Чувствительный элемент для измерения влажности воздуха

Авторы патента:


 

Настоящее техническое решение относится к измерительной технике и предназначено для измерения влажности воздуха. Предложено техническое решение, использующее оптические свойства фотонно-кристаллической пленки, пропитанную неорганическим солевым составом и нанесенную на подложку, выполненную из стекла или кварца. Технический эффект заявляемого технического решения заключается в повышении чувствительности изменений относительной влажности с точностью до 2% без калибровки в течение более года, повышении контрастности индикации чувствительного элемента, а так же в расширении ассортимента устройств данного назначения. Формула полезной модели содержит один независимый пункт и два зависимых пункта.

Настоящее техническое решение относится к измерительной технике и предназначено для измерения влажности воздуха.

Известно техническое решение, представленное в датчике влажности на основе композиции соли и полимера матрицы (патент US 5022045 «Optical-type, phase transition humidity-responsive devices», МПК G01N 21/81, опубликовано 04.06.1991). Данное техническое решение основывается на двулучепреломлении композиции полимера и неорганической соли.

Недостатками этого технического решения является применение полимерных материалов и неупорядоченная структура данных композиций. Полимерные материалы имеют большой коэффициент температурного расширения. Они недолговечны особенно в присутствии ультрафиолета. Неупорядоченная структура этих материалов снижает оптический контраст при пропускании и отражении света.

Известно техническое решение представленное в элементе для измерения влажности воздуха (патент US 4150570 «Humidity sensing devices», МПК G30W 1/02; G01W 1/11, опубликовано 24.04.1979), выбранное в качество прототипа. В качестве чувствительного элемента представлена подложка, выполненная из пластмассы и пропитанная неорганическим солевым составом. Подложка имеет водонепроницаемый прозрачный покрывающий слой, индикаторный слой включающий прозрачный покрывающий материал и неорганическую композицию из соли, нанесенную на этот прозрачный покрывающий материал. Водопроницаемый отражающий слой, позади индикаторного слоя, отражает свет проходящий через покрывающий слой и индикаторный слой. Свет отражается и проходит опять через индикаторный слой и покрывающий слой. Изменение прозрачности индикаторного слоя легко регистрируется.

Недостатками данного технического решения является применение неструктурированного композиции из неорганической соли и пластмассы. Применение пластмассы как среды для индикации влажности делает зависимым показания данного датчика от температуры окружающей среды. В тоже время неупорядоченная структура композиции пластика и соли не обеспечивает высокой контрастности датчика.

Перед авторами стояла задача разработать чувствительный элемент для измерения влажности воздуха, имеющий высокую временную стабильность показаний в широком диапазоне температур.

Поставленная задача решается тем, что чувствительный элемент для измерения влажности воздуха, содержащий подложку, индикаторный слой, нанесенный на подложку, и пропитанный неорганическим солевым составом дополнительно оснащен термоэлектрическим холодильником с отверстием для прохождения света, расположенный в тепловом контакте с подложкой, а индикаторный слой, нанесенный на подложку, выполнен в виде фотонно-кристаллической пленки, подложка выполнена в виде материала с низким температурным расширением.

Технический эффект заявляемого технического решения заключается в повышении чувствительности изменений относительной влажности с точностью до 2% без калибровки в течение более года, повышении контрастности индикации чувствительного элемента, а так же в расширении ассортимента устройств данного назначения.

На фиг. 1 представлена блок-схема, поясняющая работу заявляемого чувствительного элемента для измерения влажности воздуха, где 1 - индикаторный слой, 2 - подложка, 3 - термоэлектрический холодильник, 4 - фотоприемник, 5 - источник света.

На фиг. 2 представлено изменение пропускания ФК пленки опала с нанесенной солью NaCl при увеличении относительной влажности с 20% до 80%.

