ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СОРБЦИОННЫЕ ДАТЧИКИ

Сорбционные ЭГД можно разделить на адсорбцион­ные и абсорбционные. В первых используется явление адсорбции влаги внешней поверхностью материала в виде тонкого слоя, а объектом измерения являются электрические характеристики этой поверхности (напри­мер, поверхностное сопротивление), обусловленные нали­чием на ней водной пленки с ионами водорастворимых веществ. В ЭГД второй группы чувствительный элемент представляет собой тонкий слой влагочувствителыюго материала на водостойкой подложке или определенный объем капиллярнопористого материала. Механизм дей- стия датчиков второй группы аналогичен: водяной пар, содержащийся в газе, поглощается капиллярами всего объема чувствительного элемента и изменяет его объем­ные электрические характеристики. Приведенное подраз­деление сорбционных ЭГД на две группы несколько условно. Образование на поверхности водной пленки у некоторых материалов сопровождается увлажнением примыкающих к поверхности слоев материала, электри - 276 ческие характеристики которых также влияют на резуль­тат измерения.

Статическая характеристика абсорбционных ЭГД — зависимость выходной электрической величины от зна­чения измеряемой влажности газа — определяется двумя функциями:

А) зависимостью влагоеодержания материала чувст­вительного элемента от влажности воздуха, т. е. изотер­мами сорбции и десорбции материала этого элемента;

Б) зависимостью измеряемой электрической величины (сопротивления в цепи постоянного или переменного то­ка, емкости, тангенса угла диэлектрических потерь и т. п.) от влагоеодержания чувствительного элемента; характер этой зависимости был рассмотрен в первой ча­сти книги.

Равновесная влажность материала является его ин­дивидуальной характеристикой; поэтому статическая ха­рактеристика, даже у ЭГД одного типа, имеющих влаго - чувствительные элементы из различных материалов, не совпадает. Ее можно вычислить, если известны указан­ные выше две функции, но на практике ЭГД градуируют эмпирически..

Как уже отмечалось выше, поверхностное сопротив­ление измеряется, строго говоря, только у тех ЭГД, у ко­торых тонкая водная пленка образуется на гладкой по­верхности водостойкого непористого диэлектрика (стек­ла, кварца, некоторых видов обожженной керамики и т. д.). Достоинствами таких ЭГД являются резкие из­менения поверхностного сопротивления с влажностью и малая инерция; поверхностное сопротивление можно измерять при постоянном токе. Однако это - сопротивле­ние зависит от состояния поверхности диэлектрика и очень чувствительно ко всякого рода загрязнениям по­верхности и наличию в воздухе паров аммиака, спирта, ацетона и других полярных жидкостей.

По указанным причинам ЭГД чисто адсорбционного типа не нашли широкого применения. Подложкой датчи­ков вначале служили преимущественно стекла различ­ных сортов; иногда их предварительно подвергали обра­ботке— термической или другой. В современных, ЭГД предпочтение отдают кварцу, чаще плавленому. На по­верхность кварцевой пластины напыляют электроды из благородных металлов, например, гребенкообразной формы.

Значительно, больше распространены ЭГД с пористым диэлектриком, у которых основным процессом является адсорбция влаги на внутренней поверхности пор. Дат­чики этого типа более инерционны, чем чисто адсорбци­онные, но обладают более устойчивыми характеристика­ми. Известно большое количество ЭГД этого типа, имею­щих в качестве влагочувствительного элемента тонкие слои разнообразных пористых материалов; рассмотрим некоторые примеры. Датчики, разработанные В НИКИ «Цветметавтоматика» I[J1. 8-9], имеют чувствительный элемент в виде пластины из микропористого эбонита (пористость около 58% при диаметре пор до 0,5 мкм) Толщиной 0,3 мм на поверхность пластины напылением нанесены электроды. Серийно выпускаемый гигрометр с датчиком этого типа, термостатированным при тем­пературе 40±.2°С. предназначен для измерения абсо­лютной влажности в пределах 1—Ю г/ж3.

Стабильность характеристики датчика обеспечивается тем, что измерения производятся на постоянном токе при плотности тока, не превышающей Ю-9 а/см2.

