SE469492B - Daggpunktskaennare - Google Patents

Description

G\ wb 10 15 20 25 30 35 $> vß NJ 444%' Enligt uppfinningen löses denna uppgift genom att av- ståndet mellan de parallellt inbördes anordnade elektrodav- snitten för de båda elektrodstrukturerna är av samma stor- leksordning som diametern för de största vid uppnåendet av daggpunktstemperaturen uppkdmmande små kondensationsdropparna eller mindre och att tjockleken för isolerskiktet är litet relativt avståndet mellan elektrodavsnitten.

Vid den enligt uppfinningen utformade daggpunktskännaren utnyttjas det faktum, att de små kondensationsdropparna vid uppnåendet av daggpunktstemperaturen på kortaste tid utbildas till en minimistorlek. Därmed bildar de uppkommande små kon- densationsdropparna en brygga mellan de angränsande elektrod- avsnitt täckande tunna isolerskikten, Eftersom det ohmska motståndet för dessa kondensationsdroppar är litet, förbindes därigenom de i sig själva fuktighetsoberoende kapacitanserna hos isolerskikten, vilka på grund av den ringa tjockleken hos dessa isolerskikt är stora relativt kapacitansen mellan elek- troderna, med hjälp av en ledande brygga. Detta har till följd att den mellan de båda elektrodstrukturerna mätta impe- dansen eller kapacitansen ändras språngartat, därigenom kan det första uppträdandet av små kondensationsdroppar entydigt fastställas. Detta fenomen är oberoende av dielektricitets- konstanten för vattnet i kondensationsdropparna. Daggpunkts- kännaren är därför väsenligt känsligare vid detektering.av daggpunkten och okänsligare mot nedsmutsningar än daggpunkts- kännare, vid vilka den genom dielektricitetskonstanten för daggskiktet orsakade kapacitansändringen utnyttjas för dagg- punktsdetektering.

Föredragna utformningar och vidareutbildningar av dagg- punktskännaren_enligt uppfinningen framgår av underpatent- kraven. - _ Ytterligare kännetecken och fördelar med uppfinningen framgår av den följande beskrivningen av ett utförings- exempel, som visas på ritningen. På ritningen visar: 10 15 20 25 30 35 .HLIW 'l .1 ny". 4-69 492 Fig. 1 en vy uppifrån av en enligt uppfinningen utformad daggpunktskännare, ' W Fig. 2 en sektion genom en del av daggpunktskännaren i Fig. 1 i större skala, Fig. 3 en schematisk representation av en del av daggpunkts- kännaren i ännu större skala, och Fig. 4 det elektriska ekvivalensschemat för daggpunkts- kännaren i Fig. 1.

Den i Fig. 1 uppifrån och i Fig. 2 delvis i en skär- ningsvy representerade daggpunktskännaren 10 uppvisar en bärare 12, som består av ett fuktighetsokänsligt isoler- material. Såsom framgår av Fig. 2 är bäraren 12 under in- fogande av en skiljeskiva 14 av aluminium påförd på ett pel- tierelement 16, med vars hjälp den~kan avkylas till dagg-' punktstemperaturen. Den från skiljeskivan vända fria över- sidan av bäraren 12 bildar kännarytan 18, som är påverkad av gasatmosfären, vars vattenångedaggpunkt skall mätas, så att på densamma vid avkylning till daggpunktstemperaturen genom kondensation ett daggskikt bildas.

På kännarytan 18 är två elektrodstrukturer 20 och 30 bildade, vilka i Fig. 1 för tydlíghets skull visas mycket förenklat. Elektrodstrukturen 20 har formen av en kam med ett antal parallella pinnar 22, vilka vid ena änden är förbundna med en vinkelrätt däremot förlöpande avsats 24. Vid änden av avsatsen 24 är en breddad kontaktyta 26 vidformad, vilken tjänar för kontakt med en anslutningsledare, över vilken elektrodstrukturen 20 förbindes med den (icke visade) elek- troniska kopplingsanordningen hos daggpunktsmätapparaten, vid vilken daggpunktskännaren användes. Elektrodstrukturen 30 består på helt samma vis men i spegelbildarrangemang av pinnar 32, en avsats 34 och en kontaktyta 36.

