SU1126857A1 - Способ изготовлени сорбционного электрического датчика влажности газов - Google Patents

Abstract

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СОРБЦИОННОГО ЭЛЕ1СГРИЧЕСКОГО ДАТЧИКА ВЛАЖНОСТИ ГАЗОВ путем нанесени  на подложку с электродами раствора органического влагочувствительного вещества с последующей сушкой, о т л и ча ю щи и с   тем, что, с целью повышени  стабильности работы изго-, тавливаемых датчиков, нанесение на подложку раствора производ т его диспергированием в поле коронного разр да, после сушки наход т зависимость межэлектродного, сопротивлени  от влажности и в случае отклонени  крутизны полученной характеристики от заданной довод т ее до необходимого значени  путем изменени  напр жени  коронного разр да и (или) в зкости диспергируемого раствора. (П С

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике, а именно к влагеметрии воздуха и газов, и может быть применено в различных отрасл х про мьпалекности и научных исследовани х, в том числе в метеорологии,, в сельском хоз йстве и т,Па

Известен датчик сорбционного типа основанный на применении гигроскопического тела,- свойства которого измен ютс  в функции количества поглощенной влаги 11,

При адсорбции влаги из газовой среды происходит изменение электрических свойств Благочувствительного вещества (ВВ), например изменение сопротивлени  или диэлектрической проницаемости.

Однако данное устройство облй;Чает невысокой стабильностьюс

Наиболее близким техническим реBjeHHCM к изобретению  вл етс  способ изготовлени  сорбционного электрического дгтчика влажности газов путем нанесени  на подложку с электродами раствора органического вхшгочувствительного вещества с последующей сушкой ,

Датчики, изготовленные согг/асно

способу5 имеют нестабильные характеристики5 измен ющиес  при эксплуатации и хранении,. Как показывает эксплуатаци  приборов с такими датчиками, погрежность вследствие нестабильности может достигать 20% в год6 Кроме того, формирование происходит при вращении подложки, Т5,е в силовом поле направленном по касательной к ее поверхности. Вследствие этого ухудшаетс  адгезион ное сцепление пленки влагочувствительного вещества с поверхностью подложки и электродов, что отрицательно сказываетс  на механических и, как следствие этого электрических свойствах датчиков„ Использование данного способа не позвол ет добитьс  высокой производительности.

Целью изобретени   вл етс  повьппение стабильности работы изготав ливаемьп{ датчиков.,

Поставленна  цель достигаетс  теМд что согласно способу изготовлени  сорбционного электрического датчика влшхности газов путем нанесени  на подложку с электродами раствора органического влагочуьствительного вещества с последующей сушкой, нанесение на подложку раствора производ т его диспергированием в поле короного разр да, после сушки наход т зависимость межэлектродного сопротк:влени  от влажности и в случае отклонени  крутизны полученной характеристики от заданной довод т ее до необходимого значени  путем изменени  напр жени  коронного разр да и (или) в зкости диспергируемого раствора.

Основным требованием5 предъ вл емым к датчикам,  вл етс  стабильность его коэффициента преобразовани  во времени, который определ етс ., в первую очередь5 посто нством структуры и состава влaгo гyвcтвитeльного сло , его расположением относительно электродов и подложки, а такж здгезией.

Использование электрического пол  высокого напр жени  позвол ет повысить адгезию пленок благодар  модификации поверхности. Кроме того, оно улучзлает электрофизические характеристики образовавшихсп покрытий; формиру  капилл рно-пористую структуру.

Согласно .изобретению канесение вещества дл  обеспечени  указанных свойств проводитс  диспергированиел4 ВБ в .электрическом поле,, в результате чего зар женные капельки перенос тс  ма подложку датчика и электроды , где формируетс  влагочубствительный слой. Напр жение подбираетс  до такой величины, пока у высоковольтного электрода не образуетс факел диспергируемой жидкости и размер капель, на которые раздробитс  жидкость, не дocтигaet минимальной величины (10-40 мин),

Как было установлено экспериментально , приемлемое качество влагочувствительного сло  получаетс  при напр жении пор дка 5-60 кВ, Это напр жение можно по.лучить от серийно выпускаемь.х источников, используемых например5, в рентгеновской аппаратере

При напр жении менее 5 кВ факел неустойчив и, хот  диспергаци  возмона , однако имеет место выделение крупных капель, привод щих к нарушению однородности сло .

