PL223753B1 - Sposób wyznaczania względnej wilgotności gazu - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wyznaczania względnej wilgotności gazu oparty na wykorzystaniu charakterystyk czasowych zmian prądu fotoprzewodnictwa zmierzonych dla żelu jodosiarczku antymonu (SbSI).

Sposoby wyznaczania względnej wilgotności gazu bazują m.in. na pomiarach zmian długości włosów ludzkich, zwierzęcych lub włókien syntetycznych pod wpływem zmian wilgotności (higrometry włosowe), pomiarach zmian pojemności elektrycznej lub przewodności elektrycznej określonego materiału sensorowego zachodzących w wyniku pochłaniania wilgoci z otoczenia (higrometry oporowe, higrometry pojemnościowe), pomiarach temperatury punktu rosy i temperatury otoczenia (higrometry z chłodzonym lustrem), pomiarach tzw. różnicy psychrometrycznej - różnicy wskazań termometru suchego i mokrego (psychrometry). Higrometry włosowe obarczone są takimi wadami jak: występowanie zjawiska histerezy, zakres stosowania ograniczony do temperatury 50°C, konieczność okresowej regeneracji oraz okresowego sprawdzania i regulacji. Z kolei wykorzystanie higrometrów pojemnościowych limituje ograniczona odległość elementu pomiarowego od układu przetwarzania sygnału. Wynika to z faktu występowania pasożytniczych pojemności przewodów łączących, które mogą wpływać na wyniki pomiarów ze względu na stosunkowo małe zmiany pojemności samego czujnika. Higrometry z chłodzonym lustrem cechuje duży koszt, stąd też ich zakres zastosowań sprowadza się głównie do wykorzystania w laboratoriach pomiarowych jako wzorce. Podstawową wadą psychrometrów jest rosnący błąd wyznaczenia wilgotności dla niższych temperatur. Poniżej temperatury -10°C błąd odczytu o 0,1°C powoduje niepewność wskazania osiągającą co najmniej 6% (tym większą im niższa temperatura).

Sposób według wynalazku polega na tym, że rejestruje się charakterystykę fotoprzewodnictwa żelu jodosiarczku antymonu (SbSI) od czasu przy kolejnym włączeniu i wyłączeniu oświetlenia, uzyskane w ten sposób wyniki aproksymuje się zależnością teoretyczną, po czym dla kombinacji wartości współczynników tej aproksymującej zależności określa się względną wilgotność gazu korzystnie azotu na podstawie interpolacji półlogarytmicznej zależności kalibracyjnej, natomiast pomiary prowadzi się w temperaturze niższej od 290 K.

Korzystnie pomiary prowadzi się stosując oświetlenie fotonami o energii większej od szerokości przerwy energetycznej jodosiarczku antymonu.

Korzystnie pomiary prowadzi się, stosując oświetlenie o natężeniu co najmniej 6 · 10 foto₂ nów/(m s).

Korzystnie półlogarytmiczną zależność kalibracyjną wyznacza się dla danej próbki żelu SbSI poprzez rejestrację przy różnych względnych wilgotnościach danego gazu, korzystnie azotu charakterystyk fotoprzewodnictwa od czasu przy kolejnym włączeniu i wyłączeniu oświetlenia, uzyskane w ten sposób wyniki aproksymuje się zależnością teoretyczną a kombinację współczynników tej aproksym ującej zależności czasowej opisuje się zależnością półlogarytmiczną w skali zadanych względnych wilgotności gazu, korzystnie azotu.

Zaletą takiej metody wyznaczania względnej wilgotności gazu jest wysoka czułość. Przy zmianie wilgotności o 40% wartość kombinacji współczynników aproksymującej zależności czasowej fotoprzewodnictwa żelu SbSI zmienia się o cztery rzędy wielkości.

P r z y k ł a d

Próbkę hydrożelu SbSI przygotowaną w postaci prostopadłościanu zaopatrzono w kontakty elektryczne wykonane pastą srebrną. Naniesiono je na przeciwległe ścianki próbki o najmniejszej powierzchni. Kontakty wykazywały omowość w zakresie przykładanych pól elektrycznych. Wymiary geometryczne próbki wynosiły: 5,70(1) mm x 6,52(1) mm x 3,45(1) mm. Próbka została umieszczona w komorze próżniowej. Regulacja temperatury się próbki odbywała się dzięki wykorzystaniu stolika roboczego, którego budowa umożliwiała przepływ przez niego cieczy roboczej z termostatu HAAKE DC30 z chłodziarką HAAKE K20 firmy Thermo Scientific oraz modułu Peltiera kontrolowanego za pomocą sterownika PRG RS H100 firmy Peltron GmbH. Temperatura próbki kontrolowana była za pomocą monitora temperatury 211 firmy Lake Shore i oporowego czujnika temperatury Pt100 zamontowanego w jej pobliżu. Podczas pomiarów próbkę chłodzono do temperatury 280 K. Wilgotność wewnątrz komory była kontrolowana za pomocą sterownika ES-2300 (wyprodukowanego przez ElektroSystem) współpracującego z czujnikiem STH75 firmy Sensirion. Do badań wykorzystano azot o czystości 5,0 dostarczony przez firmę SIAD, Przed wtłoczeniem azotu do komory pomiarowej nasycano go parą wodną, przepuszczając go przez podgrzewany pojemnik zawierający wodę destylowaną.

