國內溫濕度測量領域與發展動態

作者:chihuangsh  日期:2015/9/24 9:39:25  閱讀:3410

隨著國內科技發展,進入21世紀后,特別在我國加入WTO后,國內產品面臨巨大挑戰。各行業特別是傳統產業都急切需要應用電子技術、自動控制技術進行改造和提升。例如紡織行業,溫濕度是影響紡織品質量的重要因素,但紡織企業對溫濕度的測控手段仍很粗糙,十分落后,絕大多數仍在使用干濕球濕度計,采用人工觀測,人工調節閥門、風機的方法,其控制效果可想而知。制藥行業里也基本如此。而在食品行業里,則基本上憑經驗,很少有人使用濕度傳感器。值得一提的是,隨著農業向產業化發展,許多農民意識到必需擺脫落后的傳統耕作、養殖方式,采用現代科學技術來應付進口農產品的挑戰,并打進國外市場。各地建立了越來越多的新型溫室大棚,種植反季節蔬菜,花卉;養殖業對環境的測控也日感迫切;調溫冷庫的大量興建都給溫濕度測控技術提供了廣闊的市場。我國已引進荷蘭、以色列等國家較先進的大型溫室四十多座,自動化程度較高,成本也高。國內正在逐步消化吸收有關技術,一般先搞調溫、調光照,控通風;第二步搞溫濕度自動控制及CO2測控。此外,國家糧食儲備工程的大量興建,對溫濕度測控技術提也提出了要求。
但目前,在濕度測試領域大部分濕敏元件性能還只能使用在通常溫度環境下。在需要特殊環境下測濕的應用場合大部分國內包括許多國外濕度傳感器都會“皺起眉頭”!例如在上面提到紡織印染行業,食品行業,耐高溫材料行業等,都需要在高溫情況下測量濕度。一般情況下,印染行業在紗錠烘干中,溫度能達到120攝氏度或更高溫度;在食品行業中,食物的烘烤溫度能達到80-200攝氏度左右;耐高溫材料,如陶瓷過濾器的烘干等能達到200攝氏度以上。在這些情況下,普通的濕度傳感器是很難測量的。
高分子電容式濕度傳感器通常都是在絕緣的基片諸如玻璃、陶瓷、硅等材料上,用絲網漏印或真空鍍膜工藝做出電極,再用浸漬或其它辦法將感濕膠涂覆在電極上做成電容元件。濕敏元件在不同相對濕度的大氣環境中,因感濕膜吸附水分子而使電容值呈現規律性變化,此即為濕度傳感器的基本機理。影響高分子電容型元件的溫度特性,除作為介質的高分子聚合物的介質常數ε及所吸附水分子的介電常數ε受溫度影響產生變化外,還有元件的幾何尺寸受熱膨脹系數影響而產生變化等因素。根據德拜理論的觀點,液體的介電常數ε是一個與溫度和頻率有關的無量綱常數。水分子的ε在T=5℃時為78.36,在T=20℃時為79.63。有機物ε與溫度的關系因材料而異,且不完全遵從正比關系。在某些溫區ε隨T呈上升趨勢,某些溫區ε隨T增加而下降。多數文獻在對高分子濕敏電容元件感濕機理的分析中認為:高分子聚合物具有較小的介電常數,如聚酰亞胺在低濕時介電常數為3.0一3.8。而水分子介電常數是高分子ε的幾十倍。因此高分子介質在吸濕后,由于水分子偶極距的存在,大大提高了吸水異質層的介電常數,這是多相介質的復合介電常數具有加和性決定的。由于ε的變 化,使濕敏電容元件的電容量C與相對濕度成正比。在設計和制作工藝中很難組到感濕特性全濕程線性。作為電容器,高分子介質膜的厚度d和平板電容的效面積S也和溫度有關。溫度變化所引起的介質幾何尺寸的變化將影響C值。高分子聚合物的平均熱線脹系數可達到 的量級。例如硝酸纖維素的平均熱線脹系數為108x10-5/℃。隨著溫度上升,介質膜厚d增加,對C呈負貢獻值;但感濕膜的膨脹又使介質對水的吸附量增加,即對C呈正值貢獻。可見濕敏電容的溫度特性受多種因素支配,在不同的濕度范圍溫漂不同;在不同的溫區呈不同的溫度系數;不同的感濕材料溫度特性不同。總之,高分子濕度傳感器的溫度系數并非常數,而是個變量。所以通常傳感器生產廠家能在-10-60攝氏度范圍內是傳感器線性化減小溫度對濕敏元件的影響。
