RO135494A1 - Senzor ceramic capacitiv de umiditate relativă a aerului - Google Patents
Senzor ceramic capacitiv de umiditate relativă a aerului Download PDFInfo
- Publication number
- RO135494A1 RO135494A1 RO202000434A RO202000434A RO135494A1 RO 135494 A1 RO135494 A1 RO 135494A1 RO 202000434 A RO202000434 A RO 202000434A RO 202000434 A RO202000434 A RO 202000434A RO 135494 A1 RO135494 A1 RO 135494A1
- Authority
- RO
- Romania
- Prior art keywords
- sensor
- air
- relative humidity
- humidity
- capacitive
- Prior art date
Links
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 title claims abstract description 14
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 11
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims abstract description 10
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 5
- 229910052688 Gadolinium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- -1 gadolinium aluminate Chemical class 0.000 claims abstract description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 12
- 229910002614 GdAlO3 Inorganic materials 0.000 abstract 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 5
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 description 3
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 3
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N nitrogen oxide Inorganic materials O=[N] MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000011088 calibration curve Methods 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 2
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 2
- 238000010291 electrical method Methods 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- AMXOYNBUYSYVKV-UHFFFAOYSA-M lithium bromide Chemical compound [Li+].[Br-] AMXOYNBUYSYVKV-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- KWGKDLIKAYFUFQ-UHFFFAOYSA-M lithium chloride Chemical compound [Li+].[Cl-] KWGKDLIKAYFUFQ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 238000009423 ventilation Methods 0.000 description 2
- VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N Ammonium hydroxide Chemical compound [NH4+].[OH-] VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000908 ammonium hydroxide Substances 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 229910001960 metal nitrate Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- XTQHKBHJIVJGKJ-UHFFFAOYSA-N sulfur monoxide Chemical class S=O XTQHKBHJIVJGKJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052815 sulfur oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
- G01N27/22—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance
- G01N27/223—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance for determining moisture content, e.g. humidity
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
- G01N27/22—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance
- G01N27/223—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance for determining moisture content, e.g. humidity
- G01N27/225—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance for determining moisture content, e.g. humidity by using hygroscopic materials
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
Abstract
Invenţia se referă la un senzor ceramic capacitiv destinat măsurării umidităţii relative a aerului, senzorul având o configuraţie simplă, are o sensibilitate mare, un preţ de cost redus, este stabil, are un domeniu larg de măsură, o bună stabilitate fizică şi chimică, şi un consum redus de energie electrică. Senzorul conform invenţiei este constituit, ca element sensibil, dintr-un bloc ceramic poros prevăzut cu doi electrozi metalici poroşi pe două suprafeţe opuse, realizat din perovskitul aluminat de gladoliniu GdAlO3.
Description
Α1
OriCiUL DE sTAT
Cerere de breveRlUinT3$4 hjr
Data deoozit
Senzor ceramic capacitiv de umiditate relativa a aerului
Invenția se referă la un senzor ceramic capacitiv destinat măsurării umidității relative a aerului. Invenția urmărește rezolvarea problemei realizării unui senzor de umiditate simplu, ieftin, stabil, cu gamă largă de măsură și cu consum redus de energie electrică.
Senzorul este un dispozitiv care detectează sau măsoară unele condiții sau proprietăți și înregistrează, indică sau uneori răspunde la informația primită. Astfel, senzorii au funcția de a converti un stimul într-un semnal măsurabil. Stimulii pot fi la origine mecanici, termici, electromagnetici, acustici sau chimici în timp ce semnalul măsurabil este tipic de natură electrică, deși pot fi de asemenea folosite semnale pneumatice, hidraulice și optice.
Caracteristicile principale ale senzorilor pot fi definite prin următorii parametri: domeniul de utilizare, sensibilitatea, rezoluția (cel mai mic increment măsurabil al stimulului), frecvența maximă a stimulului ce poate fi detectat (rapiditatea), acuratețea (eroarea de măsurare raportată în procente, la întreaga scală), dimensiunile și masa senzorului, temperatura de operare și condițiile de mediu, durata de viață (în ore sau număr de cicluri de operare), stabilitatea pe termen lung și costul.
