- •Введение
- •1. Общие сведения о датчиках физических величин
- •1.1. Основные характеристики датчиков
- •1.2. Классификация датчиков
- •2. Датчики деформации
- •2.1. Принцип действия
- •2.2. Конструкции тензодатчиков и их параметры
- •2.2.1. Конструкции металлических датчиков
- •2.2.2. Конструкции полупроводниковых датчиков
- •2.2.3. Основные параметры тензорезисторов
- •2.2.4. Тензодиоды и тензотранзисторы
- •2.3. Области применения и типы датчиков
- •Контрольные вопросы
- •3. Датчики температуры
- •3.1. Принцип действия
- •3.1.1. Термопары
- •3.1.2. Металлические термометры сопротивления
- •3.1.3. Термисторы
- •3.1.4. Позисторы
- •3.1.5. Измерение температуры с помощью диодов и транзисторов
- •3.2. Конструкции и параметры датчиков температуры
- •3.2.1. Термопары
- •3.2.2. Металлические термометры сопротивления
- •3.2.3. Термисторы
- •3.2.4. Позисторы
- •3.3. Области применения и типы датчиков
- •3.4. Термоанемометрический метод измерения скоростей потока газов и жидкостей
- •Контрольные вопросы
- •4. Твердотельные датчики газов
- •4.1. Принцип действия твердотельных датчиков газов
- •4.1.1. Термокондуктометрические датчики
- •4.1.2. Термохимические (каталитические) ячейки
- •4.1.3. Электрохимическая (топливная) ячейка
- •4.1.4. Полупроводниковые датчики газов
- •4.2. Конструкции и параметры датчиков
- •4.2.1. Термокондуктометрическая измерительная ячейка
- •4.2.2. Термохимическая (каталитическая) ячейка
- •4.2.3. Конструкция и параметры топливных элементов
- •4.2.4. Конструктивные и технологические особенности твердотельных датчиков газов
- •Контрольные вопросы
- •5. Датчики магнитного поля
- •5.1. Принцип действия
- •5.2. Преобразователи Холла
- •5.2.1. Технология изготовления и конструкции
- •5.2.2. Основные параметры и свойства
- •5.2.3. Применение преобразователей Холла
- •5.3. Полупроводниковые магниторезисторы
- •5.4. Магниторезисторы из ферромагнетиков
- •5.5. Магнитодиоды
- •5.6. Биполярные магнитотранзисторы
- •Контрольные вопросы
- •6. Оптические датчики
- •6.1. Принцип действия полупроводниковых приемников излучения
- •6.2. Основные характеристики фотоприемников
- •6.3. Фоторезисторы
- •6.3.1. Технология изготовления и конструкция
- •6.3.2. Характеристики и параметры
- •6.4. Фотодиоды
- •6.5. Полупроводниковые фотоэлементы
- •6.6. Фототранзисторы
- •6.7. Датчики ик-излучения
- •Контрольные вопросы
- •7. Датчики влажности
- •7.1. Единицы измерения влажности
- •7.2. Методы измерения влажности
- •7.3. Конденсационные датчики
- •7.4. Психрометрические датчики
- •7.5. Сорбционные датчики влажности
- •7.5.1. Кулонометрические датчики
- •7.5.2. Пьезосорбционные датчики
- •7.5.3. Импедансные датчики
- •Контрольные вопросы
- •8. Датчики микроэлектромеханических систем
- •Контрольные вопросы
- •Заключение
- •Библиографический список
7.5.1. Кулонометрические датчики
Кулонометрические датчики влажности (электролитические гигрометры) являются хемосорбционными, их действие основано на непрерывном поглощении влаги сорбентом и одновременном ее электролитическом разложении. Они позволяют определять очень низкое содержание водяного пара в воздухе или других газах. Чувствительный элемент датчика состоит из двух электродов со слоем фосфорного ангидрида Р2О5 между ними. В первых конструкциях электроды из Pt или Rh имели спиралевидную форму и располагались внутри трубки, по которой пропускался анализируемый газ.
В настоящее время используется планарная конструкция чувствительного элемента. Р2О5 имеет высокую гигроскопичность, большое удельное сопротивление в сухом виде и хорошую электропроводность после сорбции влаги. В датчике происходят одновременно два процесса: поглощение влаги фосфорным ангидридом с образованием либо метафосфорной кислоты при низких температурах
Р2О5 + Н2О→2НРО3, (7.2)
либо при более высоких – ортофосфорной
Р2О5 + 3Н2О → 2Н3РО4 (7.3)
и их электролиз, сопровождающийся регенерацией фосфорного ангидрида и разложением воды с выделением кислорода и водорода:
2НРО3 → Н2 + ½О2 + Р2О5, (7.4)
4Н3РО4 → 6Н2 + 3О2 + 2Р2О5. (7.5)
Для электролиза на электроды подается постоянное напряжение 30 – 70 В. Ток электролиза пропорционален содержанию водяного пара в исследуемом газе (при постоянном расходе газа 20 – 200 см3/мин).
Такой гигрометр лучше всего подходит для измерений в газах с очень малым содержанием воды. Порог измерений определяется проблемами сорбции и десорбции воды трубопроводами газов и составляет 10 – 20 ppm. При измерениях малых концентраций менее 10 ppm (соответствует точке росы менее –70 °С) из-за явлений сорбции время установления равновесия составляет более 24 ч. При измерении влажности свыше 1000 – 1500 ppm сильно возрастает ток электролиза, что ведет к разогреву датчика, а при влажностях 10000 ppm (1 %) возникает возможность разрушения датчика. При измерениях высокого влагосодержания используют диффузионную мембрану, пропускающую лишь часть влаги из анализируемого потока.
Постоянная времени τ прибора зависит от направления, в котором изменяется влажность: при повышении влажности (от 10-2 до 10-1 %) τ ≤ 30 с, при снижении влажности (от 10-1 до10-2 %) τ составляет несколько минут.
Датчик позволяет измерять влажность различных газов: N2, H2, CH4, CO2, хладоагентов (фреона), хлористого водорода HCl, фосгена. Однако такие газы как аммиак, пары спиртов, амины вступают в химическую реакцию с P2O5 и могут разрушить датчик. Конструкция датчика приведена на рис. 7.2.
Рис. 7.2. Конструкция кулонометрического датчика:
1 – оболочка из тефлона; 2 – трубка для пропускания газа;
3 – электрод; 4 – корпус из нержавеющей стали; 5 – зажимы