ANDURID
NIISKUSANDURID
Niiskuse väärtus mõjutab oluliselt paljusid tootmisprotsesse. Atmosfääriõhu või protsessigaasi niiskus on üks olulisi parameetreid, mis mõjutab toodangu kvaliteeti paljudes tehnoloogilistes protsessides. Seetõttu on gaaside niiskuse mõõtmisel suur tähtsus ja see on tööstuses laialdaselt kasutusel.
Niiskuse põhimääratlused
Gaaside niiskuse kvalitatiivseks määratlemiseks kasutatakse erinevaid ühikuid.
Absoluutne niiskus (veeauru tihedus), d w . See väljendab veeauru massi gaasi mahuühikus. Absoluutset niiskust mõõdetakse grammides kuupmeetrile (g/m<3).
Veeauru osarõhk, p w . See on veeauru rõhk õhus mõõdetuna antud temperatuuril. Seda väljendatakse rõhuühikutes (harilikult hektopaskalites, hPa).
Niiskuse mahusisaldus (veeauru mahukontsentratsioon), Сv . See on määratud kui veeauru mahu ja gaasi mahu suhe. Niiskuse mahusisaldust kasutatakse väga väikeste veeauru koguste iseloomustamiseks. Seda mõõdetakse ppm-ides (osakest miljoni kohta).
Suhteline niiskus, Н(RH). Veeauru osarõhu suhe küllastunud veeauru rõhusse antud temperatuuril. Gaasi küllastuse määr Н iseloomustab gaasi küllastust veeauruga ja seda rakendatakse palju erinevatel teaduse ja tehnoloogia aladel. Suhtelist niiskust mõõdetakse protsentides (0 >£ Н.
Kastepunkti temperatuur, Тр. See on temperatuur, mille juures veeauru osarõhk on maksimaalne. Kastepunkt on temperatuur, mille juures õhu suhteline niiskus on 100%. Kastepunkti kasutatakse veeauru kondenseerumise mõõtmiseks tööstusprotsessides kõrgetel temperatuuriedel.
Temperatuuri-gradiendil põhinevad niiskusandurid
Psühromeetrilised niiskusandurid
Psühromeetrilist meetodit kasutatakse gaasi (peamiselt õhu) suhtelise niiskuse mõõtmiseks temperatuuridel üle 273К ja see põhineb kuiva ja niiske termomeetri näitude sõltuvusele õhuniiskusest. Niiske termomeetri näit sõltub niiskelt pinnalt vee aurustumise intensiivsusest.
Rida mõjureid: termomeetri täpsus, niisket termomeetrit ümbritsev õhuvoog, termomeetrite vastastikune asetus jne. mõjutavad meetodi täpsust ja töökindlust. Temperatuuritundlike elementidena kasutatakse termopaare, termistore, dioode jne.
Kondensatsioon-niiskusandurid
Kondensatsiooni meetod põhineb jahutatud tahkel pinnal veeauru kondenseerumistemperatuuri ning veeauru kontsentratsiooni suhtele. Selle meetodi eelisteks on analüüsitava keskkonna niiskuse mõõtmine laias veeauru kontsentratsiooni, temperatuuri ja niiskuse vahemikus ning anduri kalibreerimine temperatuuri, mitte niiskuse alusel. Selle meetodi teostamisel tuleb detektori kondenseerivat pinda juhitult jahutada, fikseerides täpselt kondensaadi kihi tekkimise momendi ning samaaegselt registreerida kondenseeriva pinna temperatuur.
Kondensaadikihi tekkimise momendi kindlaksmääramiseks kasutatakse pinna akustilistele lainetele põhinevaid optoelektroonilisi ja elektrilisi tehnikaid.