Pinnarna 22 och 32-hos de båda elektrodstrukturerna ligger på ett litet centralt område av bäraren 12, som bildar det egentliga för mätförloppet känsliga kännarområdet. ...- 10 15 20 25 30 35 $> V) ND Vu I» 1 |"'1| Pinnarna 22 och 32 ingriper alternerande i varandra, varvid pinnarna 22 hos elektrodstrukturen 20 ligger i mellanrummen mellan pinnarna 32 hos elektrodstrukturen 30 och omvänt, pinnarna 32 hos elektrodstrukturen 30 ligger i mellanrummen 22 hos elektrodstrukturen 20. Vardera två parallellt bredvid varandra liggande pinnar representerar sålunda elektrodavsnitt, vilka tillhör olika elektrodstruk- turer. Mellanrummen mellan pinnarna hos varje elektrod- mellan pinnarna struktur är så brett, att i varje mellanrum en pinne från den andra elektrodstrukturen kan upptagas med tillräckligt av- stånd från de båda angränsande pinnarna. Detta är speciellt tydligt i Fig. 2, som i en relativt representationen i Fig. 1 större skala visar en sektion genom flera bredvid varandra liggande pinnar 22, 32 hos de båda elektrodstrukturerna 20 respektive 30.

Varje pinne 22 och 32 i de båda elektrodstrukturerna 20, 30 är överdragen med ett fuktighetsokänsligt isolerskikt-Ã0, som fullständigt täcker alla fria ytor av pinnen. Pinnarna 22 och 32 är sålunda å ena sidan genom isolermaterialet hos_ bäraren 12 och å andra sidan genom isolerskiktet 40 helt skilda från gasatmosfären, vars daggpunkt skall mätas. Vid den i Fig. 2 visade utföringsformen föreligger mellan isoler- skikten, vilka täcker två angränsande pinnar, en spalt 42, som går igenom ända till ytan av bäraren 12. ' Elektrodstrukturerna 20 och 30 liksom det pinnarna täckande isolerskiktet 40 kan framställas på bäraren 12 genom ett av de vanliga förfarandena, som är kända från den inte- grerade kopplingstekniken och från ledarplattekniken. Elek- trodstrukturerna 20, 30 bildas exempelvis på fotolitografisk väg från en lämplig metallbeläggning, exempelvis av tantal eller platina. Isolerskiktet 40 måste bestå av ett kemiskt stabilt, elektriskt isolerande och helt fuktighetsokänsligt material, härför kommer glas, lack eller också någon lämplig metalloxid ifråga. Materialet i isolerskiktet kan påföras 10 15 20 25 30 »W»#'} -. f" *I $> (ß vb Åfi \O Fx? elektrodstrukturerna med hjälp av något av de kända förfaran- dena. Då oxiden av den för elektrodstrukturerna 20, 30 an- vända metallen har de erforderliga egenskaperna, kan isoler- skiktet 40 eventuellt också bildas genom ytoxidation av ledarmetallen.

Funktionssättet för daggpunktskännaren i Fig. 1 och 2 skall beskrivas i samband med Fig. 3 och 4. Fig. 3 visar schematiskt i sektion liknande den i Fig. 2 men i ännu större skala två bredvid varandra liggande pinnar 22 och 32 med deras isolerskikt 40. Tjockleken D för isolerskikten 40 visas i Fig. 3 överdrivet stor. Den är i verkligheten liten rela- tivt avståndet A mellan två angränsande pinnar 22 och 32.

Till följd därav är även bredden B~för spalten 42 i verklig- heten blott föga mindre än avståndet A mellan pinnarna.

Vidare är i Fig. 3 även kopplingssymbolerna för de för funk- tionssättet väsentliga elektriska storheterna uppritade.

Fig. 4 är ett elektriskt ekvivalensschema för den av dessa elektriska storheter bestämda impedansen för de båda elek- trodstrukturerna 20 och 30.

För den elektriska funktionen hos daggpunktskännaren är de elektriska storheterna för sträckan mellan vardera två angränsande pinnar 22, 32 hos de båda elektrodstrukturerna 20, 30 bestämmande. Denna sträcka består av tre avsnitt, vilkas impedanser i seriekoppling är: ' - Isolerskiktet 40 på pinnen 22, vars elektriska impedans kan representeras genom en parallellkoppling av ett motstånd R40 och en kondensator C40, - Spalt 42, vars elektriska impedans kan representeras medelst en parallellkoppling av ett motstånd R42 och en kondensator C42,- - Isolerskiktet 40 på pinnen 32, vars elektriska impedans'i återigen kan representeras genom en parallellkoppling av ett motstånd R40 och en_kondensator C40.

CA \.C) 10 15 20 25 30 35 \Û ND .' "f- Vui- Parallellkopplingen av alla dessa delimpedanser mellan pinnarna i de båda elektrodstrukturerna ger totala impedansen för de båda elektrodstrukturerna, som representeras genom det ekvivalenta schemat i Fig. 4. Motståndet R1 motsvarar paral- lellkopplingen av alla spaltmotstånd R42 och kondensatorn C1 motsvarar parallellkopplingen av alla spaltkondensatorer C42. För förenkling är parallellkopplingar av de båda i serie liggande skiktmotstånden R40 representerade såsom ett enda motstånd R2 och parallellkopplingarna av de båda i serie liggande skiktkondensatorna C40 såsom en enda kondensator C2. Motståndet R3 symboliserar motståndet för metallskikten i ledarstrukturerna 20 och 30.