Для увеличения чувствительности датчика при изме­рении низких значений абсолютной влажности (0,1— 0,8 г/см3) чувствительный элемент пропитывали водным раствором хлористого лития. Проводимость пропитанно­го датчика определяется не только проводимостью плен­ки воды, адсорбированной поверхностью пор, но и элек­тролитической проводимостью раствора LiCl, заполняю­щего поры; такой датчик является сорбциопно-электро - литическим. Однако долговременная стабильность харак­теристики такого датчика оказалась недостаточно удов­летворительной.

Другие сорбционные ЭГД имеют в качестве чувстви­тельного элемента диск из бутирата ацетилцеллюлозы или других эфиров целлюлозы, толщина которого не пре­вышает одного или нескольких десятков микрометров. Электродами служат влагопроницаемые слои графита, нанесенные на обе поверхности диска.

В другом варианте электроды представляют собой слои пористого диэлектрика, содержащие матрицу тонко диспергированных частиц графита. Выходной величиной датчика является электрическая емкость. В качестве вла­гочувствительного материала нередко используют твер­дые сорбенты. В датчиках конструкции автора {Л. 0-1] основанием служил цилиндр из органического стекла, на поверхность которого наносится слой мелко измельчён­ного (величина частиц 30—50 мкм) силикагеля. Недо­статком этих датчиков является большая величина со­противления (измеряемого на постоянном токе) при от­носительной влажности воздуха ниже 40—50%- Другие ЭГД имели чувствительный элемент в виде диска из прессованного цеолита, предварительно измельченного до порошкообразного состояния. Цеолиты - наносились так­же в виде тонких слоев на водостойкие основания.

В абсорбционных ЭГД используется не тонкий слой, а определенный объем гигроскопического материала. Большинство капиллярнопористых материалов очень лег­ко поглощает влагу, но лишь немногие из них так же легко отдают ее и свободны от сорбционного гистерези­са. Заполнение капилляров водяным паром вызывает резкое уменьшение объемного сопротивления; в то же время наличие разветвленных капилляров увеличивает инерционность ЭГД этого типа. Кроме того, им присущи также гистерезис и нестабильность характеристик. Не­смотря. на эти недостатки, был создан ряд датчиков этого типа с использованием разных твердых материалов или отдельных волокон и тканей из волокон. Чувствительным элементом являлись, например, стеклянное волокно или нейлоновая ткань, зажатые между двумя перфорирован­ными металлическими пластинами, а также искусствен­ное волокно с вплетенными в ткань серебряными нитями, выполняющими роль электродов. Более широкое приме­нение нашли пористые керамические материалы, напри­мер смеси с окисью церия и двуокисью титана. Достоин­ство этих датчиков — способность переносить длительное воздействие газов с относительной влажностью, равной 100%.

Наибольшее практическое значение имеют сорбцион - ные датчики следующих типов: угольные, пьезокварцевые и алюминиевооксидные.

Угольные ЭГД имеют влагочувствительный эле­мент в виде пленки гигроскопического связующего веще­ства, содержащего в виде суспензии тонко размолотые частицы угля. Чаще всего связующим служит целлюлоза или ее соединение (например, гидроксилэтилцеллюлоза или ацетилцеллюлоза) с добавками желатина, а иногда и других - веществ. Технология изготовления датчиков описана в {Л. 8-10]. Уголь часто вводится в связующее в виде сажи (ацетиленовой). Влагочувствительная плен­ка наносится методом погружения (реже набрызгйва - ния) на основание — прямоугольную пластину из твер­дого диэлектрика (оргстекла или полистирола). Боко­вые длинные грани пластины покрывают металлом, например серебром; эти металлические слои служат электродами. Значительно реже применяют основания цилиндрической формы и проволочные спиральные элек­троды.

Выходной величиной угольного датчика служит его электрическое сопротивление. Согласно общепринятой теории проводимость пленки изменяется в результате ее сжатия или расширения под. влиянием сорбированной влаги. Деформация пленки вызывает перемещение про­водящих частиц угля. Некоторые исследователи [Л. 8-10] подвергают сомнению деформационный механизм дейст­вия датчика и считают его чисто сорбционным, обуслов­ленным целлюлозными составляющими пленки.