Liitiumkloriidile põhinevad temperatuurigradiendi andurid
Nende andurite tööpõhimõte põhineb LiCl sisaldava soolalahuse kuumutamisele kuni lahuse aururõhk võrdsustub analüüsitava keskkonna veeauru rõhuga. Teades seda temperatuuri, võib määrata veeauru rõhu ja seega – kond AC voltage is fed to the electrodes and current flows in the solution, heats it and makes water evaporate.;Elektroodidele juhitakse vahelduvvool ja elektrivool liigub lahuses, soojendab seda ning aurustab vett.Pärast vee aurustumist elektroode läbiv vool väheneb järsult, kuna kristallilise LiCl voolujuhtivus on oluliselt madalam kui lahusel. Selle tulemusena anduri temperatuur langeb. Seega tekib tasakaal tahke LiCl ja selle lahuse vahel. See tasakaal tekib otsekohe veeauru rõhuga seotud temperatuuril. Temperatuuri mõõdetakse Pt100 anduriga, mis on anduri osaks. Õhu niiskusesisaldus on määratud selle temperatuuriga.
Imendumisel põhinevad niiskusandurid
Selle suure andurite grupi tööpõhimõte põhineb analüüsitavast meediumist niiskuse imendumise nähtusele. Niiskusesisalduse määramiseks kasutatakse keskkonnaga hüdrodünaamilises tasakaalus oleva tundliku elemendi füüsikalis-keemiliste või elektro-füüsikaliste omaduste muutusel.
{0>Sõltuvalt imendumise tüübile ja mehanismile eristatakse adsorptsiooni, absorptsiooni ja keemilise imendumise niiskusandureid.<}0{>Sõltuvalt imendumise tüübist ja mehhanismist eristatakse adsorptsiooni, absorptsiooni ja keemilise imendumise niiskusandureid.<0}
ensatsioonipunkti temperatuuri. Andur koosneb torust, mis on kaetud LiCl lahuses immutatud kangaga. Toru ümber onmähitud kaks korrosioonikindlast materjalist elektroodi.>Absorptsiooniandurites toimub veeauru imendumine mittepoorsel sorbendil või poorse sorbendi pooride pinnal.;Absorptsiooniandurites toimub veeauru imendumine mittepoorsel sorbendil või poorse sorbendi pooride pinnal.Absorptsiooni tüüpi andurites toimub niiskuse imendumine kogu sorbendi mahus. Absorptsiooni tüüpi andurites toimub niiskuse imendumine kogu sorbendi mahus. Keemilise imendumisega andurites imenduv vesi reageerib keemiliselt sorbendi materjaliga.
Adsorptsiooni ja absorptsiooni andurites kaasneb niiskuse imendumisele sorbendis selle massi ja elektro-füüsikaliste parameetrite, nagu takistuse, mahtuvuse, dielektrilise läbitavuse jne muutus. Sellega seoses on olemas pieso-imendumisandureid sisaldavad gravitatsioonilist tüüpi andurid, mis põhinevad sorbendi massi muutustel, ning impedantsiandurid, mis põhinevad sorbendi kogutakistusele (või ühele selle komponentidest).
Gravimeetrilised (pieso-imendumis-) niiskusandurid
Seda tüüpi andurites muutub niiskuse imendumisel sorbendi mass. Sorbent asetatakse pieso-kvartsresonaatori pinnale, mille tulemusel resonantssageduse muutus on Δf
(7.1)
k us f0 on kvartsresonaatori resonantssagedus, N on sageduskonstant, ρk on piesoelemendi tihedus, S on piesoelemendi pindala, Δm on sorbendi massi muutus.
Pieso-imendumisanduri väljundsignaal on määratud sorbendi imendumisaktiivsusega.
Pieso-kvartsresonaatorite kõrval toodetakse seda tüüpi andureid, mis põhinevadpinna akustilistele lainetele (surface acoustic waves) (SAW). Nende tööpõhimõte kasutab samuti enamasti polümeeri baasil toodetud niiskustundliku kihi massi muutust. Akustiliste lainete tüüp on määratud piesoelektrilise alusmaterjali omadustega ja elektroodi struktuuriga, mis moodustavad akustilise laine saatja ja vastuvõtja (joonis 7.1).
Joonis 7.1. Pieso-kvartsresonaator
Niiskustundliku kihi dielektrilise konstandi massi või elektrijuhtivuse suurenemine niiskuse imendumise tulemusel põhjustab pinna akustiliste lainete (SAW) kiiruse vähenemise. Anduri väljundi muutus võib põhineda laine kiiruse, sageduse või faasi muutusele.
