Безвесильная Е. Н. д.т.н., проф., Ткачук А. Г. к.т.н.

Национальный технический университет Украины "КПИ", Украина

Житомирский государственный технологический университет, Украина

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ВЛАЖНОСТИ С ОХЛАЖДАЮЩИМ ЗЕРКАЛОМ

Вода входит в состав окружающего воздуха и является необходимым компонентом для всех живых существ на Земле. Комфортность окружающих условий определяется, в основном, двумя факторами: относительной влажностью и температурой. Работа многих приборов (высокоимпедансных электронных схем, электростатических чувствительных элементов, высоковольтных приборов и т.п.) также сильно зависит от уровня влажности. Как правило, все характеристики приборов определяются при относительной влажности 50% и температуре 20-25 ° С. Рекомендуется поддерживать такие же условия и в рабочих помещениях. Для количественного определения влажности и содержания воды применяются разные единицы. Влажность газов в системе СИ иногда выражается как количество паров воды в одном кубическом метре (г/м³). Содержание воды в жидкостях и твердых телах обычно задается в процентах от общей массы.

Для измерения влажности используются приборы, которые называются гигрометрами. Чувствительный элемент гигрометра должен избирательно реагировать на изменение концентрации воды. Его реакцией может быть изменение внутренних свойств. Датчики для измерения влажности и температуры точки росы бывают емкостными, электропроводными, вибрационными и оптическими [1].

Большинство датчиков влажности сегодня имеют низкую чувствительность. Поэтому с их помощью нельзя проводить прецизионные измерения. Для этих целей нужно использовать косвенные методы определения влажности. Самым эффективным из них является расчет абсолютной и относительной влажности по температуре точки росы. Точка росы определяется по температуре, при которой жидкая и газообразная фазы воды (в данном случае любого вещества) находится в равновесии. Температура, при которой пар и твердая фаза воды находится в термодинамическом равновесии, называется точкой замерзания. Каждой температуре точки росы соответствует только одно значение давления насыщенного пара. Поэтому, измеряя температуру точки росы при известном смысле давления, всегда можно найти абсолютную влажность [2-3].

Одним из самых точных датчиков влажности сегодня оптический гигрометр. Основным элементом оптического гигрометра является зеркало, температура поверхности которого регулируется с помощью термоэлектрического насоса. Порог чувствительности зеркала настраивается на температуру точки росы. Исследуемый воздух с помощью насоса прогоняется над поверхностью зеркала. Если температура зеркала преобладает точку росы, на его поверхности конденсируются капли воды. При этом отражательные свойства зеркала меняются, поскольку капли воды рассеивают лучи света, детектируется соответствующим фотодетектором.

Однако, измерения влажности данным методом имеет ряд недостатков: относительно высокую стоимость, возможность загрязнения зеркальной поверхности и достаточно высокое потребление электроэнергии тепловым насосом. Поэтому предложено использовать для измерения влажности пьезоэлектрический датчик (гигрометр) влажности с охлаждаемым зеркалом (рис. 1). Основная идея таких датчиков аналогична идее оптических гигрометров с охлаждаемым зеркалом. Разница между ними заключается в том, что точка росы определяется не по изменению оптического коэффициента отражения поверхности, а по измерению массы охлаждающей пластины. Эта пластина изготавливается из тонкого кварцевого кристалла, который является частью колебательного контура.

Рис.1. Пьезоэлектрический датчик влажности с охлаждающим зеркалом

Охладитель Пельтье с высокой точностью контролирует температуру кварцевого кристалла. При снижении температуры до точки росы на поверхности пластины формируется тонкая пленка из конденсированной воды, что вызывает изменение массы кристалла. Это приводит к сдвигу резонансной частоты колебательного контура от f₀ до f₁. Новая частота определяется толщиной слоя воды. Сдвиг по частоте приводит к изменению тока в охладители Пельтье, который пытается стабилизировать температуру на поверхности кристалла, близкой к точке росы.

Литература:

1. Безвесильная Е.Н. Технологические измерения и приборы. Преобразовательные приборов и компьютеризированных систем: учебник для студентов приборостроительных спец. / Е.Н. Безвесильная, Г.С. Тымчик. - Житомир: ЖДТУ, 2013. - 902 с.

2. Безвесільна О.М. П’єзоелектричний гравіметр авіаційної гравіметричної системи: монографія / О.М. Безвесільна, А.Г. Ткачук. – Житомир : ЖДТУ, 2013. – 240 с.

3. Безвесільна О.М. Структурна схема перетворення вхідного сигналу чутливим елементом п’єзоелектричного гравіметра авіаційної гравіметричної системи / О. М. Безвесільна, А.Г. Ткачук // Міжнар. наук. журнал «Технологічні комплекси». – 2013. – № 1(7). – С. 43–50.