Un senzor de umiditate relativă a aerului detectează molecule de apa din aer și produce un semnal ce corespunde concentrației vaporilor de apă din gaz.
Umiditatea este un factor al mediului înconjurător care afectează multe industrii și tehnologii. Deci, este important să se poată detecta cu acuratețe nivelul de umiditate din atmosferă. Umiditatea relativă (RH) se definește ca fiind raportul dintre presiunea vaporilor de apă (p) și presiunea vaporilor de apă saturați (ps) la o temperatură cunoscută, fiind exprimată în procente
RH = — (1)
Ps
Pentru măsurarea umidității relative a aerului multe din soluțiile constructive propun dispozitive cu senzori de umiditate bazați pe patru metode principale de măsurare:
metoda higrometrică, bazată pe proprietatea unor materiale, naturale sau sintetice, de a-și modifica dimensiunile funcție de umiditatea relativă a mediului ambiant. Higrometrele au numeroase dezavantaje: sensibilitate mică, histerezis,
I J-Twctor,
Prof.
RO 135494 Α1 precizie redusă, variația sensibilității în timp și cu temperatura, sensibilitate la contaminarea fizică și chimică.
- metoda psihrometrică, bazată pe principiul diferenței de temperatură dintre aerul umed și aerul saturat cu vapori de apă la aceeași valoare a umidității absolute. Un exemplu este metoda determinării punctului de rouă (metoda oglinzii reci), conform căreia o oglindă metalică este răcită termoelectric până când vaporii de apă din aer condensează și îi modifică proprietățile de reflexie. Prin măsurarea temperaturilor oglinzii și a aerului se determină automat, sau după curbe de etalonare, umiditatea relativă a aerului. O variantă mai veche a metodei folosește două termometre din care unul este umezit și răcit prin ventilare forțată.
Metoda este sigură și precisă, dar prezintă dezavantajul consumului mare de energie necesară pentru răcire sau ventilare, echipamentul este costisitor și necesită operații de întreținere, iar determinarea valorii umidității este anevoioasă deoarece necesită un echipament de calcul sau utilizarea unei familii de curbe de etalonare (diagrame Mollier).
- metoda electrică rezistivă, bazată pe variația conductivității electrice efective a unui material în prezența vaporilor de apă. Se cunosc mai multe variante ale metodei rezistive. în principiu senzorul rezistiv este format dintr-un suport, un strat sensibil la umiditate și doi electrozi peliculari sau filări dintr-un metal nobil în contact cu stratul sensibil. Măsurarea rezistenței electrice a senzorului se face obligatoriu în curent alternativ simetric cu frecvență mică, fără componentă continuă, din cauza pericolului de polarizare a electrozilor. Materialul sensibil poate fi o sare higroscopică îmbibată într-un material poros sau coloidal, un polimer conductor, sau un substrat ceramic activat chimic. Variația rezistenței cu umiditatea (sensibilitatea) este aproximativ exponențială și este de câteva ordine de mărime. Senzorii cu săruri higroscopice (LiCI, LiBr, etc.) au sensibilitate foarte mare, dar lucrează într-un domeniu redus de valori ale umidității, sunt sensibili la vapori chimici și își schimbă ireversibil proprietățile în prezența condensului. Senzorii cu straturi de polimer conductor și cei cu substrat ceramic activat sunt insensibili la condens, au un domeniu de măsură mare, dar au un coeficient de temperatură mare și, fiind peliculari, sunt sensibili la contaminare fizică și chimică. Toți senzorii rezistivi sunt sensibili la aerul impurificat cu gaze ce formează în prezența umidității electroliți (oxizi de sulf, oxizi d&-azQț, amoniac, etc) care falsifică rezultatul măsurării umidității.
RO 135494 Α1
- metoda electrică capacitivă, bazată pe variația constantei dielectrice efective a unui material dielectric poros în prezența vaporilor de apă. între doi electrozi, dintre care unul poros, se află un strat de material dielectric (cu constantă dielectrică mică) cu pori (canale de dimensiuni nanometrice) în care este adsorbită o cantitate de molecule de apă (cu constantă dielectrică mare) funcție de umiditatea relativă a mediului ambiant. Capacitatea electrică a ansamblului, măsurată cu o punte de curent alternativ, este o măsură a umidității relative a aerului în scară aproximativ lineară. Dezavantajele metodei sunt determinate de variația redusă a capacității totale cu umiditatea datorită porozității mici, de dificultatea de a realiza senzori identici precum și de contaminarea ușoară a senzorilor cu pulberi, gaze sau vapori.