Однако зависимость Дж(ф)—сопротивления угольно­го датчика от относительной влажности воздуха имеет характер, противоположный наблюдаемому не только у электролитических, но и других сорбционных ЭГД. При постоянной температуре сопротивление датчика уве­личивается с ростом влажности, что может свидетельст­вовать о преобладании электронной проводимости над ионной. Для угольных датчиков характерно явление ги­стерезиса; наличие гистерезисной петли шириной до 10% для диапазона относительной влажности 10^чр^100% было установлено у датчиков, разработанных в СССР {Л. 8-11]. Сопротивление Rx при ф=const увеличивается с повышением температуры, причем температурный ко- эфициент непостоянен.

Форма переходной характеристики угольного датчи­ка несколько отличается от простой экспоненциальной; в частности, ей свойственно более быстрое нарастание выходной величины на начальном участке. Следователь­но, датчик следует рассматривать как инерционное зве­но, порядок которого выше первого. На практике инер­ционность датчика характеризуют одной постоянной вре­мени Т. Быстродействие угольных ЭГД достаточно высо­ко. Так, например, упомянутые отечественные датчики имели при 0 °С и неподвижном воздуха Т=2 сек при увеличении влажности и Т=6 сек при ее уменьшении. Как и у других ЭГД, постоянная времени уменьшается с ростом скорости воздуха, увеличивается при пониже­нии температуры и, в меньшей степени, при повышении влажности.

Угольные датчики выпускаются рядом приборострои­тельных фирм и нашли применение преимущественно в радиозондах; благодаря высокому быстродействию и отсутствию отказов при насыщении атмосферы влагой они стали основными конкурентами хлористолитиевых ЭГД в этой области. Их широкому применению в про­мышленности препятствует, кроме значительного сорб - ционного гистерезиса, нестабильность характеристик.

Пьезокварцевые сорбционные датчики основаны на изменении параметров (амплитуда и часто­та колебаний) кварцевого резонатора в результате ад­сорбции влаги на его поверхности или сорбции влаги гигроскопической пленкой,.нанесенной на поверхность кварца. Выходной величиной влагочувствительных эле­ментов обоих типов в большинстве случаев служит соб­ственная частота колебаний пьезокварца, уменьшающая­ся с ростом измеряемой влажности.

Первоначально разрабатывались чисто адсорбцион­ные пьезокварцевые датчики, т. е. без гигроскопической пленки. Их принцип действия основан на прямом изме­нении эквивалентного сопротивления кварцевого резона­тора в результате адсорбции водяных паров и обуслов­ленного ею затухания упругих колебаний в поверхност­ном слое кварца и его металлизированном покрытии. Один из первых гигрометров с таким датчиком имел про­стую схему, состоящую из двух ламповых генераторов, собранных на двух половинах двойного триода. В {Л. 8-12] исследованы влияние влажности воздуха на составляющие эквивалентного сопротивления кварцево­го резонатора и зависимость его характеристик от тем­пературы и давления газа.

Значительно большее распространение нашли пьезо­кварцевые датчики с тонким слоем влагосорбирующего вещества, наносимого на металлизированную Поверх­ность кварца. Такой датчик представляет собой сочета­ние влагочувствительного элемента сорбционного типа с пьезокварцевым преобразователем, измеряющим сор­бированную массу влаги. В датчиках этого типа ценой некоторого увеличения инерционности достигают высокой чувствительности и понижения нижнего предела измере­ний в область микровлагосодержаний. Влагочувствитель - ный слой изготовляют из материалов с микропористой структурой, используемых в электрических сорбционных датчиках других типов, — молекулярных, сит типа цеоли­тов, пленок двуокисей кремния, пятиокиси фосфора, сульфированного полистирола и других гигроскопиче­ских полимеров и природных смол. Влагочувствительный материал должен иметь минимальный сорбционный ги­стерезис и обладать устойчивостью характеристик во времени. Последнее требование не выполняют некоторые фтористые соединения, например NaF, LiF. Полярные жидкости типа полиэтиленгликоля обеспечивают малую инерционность, но неудовлетворительны по устойчиво­сти и избирательности к водяному пару [JL 8-13]. В по­следнее время предлагалось применение в качестве сор­бента водорастворимых солей (СаСІг, LiBr, LiCl) с до­бавкой в качестве связующего поливинилового спирта или полимерных пленок.

Статическую характеристику датчика можно прибли­женно описать уравнением

Ill

Где Дf — изменение частотьі резонатора, соответствую­щее изменению Ат массы сорбата (влаги); р&, S — соот­ветственно плотность и площадь поверхностного слоя кварцевой пластины; R, — частотный коэффициент, за­висящий от типа среза и формы пьезопластины.