Daggpunktsdetekteringen baserar sig på fastställandet av den vid uppnåendet av daggpunktstemperaturen uppträdande för- ändringen av totalimpedansen, vilken orsakas genom att på kännarytan 18 små kondensationsdroppar börjar att bildas. Ändringen av totalimpedansen bestämmas alltså genom infly- tandet av de små kondensationsdropparna på värdet av kopp- lingselementen i principschemat i Fig. 4.

Eftersom materialet i isolationsskiktet 40 är fuktig- hetsokänsligt ändras värdena av motstånden R2 och kondensa- torn C2 icke genom kondensationen. På samma sätt är motstån- det R3 hos elektrodstrukturerna oberoende av en kondensa- tionsbildning.

De enda kopplingsbeståndsdelar, vilkas värde påverkas av daggpunktskondensationen, är motståndet R1 och kondensatorns C1 för spalterna mellan pinnarna. För dessa elektriska stor- heter gäller följande fakta: - I torrt tillstånd för daggpunktskännaren, alltså vid tempe- raturer ovanför_daggpunktstemperaturen, är värdena på mot-_ ståndet R1 och kondensatorn C1 bestämda genom den i spal- terna 42 befintliga gasen. Motståndet R1 har därför ett ' mycket högt värde, som är av samma storleksordning som isolationsmotståndet RÉ. Kapacitansen C1 är liten relativt 10 15 20 25 ' 30 35 .fitvüi L~F“ $> U\ WD lo NJ kapacitansen C2 för isolerskiktet 40, eftersom tjockleken D för isolerskiktet 40 är mycket liten relativt bredden B på spalten 42. Det skall påpekas att i Fig. 3 tjockleken D för isolerskiktet 40 för tydlighets skull representeras över- drivet stor.

- Vid avkylning till daggpunktstemperaturen bildas på kor- taste tid daggdroppar av en minimistorlek på hela kännar- ytan 18 och därmed naturligtvis också i varje spalt 42. Vid ytterligare avkylning till temperaturer under daggpunkts- temperaturen blir dessa droppar större och de förenar sig slutligen till ett sammanhängande daggskikt. För en så nog- grann detektering som möjligt av daggpunktstemperaturen är det väsentligt att känna igen den första kondensationen av de små daggdropparna. Detta uppnås genom en särskild dimen- sionering av bredden B för spalten 42: Denna bredd B mot- svarar minimidiametern för de på kortaste tid genom konden- sation bildande små daggdropparna, så att de första dagg- dropparna, vilka kondenserar vid uppnåendet av daggpunkts- temperaturen omedelbart utfyller hela bredden för spalten 42. Eftersom resistansen för daggdropparna är storleks- ordningen mindre än resistansen för gasen, uppkommer därmed vid inträdandet av kondensation en plötslig reducering av resistansen R1 till ett många gånger mindre värde. Tillika ökar också kapacitansen C1 i motsvarighet till den större dielektricitetskonstanten för vatten något, men dock står detta ökande icke i något nämnvärt sammanhang med den samtidiga reduceringen av resistansen R1.

Från dessa fenomen framkommer följande resultat med av- seende på den mätta impedansen för daggpunktskännaren: - I torrt tillstånd-(ovanför daggpunktstemperaturen) är vid tillräckligt hög mätfrekvens den mätta impedansen väsent- ligen bestämd av seriekopplingen av de båda kapacitanserna C1 och C2. De därtill parallellt liggande höga resistanser- na R1 och R2 är däremot försumbara.och den låga serie- ¿5\ \.O 10' 15 20 25 30 'ss $> \O IN) . I \ i: F” resistansen R3 kan lämnas utan avseende. Eftersom vidare kapacitansen C2 är stor relativt kapacitansen C1, är den mätta impedansen i första hand bestämd av den kapacitiva reaktansen hos kapacitansen C1.

Vid uppnående av daggpunktstemperaturen antar R1 plöts- ligt ett mycket mindre värde) vilket då ligger i serie med kapacitansen C2. Den mätta impedansen bestämmes då i första hand av den kapacitiva reaktansen för kapacitansen C2. Relativt den i torrt tillstånd i första hand mätta kapacitiva reaktansen hos kondensatorn C1 uppkommer där- med vid den första droppbildningen ett utpräglat impe- danssprång, som entydigt karakteriserar uppnâendet av daggpunktstemperaturen. Vid ytterligare reducering av temperaturen under daggpunktstemperaturen avtager visser- ligen resistansen R1 ytterligare men kapacitansen C2, som i första hand bestämmer den mätta impedansen, är oföränd- rad, så att den mätta impedansen inte längre väsentligt ändras.