PL 223 753 B1

Ciśnienie wewnątrz komory wynosiło 4-10⁴ Pa (400 mbar). Pomiar ciśnienia odbywał się za pomocą próżniomierza Alcatel ACC 1001 współpracującego z kontrolerem próżniomierzy ACM 1000 firmy Alcatel. Wilgotny azot po zakończeniu pomiarów usuwany był z komory poprzez jej odpompowanie za pomocą pompy turbomolekularnej TW70H (wyprodukowanej przez firmę Prevac). Pomiary natężenia prądu fotoprzewodnictwa wykonano za pomocą elektrometru Keithley 6517A, połączonego magistralą IEEE-488 z komputerem. Wyniki pomiarów były rejestrowane za pomocą programu komputerowego. Podłączenie próbki do układu pomiarowego, rejestrowanie sygnałów z czujnika wilgotności i czujnika Pt100 umieszczonych wewnątrz komory umożliwiał próżniowy przepust elektryczny posiadający 12 punktów kontaktowych. Próbkę oświetlano światłem o długości fali 488 nm (odpowiadającej energii 2,54 eV) emitowanym przez laser argonowy Reliant 50s firmy Laser Physics o mocy 50 mW. Światło wprowadzono do komory poprzez zastosowanie próżniowego przepustu światłowodowego. Wewnątrz komory do przepustu światłowodowego przykręcono światłowód zakończony soczewką. Światłowód ten posiadał regulowane położenie, co umożliwiało precyzyjne pozycjonowanie plamki wiązki lasera na powierzchni badanej próbki. Natężenie oświetlenia wynosiło 3,1(8)-10 fotonów/(m s). Wyznaczono je, wykorzystując w tym celu fotodiodę Hamamatsu S2387 o dużej powierzchni światłoczułej prac ującą w reżimie zwarciowym. Natężenie prądu płynącego przez nią było mierzone za pomocą elektrometru Keithley 6517A.

Pomiary fotoprzewodnictwa w atmosferze wilgotnego azotu przeprowadzono dla wilgotności względnej z zakresu od 0% do 80%, Rejestrowano zmiany natężenia prądu płynącego przez próbkę w wyniku włączenia oświetlania i jego wyłączenia. Dla wilgotności względnych poniżej 39,8% obserwowano dodatnie fotoprzewodnictwo, a dla wilgotności względnych powyżej wymienionej wartości ujemne fotoprzewodnictwo. Do zmierzonych charakterystyk czasowych fotoprzewodnictwa dopasowano zależności teoretyczne. Określono zależność wartości pewnej kombinacji parametrów dopasowania od wilgotności względnej. W ten sposób wyznaczona została zależność kalibracyjna, która m oże służyć do określania nieznanej wilgotności. Zależność ta w skali półlogarytmicznej okazała się zależnością liniową rosnącą dla wilgotności względnej poniżej 39,8% oraz zależnością liniową malejącą dla wilgotności względnej powyżej 39,8%.

Komorę pomiarową wypełniono azotem o nieznanej wilgotności względnej. Próbkę hydroż elu SbSI umieszczoną wewnątrz komory schłodzono do temperatury 280 K. Oświetlano ją światłem

2 monochromatycznym o długości fali 488 nm i natężeniu 3,1(8) - 10 fotonową /(m s). Zmierzono charakterystykę zmian czasowych prądu fotoprzewodnictwa spowodowanych kolejnym włączaniem i wyłączaniem oświetlania. Charakterystykę tą aproksymowano zależnością teoretyczną. Obliczono wartość kombinacji parametrów dopasowania, która wyniosła 0,00654 s^- . Dokonano interpolacji półlogarytmicznej zależności kalibracyjnej, wyznaczając wartość nieznanej wilgotności względnej RH = 48.3(12)%. Przeprowadzono niezależny pomiar wilgotności względnej przy użyciu czujnika STH75 (Sensirion) współpracującego ze sterownikiem HS-2300 (Elektro-System) i otrzymano wynik RH = 49.0(18)%. Jest on zgodny z wartością wilgotności względnej wyznaczonej za pomocą opisanej metody.

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wyznaczania względnej wilgotności gazu, znamienny tym, że rejestruje się charakterystykę fotoprzewodnictwa żelu jodosiarczku antymonu (SbSI) od czasu przy kolejnym włączeniu i wyłączeniu oświetlenia, uzyskane w ten sposób wyniki aproksymuje się zależnością teoretyczną, po czym dla kombinacji wartości współczynników tej aproksymującej zależności określa się względną wilgotność gazu, korzystnie azotu na podstawie interpolacji półlogarytmicznej zależności kalibracyjnej, natomiast pomiary prowadzi się w temperaturze niższej od 290 K.
2. 2. Sposób wyznaczania względnej wilgotności gazu według zastrz. 1, znamienny tym, że pomiary prowadzi się stosując oświetlenie fotonami o energii większej od szerokości przerwy energetycznej jodosiarczku antymonu.
3. 3. Sposób wyznaczania względnej wilgotności gazu według zastrz. 1, znamienny tym, że pomiary prowadzi się, stosując oświetlenie o natężeniu co najmniej 6-10 fotonów/m s).
4. 4. Sposób wyznaczania względnej wilgotności gazu według zastrz. 1, znamienny tym, że półlogarytmiczną zależność kalibracyjną wyznacza się dla danej próbki żelu SbSI poprzez rejestrację przy różnych względnych wilgotnościach danego gazu, korzystnie azotu charakterystyk fotoprzewod4

   PL 223 753 B1 nictwa od czasu przy kolejnym włączeniu i wyłączeniu oświetlenia, uzyskane w ten sposób wyniki aproksymuje się zależnością teoretyczną, a kombinację współczynników tej aproksymującej zależn ości czasowej opisuje się zależnością półlogarytmiczną w skali zadanych względnych wilgotności gazu, korzystnie azotu.