Чувствительность датчика можно считать постоянной величиной ЛИШЬ ДЛЯ'ТОНКИХ пленок (толщиной до 30 — 50 нм). У выполненных приборов она составляла 200 — 400 гц/мкг влаги. Максимальная допустимая загрузка кварца пленкой уменьшается с ростом частоты, но одно­временно значительно повышается его чувствительность. Верхний предел частоты ограничен величиной 15 Мгц из соображений механической прочности. Чаще всего рабо­чая частота гигрометров с пьезокварцевыми датчиками составляет 8—-9 Мгц. В {JI. 8-14] рекомендуется исполь­зовать пьезопластины с моночастотной характеристикой, Для такой пластины с пленкой Si02 определенной пори­стой структуры при /=8,19 Мгц выведена зависимость Af от относительной влажности хр воздуха:

Где | — отношение толщины пленки к предельно допу­стимой, вызывающей потерю работоспособности резона­тора; Т — температура воздуха.

ҐІьезбкварцевьіе датчики с вл агочувcfвйтельной плёН - кой имеют очень широкие пределы измерений — от 0,1 до "30ООО м. д., причем верхний предел соответствует 1ф=100%- С увеличением диаметра пор влагочувстви - тельного покрытия верхний предел повышается, но одно­временно уменьшается чувствительность датчика.

Количество влаги, сорбированной пленкой, опреде­ляется ее сорбционными изотермами; это предопределяет влияние температуры и давления исследуемого газа на результат измерения влажности. Минимальное значение ТКЧ (температурного коэффициента частоты) в интерва­ле температур —40-4-+60°С имеют кварцевые пластины среза AT.

Эмпирическое выражение для температурной погреш­ности 8 датчиков с пленкой Si02 при измерениях отно­сительной влажности ф воздуха имеет вид {Л. 8-14]:

Где AT—разность температур градуировки и измерения.

Измерительные устройства гигрометров используют частотную модуляцию с помощью пьезокварцевого дат­чика, включенного в колебательный контур генератбра, и рассчитаны на автоматическое непрерывное измере­ние. Для компенсации погрешностей — температурных и от наличия газовых примесей—они строятся на прин­ципе сравнения, реализуемом двумя различными спосо­бами.

В первом (рис. 8-5,с) применяются два кварцевых резонатора, имеющих одинаковые ТКЧ. Один из них — измерительный — обтекается потоком анализируемого га­за; второй (без влагочувствительного покрытия) — опор­ный— герметизирован. Кварцевые резонаторы управ­ляют частотой колебаний двух ламповых или полупро-" водниковых генераторов — .измерительного и опорного. Частоты обоих генераторов сравниваются в смесителе;. частота биений Af характеризует влагосодержание газа. Для настройки нуля гигрометра через измерительный резонатор пропускают абсолютно сухой газ.

Вторая, более сложная схема (рис. 8-5,6) имеет два одинаковых пьезокварцевых датчика; в один из них по­ступает поток анализируемого газа, а во второй — об­разцового (полностью осушенного). Переключающее устройство периодически изменяет направления обоих потоков газа.

Гигрометры с пьезодатчиками с чувствительной плен­кой имеют удобную для измерения естественную выход­ную величину, широкие пределы измерений, малую инерционность, достаточную чувствительность, в том числе и в области малых и микровлагосодержаний, они применимы для воздуха и различных газов. К их не­достаткам относятся чувствительность к изменениям плотности и вязкости исследуемого газа, а также погло­щение некоторых компонентов газа, кроме водяного пара. Ошибка может достичь ощутимой величины, если эталоном служит осушенный азот, а исследуемая газо­вая смесь имеет влагосодержание, близкое к нулю, и содержит -примеси двуокиси углерода, хлористого водо­рода, метилового спирта и т. д.

Погрешности вызываются также осаждением пыли и других механических загрязнений газа на поверхности пленки, а в случае применения полимерных пленок — их старением.