Senzorul ceramic capacitiv conform invenției înlătură dezavantajele senzorilor prezentați prin aceea că, în scopul obținerii unei sensibilități mari, a unui domeniu larg de măsură, a unei bune stabilități și a unei durate mari de exploatare, este realizat sub forma unui bloc ceramic poros din compusul oxidic de tip perovskit cu formula chimică GdAIOs având electrozi poroși pe două suprafețe opuse. Materialul este un aluminat de gadoliniu, cu conductivitate electrică foarte mică în stare uscată. Senzorul prezintă o sensibilitate mare într-un domeniu larg de umiditate relativă (0% 98%), un timp de răspuns scurt, un coeficient de temperatură redus și o stabilitate fizică și chimică bună până la mai mult de 400 °C. Blocul ceramic este realizat prin presarea unei pulberi nanometrice preparate prin orice metodă, urmată de un tratament termic, astfel încât să se obțină o masă rezistentă mecanic, cu cristale submicronice și cu o porozitate de cca. 50 %. Suprafața activă, în contact cu aerul umed, este foarte mare și este, practic, în întregime în interiorul senzorului, fiind astfel ferită de impurități solide și de aerosoli. Pentru contaminarea chimică a întregii suprafețe ar fi nevoie de o mare cantitate de contaminanți. Senzorul poate fi curățat termic (regenerat) deoarece rezistă foarte bine la temperatură.
în continuare se prezintă un exemplu de aplicare a invenției la realizarea unui senzor ceramic capacitiv pentru măsurarea umidității relative a aerului. Se procedează după cum urmează:
- se prepară o pulbere nanocristalină de aluminat de gadoliniu (GdAIOs) prin procedeul conform brevetului de invenție RO 121300/2007 care descrie prepararea unei pulberi de ferită: (1) dozarea azotaților metalelor (în cantități ce respectă stoichiometria) 10% metal în apă deionizată, (2) adăugarea soluției de - alcool polivinilic (10% alcool polivinilic in apă deionizată, raportul metal/alcooj polivinilic este .U^ector, mYoader
RO 135494 Α1
1/1), (3) adăugarea soluției de hidroxid de amoniu pentru creșterea valorii pH la aproximativ 8, (4) agitare la 80 °C rezultând un gel, (5) uscarea gelului la 120 °C și în final (6) auto-combustia inițiată de la o flacără externă rezultând o pulbere. Pulberea astfel obținută se tratează termic în aer la temperatura de 500 °C timp de 30 min. pentru eliminarea carbonului residual și a compușilor organici.
- din pulberea preparată se presează la 5000 daN/cm2 discuri cu diametrul de 17 mm și grosimea de 2 mm;
- discurile presate se tratează termic cca. 7 ore la temperatura de 1000 °C. Rezultă o structură ce conține cristale de 0,2 + 0,3 pm cu o porozitate de cca. 50 %;
- suprafețele plane se șlefuiesc, se curăță și se acoperă cu electrozi poroși din platină, aur, paladiu sau argint;
- discurile pregătite ca mai sus se montează în suporturi cu contacte pentru electrozi și cabluri pentru legătura la aparatul de măsurare a capacității electrice care poate fi o punte de curent alternativ la frecvența de 10 - 50 Hz sau un dispozitiv cu microcontroller ce integrează măsurarea capacității, conversia în unități de măsură a umidității relative și transmisia la distanță a datelor. Senzorul are porozitatea de cca. 50%, domeniul de măsură a umidității între 0% și 98% RH, variația capacității de peste 5000 de ori pe domeniul de măsură și caracteristica umiditate-capacitate aproape logaritmică.
Această sensibilitate deosebit de mare se datorează metodei de preparare folosită care permite obținerea unei structuri cu porozitate accentuată în care predomină porii deschiși, formând canale ce favorizează penetrarea, respectiv evacuarea vaporilor de apă în toată adâncimea senzorului.
