a 4.
Con particolare riferimento alle figure 1 e 4, il sensore di umidità della presente invenzione comprende un substrato 1 di materiale ceramico contenente su una faccia 1' uno strato 2 di ossido di ferro drogato con il 5% in peso di ossido di potassio, deposto mediante tecnologia planare serigrafica .
Lo strato 2 di ossido viene successivamente trattato a 900°C per un'ora mediante elettrodi in oro, allo scopo di assicurare il suo ancoraggio al substrato 1.
In contatto con lo strato di ossido 2 sono disposti due elettrodi 3' e 3" in oro connessi ad un circuito elettronico 4 per la misurazione della resistività elettrica tra i due elettrodi 3' e 3".
Sull'altra faccia opposta 1" del substrato 1 viene fissato un attuatore di riscaldamento, indicato nel suo insieme con 5, predisposto per permettere la pulizia della superficie dello strato di ossido 2 tramite evaporazione, decomposizione e/o combustione di eventuali impurezze assorbite e, quindi garantire il ripristino periodico delle condizioni iniziali ottimali.
Tale attuatore 5 comprende uno o più resistor! di riscaldamento e/o di controllo termico (6), applicati mediante tecnologia serigrafica sulla faccia (1") del substrato (1) opposta a quella contenente lo strato di ossido 2, e elementi di contattazione 7' e7''. Tali resistori (6) sono regolati in modo da riscaldare il sensore ad una temperatura compresa fra 100°C e 500°C.
Uno strato 8 di materiale inerte o elettricamente isolante viene applicato a copertura su detta faccia 1".
Per evitare interferenze elettriche il resistore di riscaldamento 6 viene isolato elettricamente dallo strato di ossido 2.
Gli elementi di contattazione 7' e 7'' del resistore di riscaldamento 6 e gli elettrodi 3' e 3" dello strato di ossido 2 sono collegati ad una unità elettronica di alimentazione, rilevazione e controllo 9. Tale unità 9 fornisce una alimentazione tale da evitare fenomeni di polarizzazione, rileva ed elabora il segnale proveniente dallo strato di ossido 2 e nel contempo fornisce l'alimentazione all'attuatore del riscaldamento 5.
Il sensore può' essere incorporato in un corpo di protezione predisposto per essere installato a guisa di sonda.
Nel funzionamento la resistività misurata tra i due elettrodi 3' e 3" tramite l'unità elettronica 9 è indicativa dell'umidità relativa dell'ambiente di esposizione .
Il diagramma riportato in figura 5 mostra il comportamento omogeneo, ripetitivo e costante del sensore di umidità della presente invenzione alle varie temperature.
Il diagramma di figura 6 evidenzia l'elevata velocità di risposta (circa 8 sec.) del sensore della presente invenzione alle variazioni di umidità relativa, senza significativi fenomeni di isteresi.
Sebbene la presente invenzione sia stata sopra descritta ed illustrata con riferimento ad una sua possibile realizzazione, data a solo scopo illustrativo ed esemplificativo ma non limitativo, vari cambiamenti e modifiche possono essere effettuati da uno esperto del settore alla luce degli insegnamenti che possono essere tratti dalla descrizione sopra esposta. E', pertanto, evidente che la presente invenzione intende abbracciare tutti i cambiamenti e modifiche che entrano nello spirito e nell'ambito protettivo delle seguenti rivendicazioni.
Claims (1)
- RIVENDICAZIONI l.Un sensore di umidità basato su misure di resistività di un materiale sensibile la cui conduttività elettrica varia in funzione dell'umidità relativa, caratterizzato dal fatto che detto materiale sensibile è ossido di ferro additivato o drogato con almeno un ossido di un metallo alcalino, alcalino-terroso o di transizione. 2.11 sensore di umidità secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la quantità di ossido di un metallo alcalino, alcalino-terroso o di transizione aggiunta all'ossido di ferro è compresa fra 0,01 e 50% in peso della miscela. 3.11 sensore di umidità secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che l'ossido di un metallo alcalino, alcalino-terroso o di transizione è scelto fra gli ossidi di litio, sodio, potassio, calcio, magnesio e bario. 4.11 sensore di umidità secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che esso comprende un substrato (1) di materiale ceramico contenente su una faccia (1') uno strato (2) di ossido di ferro drogato con almeno un ossido di un metallo alcalino, alcalino-terroso o di transizione, e due elettrodi (3', 3") in metallo nobile, disposti a contatto con detto strato (2) e connessi ad un circuito elettronico (4) per la misurazione della resistività elettrica tra i due elettrodi (3', 3"). 5.11 sensore di umidità secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che lo strato di ossido di ferro drogato con almeno un ossido di un metallo alcalino, alcalino-terroso o di transizione viene sottoposto ad un trattamento termico a temperature superiori a 750°C, impiegando elettrodi in metallo nobile, per assicurare il suo ancoraggio al substrato (1). 6.11 sensore di umidità secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che l'altra faccia opposta (1") del substrato (1) è provvista di un attuatore di riscaldamento (5) per la pulizia della superficie dello strato di ossido (2) tramite evaporazione, decomposizione e/o combustione di eventuali impurezze assorbite. 7.11 sensore di umidità secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che 1'attuatore di riscaldamento (5) comprende uno o più resistori di riscaldamento e/o di controllo termico (6) e elementi di contattazione {!' e 7''); detti resistori di riscaldamento e/o di controllo termico (6) essendo regolati in modo da riscaldare il sensore ad una temperatura compresa fra 100°C e 500°C. 8.11 sensore di umidità secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che gli elementi di contattazione (7' e 7'') del resistore di riscaldamento (6) e gli elettrodi (3', 3") dello strato di ossido (2) sono collegati ad una unità elettronica di alimentazione, rilevazione e controllo (9). 11 sensore di umidità secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che lo strato di ossido (2) e i resistor! di riscaldamento e/o di controllo termico (6) sono applicati mediante tecnologia serigrafica. .11 sensore di umidità secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che la faccia (1'') del substrato (1) provvista dell' attuatore di riscaldamento (5) è coperta da uno strato 8 di materiale inerte o elettricamente isolante.
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