Kraftigt förenklat låter sig den skildrade mekanismen representeras så att genom bildningen av små droppar vid daggpunktskondensation en kortslutning mellan de båda kapa- citanserna C40 uppkommer. Bestämmande för denna verkan är den riktiga dímensioneringen av bredden B för alla spalter 42, som måste motsvara den på kortaste tid bildade dropp- diametern. Undersökningar har visat att den skildrade verkan blott uppkommer då bredden B är mindre än cirka 50 um. Företrädesvis skall den ligga i storleksordningen från cirka.20 um. Vidare är det viktigt att tjockleken för isolerskiktet 40 är liten relativt den så dimensionerade bredden B av gpalten 42.

Vid en praktiskt utprovad utföringsform av daggpunkts- kännaren av angivet slag består elektrodstrukturerna 20, 30 av tantal, som är påfört på en bärare 12 av aluminiumoxid.

Varje elektrodstruktur'har en kam med 50 pinnar med en ' 10 15 20 25 I _ 1 *Wi ÉÄ MC) få Fx) bredd av 21 um och en längd av-2"mm. Avståndet mellan de i varandra ingripande pinnarna hos de båda elektrodstrukturerna uppgår till 19 um. Det av de båda i varandra ingripande kam- strukturerna bildade egentliga kännarområdet upptager därför blott en yta av 2x4 mm. Isolerskiktet 40 består av högför- tätad och därigenom fuktighetsokänslig tantaloxid, som med en tjocklek av cirka 160 nm bildas genom ytoxidation av elek- trodstrukturernas tantal.

Genom lämplig dimensionering av mätfrekvensen kan opti- malt förhållandet mellan de i de olika tillstånden mätta impedanserna uppnås, så att impedanssprånget vid uppnåendet av daggpunktstemperaturen blir speciellt utpräglat. Én mät- frekvens av cirka 100 kHz har visat sig vara lämplig.

Det är naturligtvis möjligt att.istället för impedans- mätning företaga en ren kapacitansmätning. I detta fall mätes i torrt tillstånd väsentligen kapacitansen C1 och vid upp- nåendet av daggpunktstemperaturen övergår det mätta kapaci- tansvärdet plötsligt till värdet för kapacitansen C2. Det skall emellertid beaktas att detta kapacitanssprång icke baserar sig på en ändring av en fysikalisk kondensator utan på det kortslutande överbryggandet till följd av den plötsliga ändringen av den fysikaliska resistansen R1.

Istället för kamstrukturer kan även andra elektrodstruk- turer med på angivet avstånd parallellt inbördes anordnade elektrodavsnitt utnyttjas, exempelvis meander- eller galler- strukturer. Elektrodavsnitten kan även vara krökta, exempel- vis spiralformigt eller i form av koncentriska cirkelbågar.

Claims (4)

1. , (F, If-'F I y 'W 469 492) 10 P A T E N T K R A V l. Daggpunktskännare för en daggpunktsmätapparat för mät- ning av vattenángdaggpunkten i gaser, med en av den gas som skall mätas påverkad kännaryta, på vilken vid avkylning till daggpunktstemperaturen vattenånga kondenserar, och med två på kännarytan anbragta elektrodstrukturer med pá lika avstånd parallellt inbördes anordnade elektrodavsnitt, vilka är täckta med ett fuktighetsokänsligt isolerskikt, varvid uppnåendet av daggpunktstemperaturen fastställes genom mätning av impedansen eller kapacitansen mellan de båda elektrodstrukturerna, k ä n n e t e c k n a d av att avståndet mellan de parallellt inbördes anordnade elektrod- avsnitten (22, 32) hos de båda elektrodstrukturerna (20, 30) är mindre än 50 pm och att tjockleken (D) för isolerskiktet (40) är liten relativt avståndet (A) mellan elektrodav- snitten.

2. Daggpunktskännare enligt krav l, k ä n n e t e c k - n a d av att avståndet (A) mellan elektrodavsnitten (22, 32) uppgår till cirka 20 pm.

3. Daggpunktskännare enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d av att tjockleken (D) för isoler- skiktet (40) är mindre än 1 pm.

4. Daggpunktskännare enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d av att elektrodstrukturerna (20, 30) är kamstrukturer med i varandra ingripande pinnar (22, 32).