Pinna akustiliste lainetele (SAW) põhinev andur, mis on valmistatud LiNbO3 alusele kantud niiskustundliku polüvinüül-alkoholile põhineva kihiga (PVA), on näidatud joonisel 7.2a.
Joonis 7.2 Pinna akustiliste lainetele (SAW) põhinev andur
Väljundsignaali faasi muutus suhtelise niiskuse funktsioonina on kujutatud joonisel 7.3b.
Imendumis-impedants-niiskusandurid
Imendumisimpedantsi niiskusandurite töö põhineb niiskustundliku kihi impedantsile sõltuvalt imendunud niiskusest. Enamus juhtudel seda tüüpi andurite aseskeemi võib kujutada rööbiti ühendatud takisti ja kondensaatori kujul. Selle aseskeemi takistus on määratud järgmiselt:
(7.1)
kus Z on kogutakistus, R ja C on elektroodidevahelise sorbendikihi aktiivtakistus ja mahtuvus, f on toitepinge sagedus.
- Polümeerist niiskustundliku kihiga andurid
Praktiliselt kõigi orgaaniliste polümeermaterjalide füüsikalis-keemilised omadused muutuvad teatud määral niiskuse imendumisel. See võimaldab nende kasutamist niiskusandurites. Tundlikud polümeermaterjalid klassifitseeritakse polüelektrolüütilisteks ja dielektrilisteks. Nende materjalidega toodetud andurid on mahtuvuslikku, takistuslikku ja piesoelektrilist tüüpi.
Dielektrilist tüüpi andurites vee molekulid kinnituvad absorptsiooni ja desorptsiooni protsessis sobivates kohtades polümeervõrku. Polümeeri dielektriline konstant suureneb veemolekulide koguse kasvades. Sellel põhimõttel toodetakse kondensaatori struktuuriga niiskusandureid. Anduri mahtuvus muutub polümeeri dielektrilise konstandi muutuse tulemusel.
Iooniliste monomeeridega polümeerid klassifitseeritakse kui polü-elektrolüütilised. Seda tüüpi materjale iseloomustab iooniline elektrijuhtivus, mis suureneb niiskuse lisandumisel. Sellel põhimõttel toodetakse takistuslikke niiskusandureid.
Joonis 7.3 Polümeerist niiskustundliku kihiga andurid
Polüimiid on sageli kasutatav polümeer suure hulga võimalike materjalide hulgast. Selle põhjuseks on polüimiidi ühilduvus kaasaegsete pooljuhtide tehnoloogia protsessidega.
Teine polümeerist tundlikku kihti kasutav niiskusandurite tootmistehnoloogia põhineb piesoelektrilisele muundurile. Ränisse tekitatakse diafragma, millele kantakse polüimiidi kiht. Diafragma piesotakistid moodustavad Wheatstone silla. Selle anduri töö põhineb polüimiidi paisumise efektile niiskuse suurenemise mõjul. Niiskuse imendumine põhjustab polüimiidi paisumise ja rõhu tekkimise piesotakistile. Piesotakisti takistuse muutus on niiskuse muutuse informeeriv parameeter.
- Kileandurid anodeeritud Al2O3 baasil
Alumiiniumoksiidi kiht saadakse puhtast alumiiniumist anoodi oksüdeerimisel. Andur koosneb alumiinium-alusest, millele on elektrokeemilise oksüdatsiooniga formeeritud Al2O3kiht (joonis 7.4). Õhuke metallist (harilikult kullast) niiskuskindel kiht on teiseks elektroodiks.
Alumiiniumoksiid-andurite tunnusjooned on peamiselt määratud Al2O3 anoodkihtide omadustega, mis omakorda sõltuvad tugevasti elektrolüüdi koostisest ja anodeerimise tingimustest.
Joonis 7.4. Kileanduri tööpõhimõte [60]
Joonis 7.5 kujutab anduri mahtuvuse ja aktiivtakistuse sõltuvust suhtelisest niiskusest.
