Определение влажности на основе регистрации нулевого значения температурного коэффициента времени задержки поверхностных акустических волн

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Физика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

ФИЗИКА
© И.Г. СИМАКОВ, Ч.Ж. ГУЛГЕНОВ
simakov-bsc@rambler. ru, gchj@rambler. ru
УДК 534. 28 + 532. 62
определение влажности на основе регистрации нулевого значения температурного коэффициента времени задержки поверхностных акустических волн
АННОТАЦИЯ. Разработана оригинальная измерительная ячейка, позволяющая задавать необходимое давление паров в зоне адсорбции, регулировать температуру подложки, проводить акустические измерения. Описаны чувствительный метод регистрации малых изменений скорости и амплитуда поверхностных акустических волн. Проведено экспериментальное исследование влияния влажной газовой среды на время задержки поверхностных акустических волн в системе «ниобат лития — адсорбированная вода». Показано, что во влажной газовой среде температурный коэффициент времени задержки (ТКЗ) поверхностных акустических волн в системе «ниобат лития — адсорбированная вода» принимает нулевое значение при определенной температуре. В исследуемой системе имеет место корреляция температуры нулевого значения ТКЗ с точкой росы. Предложено использовать зависимость температуры нулевого значения ТКЗ от давления пара для определения относительной влажности. Рассмотрены преимущества такого метода.
SUMMARY. There has been developed an innovative measuring cell that allows to set the required vapour pressure in the adsorption zone, to control the supporter temperature and carry out acoustic measurements. A sensitive method to register small velocity changes and amplitude of surface acoustic waves has been described. The effect of a wet gas environment on the delay of surface acoustic waves in the «Lithium niobate — adsorbed water& quot- system has been experimentally studied. It is shown that in a wet gas environment the temperature coefficient of delay (TCD) of surface acoustic waves in the «lithium niobate — adsorbed water» system has a zero value at a certain temperature. In the system under study there is a correlation between zero temperature of the TCD and a dew point. A suggestion was made to use the dependence of zero temperature of TCD on the vapor pressure to determine the relative humidity. The advantages of this method are considered.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: Определение влажности, поверхностные акустические волны, точка росы, коэффициент времени задержки.
KEYWORDS: Determination of humidity, surface acoustic waves, dew point, the coefficient of delay.
Во влажной газовой среде на поверхности твердого тела образуется слой адсорбированной воды, параметры которого зависят от температуры и состояния твердой поверхности, температуры газовой среды, а также от степени влажности этой среды. Если в твердом теле распространяются поверхностные акустические волны (ПАВ), то наличие адсорбционного слоя вносит возмущение в условия их распространения. Исследуя влияние адсорбционного слоя на параметры ПАВ можно определить относительную влажность газовой среды.
ПАВ удобнее всего возбуждать в пьезоэлектрических подложках. Как правило, подложка в виде плоскопараллельной пластины изготавливается из пьезоэлектрического кристалла и имеет определенную ориентацию. На полированной поверхности подложки можно разместить два встречно-штыревых преобразователя (ВШП) для возбуждения и приема ПАВ [1−4]. Такое устройство образует линию задержки. Основными причинами, дестабилизирующими работу линии задержки, являются влияние температуры и воздействие влажности окружающей среды. Влияние адсорбционного слоя на параметры упругих поверхностных волн сводится к изменению амплитуды и скорости ПАВ [5−7].
В результате воздействия температуры (без учета влияния влажности) изменяется расстояние между ПАВ-преобразователями и скорость поверхностных волн, что приводит к изменению времени задержки акустического сигнала т. Комплексное воздействие температуры и влажности приводит к изменению амплитуды и фазы задержанного сигнала, соответственно изменяется время задержки.
Для акустоэлектронных устройств важной характеристикой ПАВ является температурный коэффициент времени задержки (ТКЗ)? = т-дт/дТ [8]. Наличие твердого или жидкого слоя на поверхности подложки может существенно увеличить или уменьшить ТКЗ [9]. Без учета влияния адсорбционного слоя ТКЗ включает в себя температурный коэффициент изменения скорости упругих поверхностных волн У-, дУ/дТ и температурный коэффициент линейного расширения подложки, а = Ь-1дЬ/дТ [8] (Т — температура, Ь — расстояние между преобразователями ПАВ)
Влажность газовой среды определяется величиной относительного давления пара р/рх. В общем случае влажность зависит от температуры и влагосодер-жания газовой среды. Как уже отмечалось, во влажной газовой среде на поверхности твердой подложки адсорбируется слой воды. Влажность газовой среды и состояние твердой поверхности определяют условия формирования этого адсорбционного слоя. Таким образом, существует зависимость между влажностью окружающей газовой среды и параметрами адсорбционного слоя. Следовательно, имеет место зависимость между влажностью среды и параметрами упругих поверхностных волн, распространяющихся в слоистой системе «пьезоэлектрическая подложка — адсорбционный слой воды».