Заявляемый чувствительный элемент для измерения влажности воздуха работает следующим образом. Чувствительный элемент для измерения влажности воздуха содержит индикаторный слой 1 представляющий собой фотонно-кристаллическую пленку, пропитанную неорганическим солевым составом и подложку 2, выполненную из прозрачного материала с малым температурным расширением, например из стекла или кварца. Дополнительно чувствительный элемент для измерения влажности воздуха содержит термоэлектрический холодильник 3, расположенный в тепловом контакте с подложкой. Термоэлектрический холодильник 3 охлаждает подложку для поддержания температуры близкой к точке прозрачности фотонно-кристаллической пленки. Отверстие в термоэлектрическом холодильнике позволяет измерять пропускание фотонно-кристаллической пленки используя источник света 5 и фотоприемник 4.

Индикаторный слой 1, выполненный в виде фотонно-кристаллической пленки нанесенный на стеклянную или металлическую подложку состоит из кремнеземных частиц, уложенных в гранецентрированную кубическую решетку. Вследствие брэгговской дифракции света на периодических плоскостях кристаллической решетки пленка обладает стоп-зоной в видимой области спектра. Причем, за счет упорядоченной структуры фотонно-кристаллической пленки, повышается контрастность индикации заявляемого чувствительного элемента.

Эта фотонно-кристаллическая пленка пропитана насыщенным неорганическим солевым составом, причем концентрация насыщенного раствора NaCl нанесенного на фотонно-кристаллическую пленку в жидком виде примерно равна объему пор фотонно-кристаллической пленки. В отсутствии влаги наличие NaCl не влияет на оптические свойства фотонно-кристаллической пленки.

Пропитка фотонно-кристаллической пленки насыщенным неорганическим солевым составом при увеличении относительной влажности выше порогового значения приводит к исчезновению стоп-зоны в спектре пропускания пленки и многократному увеличению ее пропускания (фиг. 2). С уменьшением влажности фотонно-кристаллическая пленка приобретает первоначальные спектральные характеристики в течение десятка секунд.

Изменение температуры с 25 до 100°C лишь незначительно (~10 нм) сдвигает положение стоп-зоны в коротковолновую область спектра, а увеличение относительной влажности с 20 до 80% приводит к сдвигу стоп-зоны примерно на ту же величину, но в длинно-волновую область спектра.

Вследствие гироскопических свойств неорганических солей превышение порогового значения влажности переводит их в насыщенные растворы. Относительная влажность (RH) над насыщенными водными растворами солей хорошо известна (RH=12% - LiCl, RH=75% - NaCl, RH=85% - KCl при 25°C), и их часто используют для поверки существующих гигрометров. В отсутствие влаги количество нанесенной соли мало и практически не влияет на оптические свойства фотонно-кристаллической пленки. Показатель преломления насыщенного раствора соли близок к показателю преломления кремнезема, поэтому при увеличении влажности выше равновесного значения для заданной соли диэлектрический контраст пропадает и фотонно-кристаллическая пленка становится прозрачной. Увеличение относительной влажности выше равновесного значения для неорганической соли приводит к резкому увеличению пропускания фотонно-кристаллической пленки в спектральной области стоп-зоны, что можно наблюдать при помощи оптических приборов и визуально. Подбор оптимальной концентрации соли и использование фотонно-кристаллических пленок высокого качества позволяет достигать увеличения чувствительности в 10 раз.

Преимуществом чувствительного элемента для измерения влажности воздуха является применение фотонно-кристаллической пленки, пропитанной неорганическим солевым составом, причем прозрачность резко увеличивается при увеличении влажности выше определенного уровня. Обнаруженный эффект позволяет регистрировать более 50 уровней влажности, что определяется подбором солей.

1. Чувствительный элемент для измерения влажности воздуха, содержащий подложку, индикаторный слой, нанесенный на подложку и пропитанный неорганическим солевым составом, отличающийся тем, что он дополнительно оснащен термоэлектрическим холодильником с отверстием для прохождения света, холодильник находится в тепловом контакте с подложкой, а индикаторный слой, нанесенный на подложку, выполнен в виде фотонно-кристаллической пленки, подложка выполнена из прозрачного материала с низким температурным расширением.

2. Чувствительный элемент для измерения влажности воздуха по п. 1, отличающийся тем, что подложка выполнена в виде стекла.

3. Чувствительный элемент для измерения влажности воздуха по п. 1, отличающийся тем, что подложка выполнена в виде кварца.



 

Похожие патенты:
Наверх