Senzorul conform invenției prezintă următoarele avantaje:
- este simplu: un corp solid dintr-un singur material prevăzut cu doi electrozi;
- este stabil fizic și chimic: material ceramic, rezistent la temperaturi mari, fără compuși solubili în apă sau care ar putea reacționa cu substanțe din mediul ambiant;
- este foarte sensibil la umiditate și puțin sensibil la temperatură;
- acoperă o gamă largă de umiditate relativă a aerului, de la 0% până la apariția condensului;
- fiind poros și cu o foarte mare suprafață activă este rezistent la contaminare fizică sau chimică;
- în caz de contaminare poate fi regenerat termic; /
- este ieftin și ușor de produs.
T Rector, ‘elxQjader
Claims (1)
- RO 135494 Α1RevendicăriSenzor ceramic capacitiv de umiditate relativa a aerului1. Senzor ceramic capacitiv de umiditate relativă a caracterizat prin aceea că, în scopul obținerii de sensibilitate mare, domeniu de măsură larg, stabilitate chimică și termică superioare și timp de răspuns redus, utilizează drept element sensibil un bloc ceramic poros cu structură submicronică realizat din perovskitul aluminat de gadoliniu (GdAIOs) preparat prin orice procedeu, având electrozi metalici poroși depuși pe două suprafețe opuse.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ROA202000434A RO135494B1 (ro) | 2020-07-24 | 2020-07-24 | Senzor ceramic capacitiv de umiditate relativă a aerului |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ROA202000434A RO135494B1 (ro) | 2020-07-24 | 2020-07-24 | Senzor ceramic capacitiv de umiditate relativă a aerului |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RO135494A1 true RO135494A1 (ro) | 2022-01-28 |
| RO135494B1 RO135494B1 (ro) | 2022-08-30 |
Family
ID=79960995
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ROA202000434A RO135494B1 (ro) | 2020-07-24 | 2020-07-24 | Senzor ceramic capacitiv de umiditate relativă a aerului |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RO (1) | RO135494B1 (ro) |
-
2020
- 2020-07-24 RO ROA202000434A patent/RO135494B1/ro unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RO135494B1 (ro) | 2022-08-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Kulwicki | Humidity sensors | |
| US4307373A (en) | Solid state sensor element | |
| JPH0517650Y2 (ro) | ||
| CN110361430B (zh) | 用于电位传感器的传感元件 | |
| CN103712882B (zh) | 测量高温高压高湿气体湿度的方法和系统 | |
| JPS60228949A (ja) | 被検混合ガス中の還元ガスを検知する方法及びそのための装置 | |
| US4280115A (en) | Humidity sensor | |
| CN104236739A (zh) | 一种温湿度传感器 | |
| EP0201936A2 (en) | Element for detecting carbon dioxide gas and process for producing the same | |
| RO135494A1 (ro) | Senzor ceramic capacitiv de umiditate relativă a aerului | |
| RU2483300C1 (ru) | Твердоэлектролитный датчик для амперометрического измерения влажности газовых смесей | |
| Manjula et al. | Studies on copper molybdate as humidity sensor | |
| US3522732A (en) | Sensing element for hygrometers | |
| CN2715151Y (zh) | 土壤盐分传感器 | |
| US6073478A (en) | Hydrogen sensor using a solid hydrogen ion conducting electrolyte | |
| Greenblatt et al. | Humidity sensor with sintered β-Ca (PO3) 2 for high temperature use | |
| JPS62500955A (ja) | 熱気体中の酸素分圧の測定のための検知器および方法 | |
| RO129316B1 (ro) | Senzor capacitiv de umiditate relativă a aerului | |
| JPS589056A (ja) | 感湿抵抗素子 | |
| RU2540450C1 (ru) | Способ измерения кислородосодержания и влажности газа | |
| RU2403563C1 (ru) | Дифференциальный сенсорный датчик для газоанализатора | |
| RU91763U1 (ru) | Дифференциальный сенсорный датчик газа | |
| JPH06186193A (ja) | 炭酸ガスセンサ素子および炭酸ガス濃度測定方法 | |
| JP2707246B2 (ja) | 湿度センサ | |
| RO129798B1 (ro) | Senzor rezistiv pentru vapori de acetonă |