國外廠家比較優質的產品主要使用聚酰胺樹脂,產品結構概要為在硼硅玻璃或藍寶石襯底上真空蒸發制作金電極,再噴鍍感濕介質材料(如前所述)形式平整的感濕膜,再在薄膜上蒸發上金電極.濕敏元件的電容值與相對濕度成正比關系,線性度約±2%。雖然,測濕性能還算可以但其耐溫性、耐腐蝕性都不太理想,在工業領域使用,壽命、耐溫性和穩定性、抗腐蝕能力都有待于進一步提高。
陶瓷濕敏傳感器是近年來大力發展的一種新型傳感器。優點在于能耐高溫,濕度滯后,響應速度快,體積小,便于批量生產,但由于多孔型材質,對塵埃影響很大,日常維護頻繁,時常需要電加熱加以清洗易影響產品質量,易受濕度影響,在低濕高溫環境下線性度差,特別是使用壽命短,長期可靠性差,是此類濕敏傳感器迫切解決的問題。
當前在濕敏元件的開發和研究中,電阻式濕度傳感器應當最適用于濕度控制領域,其代表產品氯化鋰濕度傳感器具有穩定性、耐溫性和使用壽命長多項重要的優點,氯化鋰濕敏傳感器已有了五十年以上的生產和研究的歷史,有著多種多樣的產品型式和制作方法,都應用了氯化鋰感濕液具備的各種優點尤其是穩定性最強。
氯化鋰濕敏器件屬于電解質感濕性材料,在眾多的感濕材料之中,首先被人們所注意并應用于制造濕敏器件,氯化鋰電解質感濕液依據當量電導隨著溶液濃度的增加而下降。電解質溶解于水中降低水面上的水蒸氣壓的原理而實現感濕。
氯化鋰濕敏器件的襯底結構分柱狀和梳妝,以氯化鋰聚乙烯醇涂覆為主要成份的感濕液和制作金質電極是氯化鋰濕敏器件的三個組成部分。多年來產品制作不斷改進提高,產品性能不斷得到改善,氯化鋰感濕傳感器其特有的長期穩定性是其它感濕材料不可替代的,也是濕度傳感器最重要的性能。在產品制作過程中,經過感濕混合液的配制和工藝上的嚴格控制是保持和發揮這一特性的關鍵。
在國內上海馳煌測控依托于國家計量科學研究院、中科院自動化研究所、化工研究院等大型科研單位從事溫濕度傳感器產品的研制、生產。選用氯化鋰感濕材料作為主攻方向,生產氯化鋰濕敏傳感器及相關變送器,自動化儀表等產品,在吸取了國內外此項技術的成功經驗的同時,努力克服傳統產品存在的各項弱點,取得實質性進展。產品選用了Al2O3及SiO2陶瓷基片為襯底,基片面積大大縮小,采用特殊的工藝處理,耐濕性和粘覆性均大大提高。使用燒結工藝,在襯底集片上燒結5個9的工業純金制成的梳妝電極,氯化鋰感濕混合液使用新產品添加劑和固有成份混合經過特殊的老化和涂覆工藝后,濕敏基片的使用壽命和長期穩定性大大提高,特別是耐溫性達到了-40℃-120℃,以多片濕敏元件組合的獨特工藝,是傳感器感濕范圍為1%RH-98%RH,具備了15%RH范圍以下的測量性能,漂移曲線和感濕曲線均實現了較好的線性化水平,使濕度補償得以方便實施并較容易地保證了寬溫區的測濕精度。采用循環降溫裝置封閉系統,先對對被測氣體采樣,然后降溫檢測并確保絕對濕度的恒定,使探頭耐溫范圍提高到600℃左右,大大增強了高溫下測濕的功能。成功解決了“高溫濕度測量”這一濕度測量領域難題。現在,不采用任何裝置直接測量150度以內環境中的濕度的分體式高溫型溫濕度采集器CH-W19已成功應用在木材烘干,高低溫試驗箱等系統中。同時,CH-W19產品能耐溫高達600度,也已成功應用在印染行業紗錠自動烘干系統、食品自動烘烤系統、特殊陶瓷材料的自動烘干系統、出口大型烘干機械等方面,并表現出良好的效果。
上海馳煌測控多年來從事傳感、測控技術的研究,為國內自動化控制域填補了高溫濕度測量的空白,為我國工業化進程奠定了一定基礎。

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