Для того чтобы выявить возможность определения влажности газовой среды по параметрам сигнала в акустическом тракте, необходимо было исследовать
изменение времени задержки в зависимости от влажности этой среды. Для этой цели была разработана измерительная ячейка (рис. 1 а). В конструкции измерительной ячейки была предусмотрена возможность задавать необходимое давление паров в зоне адсорбции, регулировать температуру подложки, и проводить акустические измерения. Необходимое давление пара в зоне адсорбции можно получить двумя способами. Во-первых, можно поддерживать заданную температуру подложки Т2 и изменять температуру жидкости Т{, над которой расположена подложка. Во-вторых, можно варьировать температуру подложки Т2, оставляя неизменной температуру жидкости Т1. Относительное давление пара в зоне адсорбции связано с температурами Т1 и Т2 известным уравнением Клапейрона-Клаузиуса:
(2)
где Q и Я — теплота испарения (конденсации) и газовая постоянная воды.
Рис. 1. а) Схема измерительной ячейки- б) Блок-схема измерительной установки
Кристалл ниобата лития с оптически полированной рабочей поверхностью-среза предварительно очищался в тлеющем разряде и помещался над поверхностью дважды дистиллированной воды, в замкнутый термостатированный объем. Необходимое давление пара согласно уравнению (2) задавалось и контролировалось с точностью 0,1% изменением температуры дистиллированной воды Т1 и температуры подложки Т2. Адсорбция молекул воды осуществлялась на рабочую поверхность кристалла между излучающим и приемным ПАВ-
преобразователями. Частота ПАВ была ~ 128 МГц. Для устранения влияния отраженных от торцов подложки сигналов использовались поглощающие покрытия.
Основной измеряемой акустической величиной было изменение времени задержки ПАВ. В эксперименте использовался метод определения изменения времени задержки Дт, основанный на регистрации изменения частоты ПАВ-генератора Д^ образованного путем введения линии задержки на поверхностных акустических волнах в цепь обратной связи высокочастотного усилителя (рис. 1 б) [10].
Условия самовозбуждения ПАВ-генератора выполняются, если полные вносимые потери в петле обратной связи генератора меньше, чем коэффициент усиления усилителя и полный фазовый сдвиг в петле генератора |/т кратен 2л:
|/Е = |/ = р г =2к- п
где п = 1, 2, 3.. — целое, определяющее моду колебания, уЕ — суммарный фазовый сдвиг в цепях усилителя, ПАВ-преобразователях и согласующих цепях, у = ют — набег фазы при распространении ПАВ. Частота генерации определяется как
/ 2п
(3)
Мода генерации п определяется частотными характеристиками усилителя, входного и выходного ВШП. Поскольку фазовый наклон в ПАВ линии задержки dщ/dю значительно больше, чем фазовый наклон dщE/dю для других компонентов, а фазовый набег в линии задержки являются преобладающим, частота и стабильность ПАВ-генератора зависят от условий распространения волн в акустическом тракте [10].
Любое изменение состояния поверхности и приповерхностной области подложки приведет к возмущению условий распространения ПАВ. В результате адсорбции пара на поверхность звукопровода изменяется скорость и амплитуда ПАВ, следовательно, меняется частота ПАВ-генератора. Ее новое значение регистрируется частотомером. Как следует из условия (3), изменение времени задержки связано с изменением частоты генерации выражением Дт / т = - Дf / ^ Затухание определяется по величине изменения амплитуды сигнала на входе усилителя.
Реальная схема ПАВ-генератора включает устройства для согласования входного и выходного импедансов ПАВ-структуры с нагрузкой, аттенюатор для получения необходимого уровня мощности в петле генератора и развязывающее устройство для исключения влияния регистрирующего устройства (на рис. 1б не приведены).