Алюминиев о-о к с и д н ы е ЭГД, предложенные английскими исследователями {JT. 8-15], имеют в качестве влагочувстби-теЛьного элемента плёнку окйси алюми­ния, полученную на поверхности чистого алюминия электролитическим путем — анодированием в растворе серной кислоты (реже щавелевой или хромовой). Выбор режима анодирования (температура раствора и концен­трация кислоты в нем, плотность тока и длительность анодирования) позволяет получить нужные параметры ^жсидной пленки — толщину и пористость. Различные режимы и методики анодирования, применяемые на практике, приведены в[Л. 8-15—8-18].

Оксидный слой, образованный на алюминиевой под­ложке, можно рассматривать как двухслойную пори­стую структуру, состоящую из: а) внешнего слоя с вы­сокой пористостью, обеспечивающей адсорбцию паров на поверхности стенок пор; б) прилегающего к подлож­ке тонкого, непористого и более плотного («барьерного») :лоя. По данным |[Л. 8-16], толщину барьерного Слоя можно изменять «вторым анодированием» в растворе борнокислого аммония при повышенном напряжении.

Алюминиевая подложка является одним из электро­дов датчика. Вторым электродом служит тонкий (прони­цаемый для водяных паров) слой проводящего вещест­ва, нанесенный на внешнюю поверхность оксидного покрытия. Вначале применялся графит, в последую­щем — слой металла (чаще всего золота, реже серебра, алюминия, палладия или платины), нанесенный на часть поверхности окиси алюминия испарением в ва­кууме. Основные требования к внешнему электроду — хорошая адгезия, максимальная влагопроницаемость и минимальное электрическое сопротивление.

Известны две конструктивные модификации ЭГД рассматриваемого типа. У «стержневых» датчиков под­ложкой для влагочувствительной пленки служит цилин­дрический алюминиевый стержень (чаще всего отрезок прутка или проволоки). Плоские датчики имеют осно­вание из тонкого листового алюминия (иногда алюми­ниевой фольги). Форма основания — прямоугольная, реже круглая, а форму внешнего электрода и его рас­положение задают с помощью металлического трафа­рета. Вывод к внешнему электроду целесообразно при­креплять в той части основания, где отсутствует влаго- чувствительное покрытие. Отметим еще предложение [Л. 8-19] изготовлять датчик из двух скрученных или сплетенных алюминиевых проволочек малого диаметра (0,3—0,4 мм), покрытых слоем окйсй; проЁоЛоЧки ВЫ­ПОЛНЯЮТ роль электродов. При этом отпадает необхо­димость нанесения внешнего электрода, что существенно упрощает изготовление датчика. Сведения о практиче­ском применении такой конструкции отсутствуют.

Характеристики алюминиевооксидных ЭГД опреде­ляются главным образом свойствами оксидной пленки. Идеализированная модель этой пленки (рис. 8-6,с) основана на представлении пористого слоя в виде сово­купности плотно упакованных элементарных ячеек, каж­дая из которых имеет вертикальную пору, доходящую

До тонкого барьерного слоя. Такую модель можно опи­сать различными электрическими схемами замещения в цепи переменного тока. По схеме, представленной на рис. 8-6,6 [Л. 8-15], С0 и R0—емкость и сопротивление всей пленки между электродами; Ri — поверхностное сопротивление стенок капилляров; Rz, Сг — параметры барьерного слоя.

В схеме замещения (рис. 8-6,в) [Л. 8-16] нижняя цепь соответствует барьерному слою (R%, Cz), правая ветвь верхней цепи — поре (Ri), а левая ветвь (Дз, Сз)—ма­териалу пористого слоя.

Наконец, в схеме (рис. 8-6,г) пористый слой {Ri, Сі) и барьерный (Rz, С2) соединены переходным сопротив­лением г.

Из всех схем замещения следует, что: а) полное со­противление датчика имеет активную и емкостную со­ставляющие — выходной величиной может служить пол­ное сопротивление или любая из его составляющих; б) электрические параметры датчика определяются па­раметрами как пористого, так и барьерного слоев.

Если считать пористый слой источником полезного сигнала, а барьерный — источником помех, логическим следствием является предложение l[JI. 8-20] уже в про­цессе изготовления датчика уничтожать барьерный слой путем соответствующей обработки подложки с примы­кающим к ней плотным слоем (амальгамирование или растворение в кислотах).

Ком

60

40

Го

О „

80 40 60 % ' 45 50 55 60%

А) б)

Рис. 8-7. Зависимость электрических свойств ЭГД с окисью алю­миния от влажности воздуха.