Joonis 7.5 mahtuvuse ja aktiivtakistuse sõltuvust suhtelisest niiskusest. [60]
- Poorsele ränile põhinevad niiskusandurid
Niiskusandurite tootmiseks saab mõningate täiendavate tootmisprotsessidega kasutada tavalisi integraallülituste tehnoloogiaid. Üks niiskusandurite valmistamise tehnoloogia põhineb poorse räni kasutamisele tundliku kihina. Poorne räni tekitatakse anodeerimisega. Anodeerimist saab teostada vesinikfluoriidhappe (HF) 25% lahuses, mis on segatud etanooliga. Selle protsessi järel räni muutub poorseks.
- Niiskusandurid, mis põhinevad MOS struktuuridele
Nende andurite eeliseks on madal hind tänu nende tootmisele suurtes kogustes tavalise integraallülituste tehnoloogiga ning parameetrite hea korratavus. Tundlike elementidena saab kasutada polümeere. Nende hulgas on polüimiid. See on ühilduv integraallülituste tootmise standardprotsessiga. Tundlik element on paigutatud MOS-transistori paisu piirkonda.
Joonis 7.6 Niiskusandurid, mis põhineb MOS struktuuridel
- Keraamilistele materjalidele põhinevad niiskusandurid
Sellesse gruppi kuuluvad andurid, milles tundlik element on valmistatud poorsest pooljuhist või dielektrilisest keraamikast, mis sisaldab ühte oksiidi või erinevate oksiidide segu. Keraamilisi niiskusandureid klassifitseeritakse vastavalt nende tööpõhimõttele ioonilisteks, pooljuhtivateks ja tahkele elektrolüüdile põhinevateks.
Enim kasutatakse ioonilisi andureid. Nende tunnusjoon on määratud takistuse ja niiskuse sõltuvusega. Sõltuvalt nende tootmisprotsessist jaotatakse seda tüüpi andurid pakett-, paksukile ja õhekile anduriteks. Pakettandureid toodetakse standardse keraamika tehnoloogiaga või selle modifikatsioonidega. Paksukile andureid valmistatakse spetsiaalse pasta kandmisega keraamilisele alusele, mis on tavaliselt valmistatud Al2O3-st. Õhekile andureid toodetakse lahustuva geeli (sol-gel) tehnoloogia põhjal. Pärast nõutavaid ettevalmistusi sünteesitakse formeeritud element kõrgel temperatuuril.
Ioonilist tüüpi andurites tundliku elementi kogutakistus väheneb suhtelise õhuniiskuse suurenedes, mis on määratud pinna füüsikalise adsorbtsiooniga ja vee molekulide kondenseerumisega mikrokapillaarides. Pooljuhtandurite juhtivuse algoritm sõltub võrdeliselt veeauru logaritmist. Sellisel juhtumil keraamilise pinnaga keemilise imendumise protsessiga seotud veemolekulid töötavad doonorite tsentritena, andes elektrone keraamikasse. Keraamiliste andurite peamised eelised on mehaaniline tugevus, keemiline takistus, temperatuuri- ja füüsikaline takistus, võime talitleda kõrgetel temperatuuridel.
Teistel füüsikalistel nähtustel põhinevad niiskusandurid
Sellesse gruppi kuuluvad niiskusandurid, mille talitlus põhineb senivaadeldutest erinevatele põhimõtetele. Esmalt on nendeks optilised niiskusandurid. Nendes muutuvad niiskustundliku kihi optilised omadused.
Teised niiskusandurite tüübid on toodetud optiliste kiudude baasil. Niiskustundliku kihiga kaetud kiu optilised omadused muutuvad. Seda tüüpi andureid toodetakse õhekile polümeeriga kaetud U-kujulise kvartskiu baasil.
Lisaks optilistele on veel mikrolaine, fotoakustilised ja magnetelastsed niiskusandurid. Mikrolainestruktuuriga andurid talitlevad mõne GHz sagedusel ja kasutavad tundliku kihina paksukile tehnoloogiaga valmistatud polüimiidkihti. Nad on välja töötatud töökeskkonna juhtimiseks raadiosageduslikes süsteemides.