В эксперименте влажность в зоне адсорбции задавалась изменением температуры подложки. Температура дистиллированной воды поддерживалась равной 20 °C. Подложка прогревалась до установления термодинамического равновесия. При уменьшении температуры подложки от 30 °C влажность в зоне адсорбции возрастала, соответственно увеличивалась толщина адсорбционного слоя. При некоторой толщине адсорбционного слоя изменение времени задержки, вызванное изменением линейного размера подложки и скорости по-
верхностной волны в зависимости от температуры, компенсируется уменьшением скорости ПАВ в результате воздействия слоя. В результате температурный коэффициент времени задержки становится равен нулю [5]. Температура? ш является температурой нулевого значения ТКЗ. При дальнейшем уменьшении температуры система достигает точки росы, т. е. температуры интенсивной конденсации влаги на поверхности подложки.
г,°с
Рис. 2. Температурная зависимость частоты интерференционного минимума 1 — р/рз = 0,9- 2 — р/р3 = 0,96- 3 — р/р3 = 1- I = 20°С
Изменение влажности газовой среды приводит к изменению точки росы и соответствующему изменению температуры нулевого значения ТКЗ. При уменьшении относительной влажности газовой среды температура нулевого значения ТКЗ 1 т должна уменьшиться. На рисунке 2 приведены зависимости изменения частоты ПАВ-генератора от температуры для разных значений давления пара воды в измерительной ячейке. Из рисунка следует, что характер кривых 1 — 3 (р1 & lt- р2 & lt- р) практически не меняется. Температура нулевого значения ТКЗ уменьшается при понижении давления пара в ячейке в соответствии с уменьшением температуры точки росы. Вместе с тем увеличивается частоты экстремальных значений fm кривых ^).
Точка росы зависит от влажности, при уменьшении относительного давления пара точка росы также уменьшается. Ее зависимость от относительного давления пара используется в гигрометрах точки росы. Из анализа экспериментальных и расчетных данных следует, что зависимости температуры нулевого значения ТКЗ и точки росы от относительной влажности хорошо коррелируют между собой (рис. 3).
Ъ°с
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
Рис. 3. Зависимость точки росы (1) и температуры нулевого значения ТКЗ (2) от относительного давления пара
Определение влажности по точке росы сводится к следующему порядку действий. Определяется точка росы. Температура рабочей поверхности гигрометра понижается до температуры интенсивной конденсации. Это и есть точка росы td. Относительную влажность воздуха p/ps при температуре t можно найти, используя эмпирическое выражение:
lgiU а|1'-~1). (4)
Pi (1 + 4,)(!+*'-)
где a = 3,156−10−2- b = 4,19−10−3. Ошибка определения относительной влажности при использовании эмпирического выражения (4) не превышает 0,1%.
Необходимо заметить, что в гигрометрах точки росы в результате многократных циклов конденсации и испарения влаги, на рабочей поверхности остаются следы растворимых веществ. Растворимые загрязнения могут появляться в результате химических реакции между нерастворимыми частицами и примесями активных газов в воздухе. Серьезным источником загрязнений является осаждение ядер конденсаций из воздуха. Практически, на любой твердой поверхности конденсат осаждается при более высокой температуре, чем точка росы. В результате накопления растворимых загрязнений на рабочей поверхности гигрометра, точность регистрации точки росы заметно уменьшается.
Температура нулевого значения ТКЗ выше температуры конденсации влаги (в эксперименте на ~ 2,3°C). Следовательно, при достижении температуры нулевого значения ТКЗ конденсация влаги на поверхности звукопровода отсутствует и загрязнений не образуется. Следовательно, можно использовать зависимость температуры нулевого значения ТКЗ от давления пара для определения относительной влажности газовой среды.
Для этого необходимо определить точку росы по температуре максимума кривой f (t), соответствующего нулевому значению ТКЗ, из условия, что разница температур At = tm — td остается неизменной. Далее, относительная влажность газа при температуре t определяется из выражения (4), процедура определения аналогична описанной выше.
Таким образом, продемонстрировано, что при комплексном влиянии температуры и влажности температурный коэффициент времени задержки ПАВ изменяется от положительного значения до отрицательного. При некотором промежуточном значении влажности ТКЗ становится равным нулю. С учетом корреляции точки росы и температуры нулевого значения ТКЗ показано, что можно определять относительную влажность газа не понижая температуру подложки до точки росы, т. е. до температуры конденсации влаги. Следовательно, исключается загрязнение рабочей поверхности и последующая деградация гигрометра на ПАВ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Колешко В. М., Мешков Ю. В. Микроэлектронные преобразователи информации на ПАВ // Зарубежная электронная техника. 1985. № 9.
2. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах. М.: Радио и связь, 1990. 416 с.
