7.2. Методы измерения влажности
Методы измерения влаги в газах и жидкостях можно разделить на прямые и косвенные. Прямые методы основаны на непосредственном выделении влаги из анализируемой среды с последующим определением ее количества. Косвенные методы основаны на измерении какой-либо физической величины, связанной с влагосодержанием среды. Датчики влажности (или гигрометры) можно разбить на две большие группы: температурно-градиентные (психрометрические и конденсационные) и сорбционные (кулонометрические, сорбционно-импедансные и пьезосорбционные).
Соотношение между различными единицами влажности
при температуре 21 °С
|
Точка росы в градусах, |
Парциальное давление паров воды, Па |
Объемная концентрация паров, ppm |
Относительная влажность, % | |
|
К |
°С | |||
|
201 |
-72 |
0,1902 |
1,880 |
0,00765 |
|
205 |
-68 |
0,3471 |
3,43 |
0,0140 |
|
209 |
-64 |
0,6171 |
6,10 |
0,0248 |
|
213 |
-60 |
1,0746 |
10,60 |
0,0433 |
|
217 |
-56 |
1,8354 |
18,20 |
0,0738 |
|
221 |
-52 |
3,0590 |
30,20 |
0,1260 |
|
225 |
-48 |
5,0270 |
49,70 |
0,2020 |
|
229 |
-44 |
8,1000 |
80,10 |
0,3250 |
|
233 |
-40 |
12,8480 |
127,00 |
0,5160 |
|
237 |
-36 |
20,0430 |
197,00 |
0,8040 |
|
241 |
-32 |
30,8290 |
305,00 |
1,2400 |
|
245 |
-28 |
46,6830 |
462,00 |
1,8800 |
|
249 |
-24 |
69,9580 |
692,00 |
2,8100 |
|
253 |
-20 |
103,210 |
1021,00 |
4,1400 |
|
257 |
-16 |
150,560 |
1489,00 |
6,0600 |
|
261 |
-12 |
217,060 |
2147,00 |
8,7500 |
|
265 |
-8 |
314,150 |
3061,00 |
12,8000 |
|
269 |
-4 |
436,240 |
4316,00 |
17,5000 |
|
273 |
0 |
609,010 |
6025,00 |
24,1000 |
|
277 |
4 |
798,000 |
7895,00 |
32,5000 |
7.3. Конденсационные датчики
Конденсационный метод (метод точки росы) основан на фиксации температуры конденсации паров воды в газовой фазе. Для работы датчика необходимо регулируемое охлаждение конденсирующей поверхности с точной фиксацией появления конденсата и одновременное измерение ее температуры. К достоинствам метода относятся: измерение влажности в широком диапазоне концентраций паров воды, рабочий диапазон от -70 °С до +100 °С, градуировка датчика по температуре, а не по влажности (точность измерения температуры ±0,2 °С), возможность измерения влажности внутри корпусов интегральных схем.
Для охлаждения используются термоэлектрические холодильники (до -70 °С) и криогенные жидкости: жидкие азот ( 77 К), кислород (20 К), гелий (4 К). Для измерения температуры применяются термопары и терморезисторы. Для определения момента появления конденсата используют измерения оптических и электрических характеристик конденсата (поверхностного сопротивления или емкости).
Для индикации конденсата можно использовать пьезокварцевый резонатор, включенный в схему генератора: в момент появления конденсата добротность резонатора резко уменьшается, при этом изменяется частота генерации (кварцевый резонатор регистрирует изменение массы 10-10 – 10-8 г). При оптической регистрации конденсата с помощью фотоприемников (фотодиодов, фоторезисторов, фототранзисторов) сравнивают интенсивности световых потоков, отраженных от чистой зеркальной поверхности и от поверхности, покрытой слоем конденсата. При измерении влажности в корпусах ИС используется регистрация конденсата по изменению поверхностной проводимости или межэлектродной емкости. Простейший датчик поверхностно-конденсационного типа – два металлических электрода (гребенчатой формы), нанесенные на поверхность диэлектрика. Структура датчика резистивно-емкостного типа изображена на рис. 7.1.
Рис. 7.1. Двухэлектродный датчик точки росы
резистивно-емкостного типа: 1, 2 – электроды;
3 – датчик температуры
Поверхностная проводимость такой структуры при приближении к точке росы увеличивается по закону, близкому к экспоненциальному. Образование на поверхности льда приводит к резкому уменьшению проводимости конденсата.
Основной недостаток конденсационного метода – зависимость показаний от степени загрязнения поверхности.