Однако во всех применяемых датчиках барьерный слой сохраняется. Его влияние на параметры датчика зависит от степени увлажнения пленки. Так, при низкой влажности значение Ri (рис. 8-6,6) очень велико и шун­тирующее влияние С2 на С0 незначительно, а при высо­кой влажности значение Ri сильно уменьшается и роль С'і возрастает.

Влажностные характеристики датчиков получают экспериментальным путем при постоянной температуре. На рис. 8-7 приведены снятые при /=20 °С влажностные характеристики датчика, изготовленного автором, — за­висимость от относительной влажности воздуха полного сопротивления при частоте /=50 гц (рис. 8-7,о), емкости й тангенса угла диэлектрических потерь при /=1000 гц
(рис. 8-7,6). На форму характеристик (т. е. на чувстви­тельность датчика, пределы измерений и другие свой­ства) можно воздействовать выбором тех параметров методики изготовления, которые определяют размеры и свойства оксидной-пленки, а также параметров измери­тельного устройства. Важное значение имеет толщина пористого слоя пленки: с ее увеличением минимальное измеряемое значение влажности ф перемещается в сто­рону высоких ф и увеличивается чувствительность дат­чика в этой области. Полная проводимость плоского датчика зависит от напряжения «второго анодирования» [JI. 8-16] при ф>40%; уменьшению этого напряжения (в пределах 50—300 в) соответствует увеличение абсо­лютного значения проводимости и чувствительности дат­чика. Зависимость tg6 от частоты (в пределах F=30-г - 106 гц), исследованная для плоского датчика, показала, что при |ф=0 tg 6 ~0,005 н-0,008 и почти не зависит от F. С увеличением - ф возрастают значения tg б и частотные характеристики tg6(f) при ф=const имеют четко выра­женный максимум, который с ростом ф закономерно сдвигается в сторону высоких ф.

Обычные оксидные датчики позволяют измерять от­носительную влажность в пределах 20-=-30< ф < 100 %. Для смещения нижнего предела в область малых и мик - ровлагосодержаний и повышения чувствительности в этой области было предложено [Л. 8-21] заполнять поры оксидной пленки насыщенным водным раствором гигроскопической соли до нанесения на пленку внешнего электрода. Раствором заполняется только часть объема пор без образования сквозных проводящих мостиков между электродами. Раствор LiCl позволяет измерять температуры точки росы % от —120 до —20°С, раствор СаС12 от —70 до 0°С. На базе таких датчиков выпу­скают гигрометры для измерения микроконцентра'ций влаги, начиная с долей 1 • 10_6, не только в газах, но и в жидкостях. Недостаток этих ЭГД — высокая чувстви­тельность к перегрузкам по влажности, приводящая к выходу чувствительного элемента из строя при кон­такте с атмосферным воздухом больше 5—10 сек. Ука­занная особенность вынуждает хранить датчики в за­крытых контейнерах с молекулярными ситами ~—100°С). Относительно дополнительных погрешно­стей оксидных ЭГД имеются противоречивые данные. Экспериментальные данные, полученные для стержне­вых датчиков в диапазоне температур —15-ь80 °С [JT. 8-15] и для плоских датчиков при температурах от комнатных до —90 °С, свидетельствуют о том, что тем­пературная погрешность близка к нулю; гистерезис от­сутствует, если датчики не находились длительное время в воздухе, насыщенном водяным паром.

Другие исследователи [Л. 8-16 и 8-18] отмечают до­вольно большие температурные погрешности и гистере - зисные явления.

Инерционность датчика определяется процессами диффузии водяного пара через слой газа к поверхности пленки и главным образом (в движущемся газе) диф­фузии и адсорбции внутри влагочувствительного слоя. Рассматриваемые ЭГД. можно аппроксимировать апе­риодическим звеном первого порядка. Постоянная вре­мени Т при понижении влажности больше, чем при по­вышении; ее величина зависит также от начальной влажности и увеличивается при понижении температуры. У датчиков обычной конструкции Т в среднем исчисля­ется несколькими 'секундами, иногда десятью и больше.