Кроме того, радиус п тна значително меньше размеров подложки датчика, в рвйультате чего, канесенньг слой неоднороден по толщине. При этом напр жении погрешность, вызнанна  нестабильностью характеристик, составл ет 3-10% относитель ой влпжности в год. Верхний предел по напр жению неограничен. Однако при повышении напр жени  усложн ютс  требов ни  к защите от электрических пробоев и технике безопасности. Это пр водит к услол-31;анию установки и увелнчекиго ее габаритов. На практике использовались напр жени  обычно 15 20 кВ при рассто ни х от высоковоль ного электрода 3-4 см. Межэлектродное рассто ние выбиралось из услови электрического прочности газового промежутка между высоковоххьткын зле родом и подложкойS Одним из важнейших параметров, вли ющих на метрологические качеств датчика  вл етс  в зкость исходного раствора. Во-первых, BJfsKocTb определ ет качество диспергации, так как она вли ет на скорость поступлени  ВВ через капилл р на коронирующий элек род. Во-зторых, в зкость особенно в .растворах с летучим растворителем, может оказать вли ние на тонкость диспергации жидкости вследствие из менени  поверхностного нат жени  в процессе пролета капли между элект .родами. В-третьих, как было установлено экспериментально, при равенстве кол честв твердой компоненты в чувствительных сло х датчиков возникают ра личи  в их сопротивлени х вследствие того, что исходный раствор имел Иную концентрацию или в зкость Это можно объ снить тем, что в процессе нанесени  ВВ- мозможно соз- дание пленки j виде моносло  в слу чае малов зких растворов с малой концентрат;ией твердой компоненты. Если же раствор обладает более высокой в зкостью И растворитель имеет низкую температуру кипени , то влагочувствительный слой формируетс  из частичек, имеющих форму , близкую к сферической, и имеет структуру иную, нежели .в первом случаеk Это приводит как к изменению сопротивлени , так и удельной поверхности вещества, т.е. по вл етс  возможность управлени  такой важной характеристикой сорбционных датчиков, как пористость. В-четвертьгх, в зкость при прочих равных услови х определ ет адгезионное сцепление пленки с подложкой . Как показали эксперименты, диспергирование жидкости с высокой в зкостью (более 50 сП J приводит к застыванию,капель в процессе пролета межэлектродного рассто ни  и засыханию ВВ на выходе канала высоковольтного электрода, в результате чего пленка имеет незначительную адгезию к подложке, возможно отслаивание чувствительного сло . Это имеет место при высоких значени х влажности. Поэтом характеристика у таких датчиков нестабильна и срок их эксплуатации крайне ограничен . Так, например, при циклических изменени х влажности от 90 до 100% они выход т из стро  через 6-12 циклов . Использование жидкого ВВ с в зкостью менее 0,2-0,3 сП нереально, так как при температурах К минимальную в зкость в этих пределах имеет малое число растворителей (например, гексон, нитробензол). Остальные растворители имеют боль-шую в зкость.Поэтому выбор значений , в зкости следует производить в указанньгх пределах. Количество нанесенного ВВ, как показали эксперименты, оказывает вли ние на метрологические характеристики датчика, например на инерционность . Чем толще слой ВВ, тем выше инерционность датчика, тем выше потгрешность измерени  при контроле динамических процессов. Кроме того, возможность получени  высокой точности дозировани , при выполнении изложенных требований, вл етс  условием получени  взаимозамен емых датчиков в серийном производстве. Поэтому количество наносимого ВВ необходимо контролировать, Как показывает рассмотрение различных способов нанесе-.ни  ВБ, только диспергирование последнего в электрическом поле позвол ет обеспечить контроль за количеством нанесенного вещества, В этом случае практически все вещество переноситс  на подложку (пор дка 95-98%), так как она  вл етс  вторым (низковольтным ) электродом. Это качество особенно важно при дозирова 1ном . нанесении ВВ на подложку в случае серийного производства и автоматизации процесса, Значение толщины пленки и колиества сухого остатка ВВ получаетс  путем пересчета объема израсходован ного исходного раствора ВВ, который фиксируетс  по делени м на стенках бункера и концентрации этого раствора . На чертеже показано устройство дл  осуществлени  предлагаемого способа, Предназначенньй дЛ  наносимого вещества 1 бункер 2 кэготовлен из прозрачного диэлектрика с нанесенны ми на стенки делени ми. Буккер соед нен с высоковольтным электродом 3 имеющим отверстие дл  подачи ВВ на его коронирующую часть Источник высокого напр жени  4 предназначен дл  создани  коронного разр да, перевод щего раствор ВВ в зону 5. Вторым электродом  вл етс  датчик, содержащий подложку 6 с электродами В цепь источника напр жени  4 включен микроамперметр 7, Повыша  напр  жение на источнике высокого напр же ни  4, добиваютс  того, чтобы БВ диспергировалось в зону 5, и делают пробное нанесение на