3. Вьюн В. А., Ржанов А. В., Яковкин И. Б. Акустоэлектронные методы исследования поверхности полупроводников / Под ред. С. В. Богданова. Новосибирск: ИФП СО АН СССР, 1987. 126 с.
4. Багдасарян А. С. Устройства на поверхностных акустических волнах в системах и средствах связи // CHIP NEWS. 2002. № 8. С. 33−39.
5. Симаков И. Г., Гулгенов Ч. Ж. Влияние влажной газовой среды на температурный коэффициент времени задержки акустоэлектронного устройства // Вестник Тюменского государственного университета. 2011. № 7. Серия «Физико-математическаик науки. Информатика». С. 94−98.
6. Доржин Г. Б., Симаков И. Г. Акустическое исследование адсорбированных слоев жидкостей // Акустический журн. 2002. Т. 48- № 4. С. 499−503.
7. Симаков И. Г., Гулгенов Ч. Ж. Влияние полимолекулярной адсорбции воды на параметры акустоэлектронных устройств // Вестник Бурятского государственного университета. 2009. Вып. 3. Химия. Физика. С. 171−175.
8. Материалы и их влияние на характеристики устройств / А. Слободник, мл. // Поверхностные акустические волны / под ред. А. Олинера. М.: Мир, 1981. С. 270 358.
9. Волноводы для поверхностных акустических волн / А. Олинер / / Поверхностные акустические волны / под ред. А. Олинера. М.: Мир, 1981. С. 226−269.
10. Симаков И. Г., Гулгенов Ч. Ж. Регистрация изменения амплитуды и скорости рэлеевских волн на поверхности пьезоэлектрика // Вестник Бурятского государственного университета. Химия. Физика. 2011. Вып. 3. С. 216−220.
REFERENCES
1. Koleshko, V.M., Meshkov, Ju.V. Microelectronic Information Transducers on Surfactant. Zarubezhnaja jelektronnaja tehnika — Foreign Electronic Engineering. 1985. № 9. (in Russian).
2. Morgan, D. Ustrojstva obrabotki signalov na poverhnostnyh akusticheskih volnah [Devices of signal'-s processing on superficial acoustic waves]. M.: Radio i svjaz'-, 1990. 416 p. (in Russian).
3. V'-jun V.A., Rzhanov A.V., Jakovkin I.B. Akustojelektronnye metody issledovanija poverhnosti poluprovodnikov [Acoustoelectronic methods of research of semiconductors surface] / Pod red. S.V. Bogdanova. Novosibirsk: IFP SO AN SSSR, 1987. 126 p. (in Russian).
4. Bagdasarjan, A.S. Surface Acoustic Wave Device in Systems and Means of Communication. CHIP NEWS. 2002. № 8, Pp. 33−39. (in Russian).
5. Simakov, I.G., Gulgenov, Ch. Zh. The Effect of Humid Gaseous Medium on Temperature Coefficient of Time Delay in Acoustoelectric Device. Vestnik Tjumenskogo gosudarstvennogo universiteta — Tyumen State University Herald. 2011. № 7. Pp. 94−98. (in Russian).
6. Dorzhin, G.B., Simakov, I.G. Acoustic Investigation of Adsorbed Layers of Fluids. Akusticheskij zhurn — Acoustic Journal. 2002. Vol. 48. № 4. Pp. 499−503. (in Russian).
7. Simakov, I.G., Gulgenov, Ch. Zh. Vlijanie polimolekuljarnoj adsorbcii vody na parametry akustojelektronnyh ustrojstv. Vestnik Burjatskogo gosudarstvennogo universiteta — Buryatia State University Herald. 2009. № 3. Pp. 171−175. (in Russian).
8. Slobodnik, A. ml. Material and its Effect on Behaviour of Device // Poverhnostnye akusticheskie volny [Acoustic Surface Waves] / Edit. by A. Oliner. M.: Mir, 1981. Pp. 270 358. (in Russian).
9. Oliner, A. Volnovody dlja poverhnostnyh akusticheskih voln // Poverhnostnye akusticheskie volny [Acoustic Surface Waves] / Edit. by A. Oliner. M.: Mir, 1981. Pp. 226 269. (in Russian).
10. Simakov, I.G., Gulgenov, Ch. Zh. Registracija izmenenija amplitudy i skorosti rjeleevskih voln na poverhnosti p'-ezojelektrika. Vestnik Burjatskogo gosudarstvennogo universiteta — Buryatia State University Herald. 2011. №. 3. Pp. 216−220. (in Russian).

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой