Главная - Литература

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 [31] 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45


Рис. 6.3. Конструкция толщиномера:

/ - пьезорезонатор; 2 - фик-сатор-теплоотвод; 3 - радиатор водяного охлаждения; 4 - крьшка с отверстием для напыления

го стекла, пропускающего тепловой поток. Следует, однако, иметь в виду, что тепловая прозрачность экрана по мере его запыления падает.

5. Используют резонаторы с оптимальной для рабочего диапазона температур ориентацией пьезоэлемента. Эта мера позволяет снизить дрейф от изменений средней температуры резонатора.

6. Интересные возможности открьтает применение в качестве толщиномеров резонаторов 5С-среза. В этом случае более эффективно устраняются выбеги частоты при скачках температуры. Кроме того, использование второй, термочувствительной моды резонатора позволяет вводить в результаты измерений толщины поправки по температуре. Осуществить эту процедуру нетрудно, поскольку созданные в последние годы кварцевые измерители толщины, как правило, используют встроенные микропроцессоры, существенно расширяющие функциональные возможности приборов и облегчающие их эксплуатацию. Характеристики приборов обычно лежат в пределах:

Рабочая частота пьезоэлемента, МГц..... 1-10

Чувствительность, Гц/А ............ 1-3

Погрещность измерения толщины, %..... ± 2(1-3)

Диапазон измеряемых скоростей, Гц/с ... 30-5 ю

Точность измерения скорости, %....... ± (1 -5)

Временная нестабильность частоты за

1 час 10* .................... 1 30

6.3. ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНЫЕ ДАТЧИКИ ВЛАЖНОСТИ а) Принцип действия

Пьезорезонансные датчики влажности - гигрометры - являются разновидностью селективных преобразователей сорбционного типа, выполненных на основе пьезорезонаторов с селективным влагочувствитель-ным покрытием. Пьезорезонансные гигрометры делятся на преобразователи с амплитудным и частотным выходами. В преобразователях с частотным Выходом модуляция частоты в функции влажности вызывается изменением массы воды, сорбированной влагочувствительным покрытием резонатора. Часттные гигрометры строятся на высокочастотных 188

резонаторах ЛГ-среза с нанесенным на них тонкопленочным сорбцион-ным покрытием. В амплитудных гигрометрах, вьшолняемых на резонаторах с колебаниями сдвига по контуру, доминирующим эффектом являются изменения потерь, вызванных рассеянием акустической энергии в неупругом, заполненном водой слое сорбирующего вещества.

Согласно предложенной в гл. 1 классификации амплитудные гигрометры правильнее относить к преобразователям акусточувствителъно-го типа-. Частотные гигрометры следует относить к преобразователям, использующим масс-чувствительность пьезорезонаторов.

В амплитудных гигрометрах измерение влажности производится косвенно - о влажности судят не прямо по количеству сорбированной воды, а по тому, как сильно ее влияние на акустические свойства резонатора. Косвенный метод измерений предопределяет трудности достижения высоких точностей. В частотных пьезорезонансных гигрометрах влажность измеряется непосредственно по изменениям массы сорбированной на резонаторе влаги. Благодаря этому частотным гигрометрам присуща более высокая точность, что позволило создать в последние годы на их основе высокоточные автоматические приборы и лабораторные поверочные устройства. По указанной причине в настоящем разделе основное внимание уделяется частотным гигрометрам [123-126, 130, 131].

Пьезорезонансные гигрометры - датчики относительной влажности. Количество сорбированной в покрьп-ии влаги зависит при заданной температуре от отношения парциального давления паров воды р к давлению насыщения паров р„ при этой температуре. Таким образом, пьезорезонатор является преобразователем отношения Рп/Рн (или относительной влажности) в частоту.

Область применения пьезорезонансных гигрометров можно разбить, на две основные группы. К первой из них относится применение гигрометров для измерения собственно влажности, ко второй - применение гигрометров в комбинации с дополнительными преобразователями для косвенного измерения различных физико-химических характеристик исследуемых сред.

б) Сорбенты

Выбор сорбента - один из наиболее ответственных моментов при проектировании гигрометров. Основными требованиями к материалу гигроскопического покрытия наряду с требованием высокой чувствительности являются линейность и температурная стабильность преобразования относительной влажности в приращения массы сорбированной влаги, малые гистерезис и старение, воспроизводимость, высокая селективность (низкая сорбционная способность к побочным компонентам среды) , простота технологии нанесения сорбента. Специфическим требованием является малое значение акустических потерь, вносимых сорбентом.

Большинство гигроскопических материалов, за исключением жидкостей и сравнительно малочувствительного фтористого магния, обла-




Сита

Жидкости

200 fOO 600 eOOxfO-s

Кони,ентраи,ая Воды Ю.


10 30 SO 70 SO °/o Относительная влажность a)

10 20 100 200 1000xlO- Концентрация воды В)

Рис. 6.4. Характеристики гигроскопических материалов:

а - изменения частоты в функции относительной влажности; б - изотермы абсорбции (зависимость присоединенной массы от концентрации воды в миллионных долях); в - зависимость частоты от концентрации воды для резонатора, покрытого растворимым в воде сульфонированным полистереном

дает нелинейной изотермой сорбции (рис. 6.4). Ряд материалов (сита, полимеры) характеризуются большей влагочувствительностью в области малой относительной влажности и поэтому наиболее подходят для работы при малых концентрациях (О-10"). Другие материалы (стекла, SiO:) более пригодны для измерений влажности воздуха (концентрации 10"" - 3 -10"). Практически в пьезорезонансных гигрометрах используются пленки стекла, кремнезем SiO, MgFa, сульфированный полистирол, раствор капрона в муравьиной кислоте [130]. Отсутствие гистерезиса позволяет производить широкодиапазонные измерения влажности с высоким разрешением. Так, покрытие SiO. обеспечивает порог чувствительности на уровне 0,04% при изменении относительной влажности от О до 100%, а сульфированный полистирол позволяет регистрировать изменение концентраций воды на уровне 10" в диапазоне от О до ЗОх 10" (100% относительной влажности) [1, 123, 45, 131, 126].

Важной характеристикой гигроскопических покрытий является селективность. Высокой селективностью обладает сульфированный полистирол, для которого способность сорбировать пары воды превышает способность сорбировать большинство других компонентов (На, H2S, Сп, метан, этан, этилен, пропан, изобутан, «-бутан) в 10* - 10 раз. 190

в) Приборы для измерения влажности [123,126]

Пьезорезонансные датчики с влагочувствительными сорбционными покрытиями нашли в СССР и за рубежом широкое применение в промышленных приборах для измерения влажности. Производство измерителей влажности освоено Ангарским ОКБА НПО "Химавтоматика". Основа всех приборов - дифференциальный датчик, содержащий рабочий генератор с пьезосорбционным чувствительным элементом, опорный кварцевый генератор, формирователь разностной частоты и усилитель. Блок измерений состоит из преобразователя разностной частоты в аналоговый или цифровой сигнал и устройства линеаризации статической характеристики. Во всех измерительных схемах гигрометра предусмотрена возможность передачи сигнала от датчика к блоку измерений по кабелю длиной до 300 м. В качестве чувствительных элементов применяются пьезорезонаторы ЛГ-среза, в качестве сорбента используется поли-€-капроамид, напыляемый из раствора на поверхность пьезоэлемента с последующей термостабилизацией [123]. Статическая характеристика влагочувствительного элемента представлена на рис. 6.5.

Конструкция влагочувствительного элемента содержит перфорированный колпачок с прилегающим к нему изнутри фильтром Петрянова, защищающим пьезоэлемент от прямых попаданий частиц пыли и т.п. на резонатор. На основе датчиков подобного типа в Ангарском ОКБА выпускаются гигрометры В0ЛНА-1М,В0ЛНА-2М, ВОЛНА-5, ДЕЛЬТА-1. Характеристики приборов приведены в табл. 6.1. Гигрометры В0ЛНА-2М и восьмиканальный ДЕЛЬТА-1 комплектуются самопишущими потенциометрами КСП. Для улучшения динамических характеристик в гигрометре ВОЛНА-5 применен 43 с более высокой резонансной частотой (9 МГц) и тонким сорбционным слоем.

Все перечисленные приборы предназначены для работы в диапазоне относительных влажностей 0-100%.

Современные технологические процессы требуют контроля микроконцентраций влаги в газах различного состава. Использованием в качестве сорбента пленки силикагеля обеспечивается измерение объемной доли влаги в газах в диапазоне (1-1000) х X 10"*. На этой основе в АОКБА совместно с Московским институтом электронной техники разработаны гигрометры ИСТОК-1 и ИСТОК-2.

3000

1800

1200

Рис. 6.5. Статическая характеристика влагочувствительного пьезорезонатора

0 60



Наименование

Значения характеристик гигрометров типа

характеристики

ВОЛНА-1М

ВОЛНА-2 М

ВОЛНА-5

ДЕЛЬТА-1

ПАРУС

Анализируемая

Воздух,

Воздух,

Воздух,

Воздух,

Атмосфер-

среда

инертные

инертные

инертные

инертные

ный воздух

газы

газы

газы

газы

Диапазон измере-

0-100%

0-100%

0-100%

0-100%

0,1 -75 гПа

ний (% относи-

тельной влажно-

сти, гПа)

Основная абсо-

1,5%

2,0%

2,5%

2,0%

0,1-4,5 гПа

лютная погреш-

ность

Динамические

характеристики.

МИН:

постоянная

0,25

времени

время уста-

16,0

16,0

16,0

новления вы-

ходного сиг-

нала

Температура ана-

0-60

0-60

0-60

5-60

-40+41

лизируемой сре-

ды, С

Температура ок-

5-50

5-50

5-50

5-50

5-50

ружающей сре-

ды, °С

Давление анали-

40-133

40-133

40-133

40-133

40-133

зируемой среды,

Вероятность бе-

0,92

0,9 за 1000 ч

зотказной работы

за 2000 ч

Средний срок

службы, лет

Исполнение

Перенос-

Промыш-

Перенос-

Промыш-

Промышлен-

ной, цифро-

ленный, ре-

ной, циф-

ленный,

ный цифро-

гистрирующий

ровой

цифровой, регистрирующий

Принцип действия гигрометра ИСТОК-1 заключается в одновременном преобразовании относительной влажности с помощью пьезосорб-ционного ЧЭ (ПСЧЭ) с силикагелем и температуры газа с помощью кварцевого термопреобразователя в объемную долю влаги [123].

В гигрометре ИСТОК-2 измеряемое с использованием ПСЧЭ с сили-192

Табпица 6.2. Значения характеристик приборов

Наименование ха-

Гигрометр

Гигрометр

Влагомер

рактеристики

исток-1

ИСТОК-2

ПРИБОЙ

Анализируемая среда

Пропилен, азот, воздух

Этален, пропилен, винилхлорид, азот, воздух

Бензол, толуол

Измеряемая величи-

Объемная доля

Объемная доля

Массовая доля

влаги

влаги

влаги

Диапазон измерений

1-1000 млн"

1-1000 млн"

0-100 млн" 0-500 млн"

Основная приведенная +10% в области

±10 В области зна-

±20% наибольше-

погрешность

значений 1 -10 и

чений 1-10 и

го значения диапа-

10-100 млн;

10-100 млн";

зона измерений

±5 В области зна-

±5 В области зна-

чений 100 -

чений 100 -

1000 млн"

1000 млн"

Время установления

показаний, мин

Температура анализи-

20-50

5-50

20-50

руемой среды, С

Температура окружа-

5-50

5-50

5-50

ющей среды, С

Давление анализиру-

343-589

147-981

393-589

емой среды, кПа

Вероятность безот-

казной работы за

1000 ч

Срок службы, лет

Исполнение

Промышленный,

Промышленный,

Промышленный,

цифровой, регист-

цифровой, регист-

цифровой, регист-

рирующий

рирующий

рирующий

кагелем значение относительной влажности преобразуется в объемную долю влаги с помощью термостатирования камеры с ПСЧЭ. Это позволило уменьшить температурную погрешность гигрометра ИСТОК-2 по сравнению с гигрометром ИСТОК-1. Кроме того, у него расширена но- менклатура анализируемых сред.

Датчики этих гигрометров, предназначенные для измерений объемной доли, вьшолнены во в эр ьто защищенном исполнении. В комплект гигрометров входит самопишущий потенциометр.

Технические характеристики гигрометров ИСТОК-1 и ИСТОК-2 приведены в табл. 6.2.

Гигрометр ПАРУС предназначается для измерения парциального давления водяного пара в диапазоне от 0,1 до 75 кПа при температуре от -40 до -!-41 °С. Для обеспечения высокой точности и чувствительности в



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 [31] 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45



0.0115