Доказана возможность миниатюризации оксидных ЭГД со значительным повышением их быстродействия. Для этого необходимо предельно уменьшить толщину влагочувствительной пленки, а также исключить сопри­косновение с ней гигроскопических материалов. Мини­атюрный датчик для радиозондов весом не более 12 мг (основание из алюминиевой фольги толщиной около 0,08 мм со слоем окиси толщиной около 2 мкм) имел постоянную времени (для температуры 24 °С) около 0,1 сек при повышении относительной влажности с 0 до 50% и около 0,3 сек при понижении со 100 до 50%' [Л. 8-17]. Еще большим быстродействием (7^0,025 сек) Обладает микродатчик для динамических измерений гра­диентов и полей влажности вблизи поверхности влаж­ных тел [Л. 8-22].

Основным недостатком алюминиевооксидных ЭГД является их старение. Постепенное изменение характе­ристик наблюдалось у оксидных датчиков в самых раз­личных условиях хранения и эксплуатации. Иногда по истечении длительного времени (несколько месяцев) характеристики стабилизировались, но в большинстве случаев уменьшение чувствительности датчиков во вре­мени ие прекращалось полностью. Для предотвращения старения применялись различные способы — искусствен­ное старение, термообработка пленки и т. д. Было вы­сказано предположение, что причиной старения являет­ся медленное уменьшение проводимости стенок и осно­ваний пор в результате процесса диффузии легких анионов, образованных в процессе анодирования, со сте­нок капилляров в кристаллическую структуру окиси. Для замены этих анионов более тяжелыми, предлага­лось погружать датчики на 1—2 сек в насыщенный рас­твор некоторых солей, например вольфрамовокислого натрия, а затем подвергать искусственному старению пе­риодическим изменением относительной влажности окружающего воздуха fJT. 8-15]. Все эти способы в луч­шем случае позволяют замедлить процесс старения и стабилизировать характеристики на несколько недель или месяцев.

В гигрометрах с оксидными ЭГД применялись схемы измерения емкости или полной проводимости, построен­ные на различных принципах. Простейшей является последовательная схема омметра на частоте 50 гц (см. рис. 4-3,а). Другим устройством, работающим на той же частоте, является баллистический преобразователь емко­сти в силу тока по принципу накопления количества электричества в конденсаторе. В современных схемах этого типа вместо электромеханических переключателей или реле применяют бесконтактные переключающие устройства. Для измерения полного сопротивления дат­чика применялись также мосты низких звуковых частот (F^2-^-3 кгц) и резонансные схемы на радиочастотах на принципе биений или генераторы с частотой, моду­лируемой датчиком и измеряемой частотным детекто­ром; эти схемы аналогичны применяемым в диэлькомет­рических влагомерах (см. § 4-2).

Алюминиевооксидные ЭГД представляют большой интерес для многих областей науки и техники благодаря своим достоинствам: низкая стоимость, механическая прочность, простота изготовления, возможность получе­ния взаимозаменяемых датчиков и их миниатюризации, малоинерционность, возможность измерений микровла - госодержаний газов и жидкостей и измерений при отри­цательных температурах.

Препятствием к широкому практическому примене­нию этих датчиков является лишь то, что до сих пор не решена полностью задача долговременной стабили­зации их характеристик.

Кроме Окйсй алюминия, в, сорбционных ЭГД исполь­зовались окиси и других металлов, имеющие развитую пористую поверхность, например пленки двуокиси олова, наносимые испарением в вакууме на фарфоровый стер­жень. У другого ЭГД, основанного на технике изготов­ления термисторов, влагочувствительный элемент содер­жит окись кобальта {JL 8-23]. До­стоинством последних двух датчи­ков является возможность работы при температурах выше 100 °С.

Для ЭГД с оксидным слоем ав­тором разработан способ темпера­турной компенсации. Схема гидро - термодатчика, (построенного с ис­пользованием этого способа, показа­на на рис. 8-8. На внутренней и внешней цилиндрических поверхно­стях тонкостенной алюминиевой трубки / имеются оксидные СЛОИ 2 И 3; поверх этих слоев нанесены проводящие графитовые слои (электроды) 4. Внутренняя полость трубки 1 запол­нена влагоизолирующим лаком 5, вследствие чего влаго­чувствительный слой 3 находится в гигротермическом, а слой 2 только в термическом равновесии с окружаю­щей средой. Такой «совмещенный гигротермодатчик» по­зволяет одновременно измерять влажность и темпера­туру среды. На этом принципе можно осуществлять тем­пературную компенсацию ЭГД различных типов и кон-'' струкций.