гладкую металл ческую поверхность, варьиру  напр жением и скоростью поступлени  ВВ, Полученна  дисперсна  фаза дотшна ровным слоем наноситьс  на поверхность без разводов и п тен, которые получаютс  вследствие попадани  кру ных капель. После пробного нанесени , когда выбран режим, в котором будет работать устройство, в зону 5 вноситс  датчик. Плавно перемеща  его с домощью , например, двухкоординатного столика с винтовой подачей, нанос т ВВ. Дозировка ВВ производитс  с помощью делений на стенках бункера, В качестве ВВ использовалс  раствор полиакрилонитрила или органический ионит с функциональной сульфогруппой , в который дл  увеличени  адгезии с подложкой добавл лс  резольнь лей. Так как датчики миниатюрны, то дп  нанесени  ВВ наиболее удобным оказалось использование иглы от шприца, диаметр канала которой составл ет 0,8 мм, а радиус остри  0,05 мм. Раствор сульфокислоты новолака клеем БФ с исходной в зкостью 0,9 подаетс  на коронирующий электрод. Напр жение плавно уьеличиваетс  и через 1-2 кВ контролируетс  качест во покрыти , Если отмечаетс , что 1 76 при напр жении менее 8 кВ качество диспергации плохое - имеютс  крупные капли и поверхность неровна , то напр жение увеличиваетс  до 10 кВ. При этом раствор начинает диспергиро-ватьс -на более мелкие капли. Поверхность становитс  более ровной, матовой ,, Однако при сн тии характерист .ики R () (R сопротивление, - относительна  влалдаость)п6лученный влагочувствительныйслой может отклеитьс ,, так как капли застывали в полете и адгези  их с подложкой была слабой В этом случае раствор разбавл етс  ацетоном и доводитс  до в зкости 0,7 сП, Увеличиваетс , как отмечалось напр жение с тем, чтобы получилс  максималгным угол распылени  при условии, чтобы поверхность датчика получилась бы :-злажной с целью повышени  адгезии. Это происходит, например при 12 кВ, После нанесени  ВВ и сушки измер етс  сопротивление при различных влажност х В результате получают характеристику (4%) с крутизной меньшей требуемой. Следовательно, покрытие получаетс  многослойным и клей при полимеризации создает добавочкое сопротивление, уменьша  чувст вительность, Позто1.у еще более уменьшаетс  концентраци  кле , в зкосчь доводитс  до 0,65 сП, В этом случае при напр женки 12 кВ на поверхности могут образоватьс  излишки зкидкого растворител , который медленно испар етс  с образованием паровного с подтеками влагочувствительного сло . Поэтому увеличиваетс  напр жение до 20 кВ и одновременно увеличиваетс  межэлектродное рассто ние. Поверхность влагочувствительной пленки получаетс  ровной н прозрачной., без подтеков ,Растворитель в течение 015 с испар етс . После сутки измер  етс  характеристика (Ч%). Если она оп ть не удовлетвор ет по крутизне, например оп ть слишком полога S то несколько уменьшают межэлектродное рассто ние с одновременным уменьшением напр жени , например, до 18 кВ с целью укрупнени  капель раствора. Если крутизна слишком больша , то рассто ние до коронирующего электрода несколько увеличивают с одновременным увеличе шен напр жени  дл  более тонкого 7 диспергировани  раствора влагочуствительного вещества и большего испа ре1ш  растворител  во врем  пролета капли от коронирукпцего электрода до подложки. Описанные операции повтор ютс  до тех пор, пока не получают требуе мую крутизну характеристики и свойства , определ ющие надежность датчи ка и его метеорологические характеристики . После этого, варьиру  количеством наносимого раствора, подбирают диапазон изменени  сопротивлени  при данной крутизне характеристики (номинал датчика). При использовании предлагаемого способа изготовлени  сорбционных 78 датчиков влажности по сравнению с известным уменьшаетс  погрешность измерени  влажности за счет дрейфа характеристики в 2-4 раза. Кроме того , уменьшаетс  разброс датчиков, по сопротивлению. Так, в парти х из 20 штук датчиков, изготовленных согласно предлагаемому способу, зона разброса не более 5% относительной влажнрсти(у датчиков , изготовленных по известному способу, зона разброса 10-20% ), Изобретение позвол ет улучшить параметры датчиков, что обеспечивает их более широкое и .эффективное использование в метеорологии, сельс ком хоз йстве и других отрасл х.

Claims (1)

1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СОРБЦИОННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ДАТЧИКА ВЛАЖНОСТИ ГАЗОВ путем нанесения на под- ложку с электродами раствора органического влагочувствительного вещества с последующей сушкой, отличи ю щ и й с я тем', что, с целью повышения стабильности работы изготавливаемых датчиков, нанесение на подложку раствора производят его диспергированием в поле коронного разряда, после сушки находят зависимость межэлектродного, сопротивления от влажности и в случае отклонения крутизны полученной характеристики от заданной доводят ее до необходимого значения путем изменения напряжения коронного разряда и (или) вязкости диспергируемого раствора.