Обзор технической реализации газочувствительных первичных преобразователей

NovaInfo 62, с.52-57, скачать PDF
Опубликовано
Раздел: Технические науки
Просмотров за месяц: 1
CC BY-NC

Аннотация

В последние несколько лет рынок газоаналитических систем безопасности в России бурно развивается Поэтому целесообразным представляется провести обзор физических принципов и конструктивных особенностей существующих газочувствительных приборов.

Ключевые слова

ГАЗ, ДАТЧИК, ГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПЕРВИЧНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Текст научной работы

Удобство применения газа в быту перевешивает опасности, связанные с утечкой газа из магистрали или газобаллонного оборудования. В настоящее время, в связи с развитием технологий, появилась возможность существенно снизить вероятность утечки, связанной с опасностью последующего возгорания. Для этого применяют оборудование, которое по степени контроля за утечкой условно можно разделит на три уровня:

  • простой сигнализатор утечки газа;
  • сигнализатор с запорной газовой арматурой;
  • удаленный контроль за утечкой газа.

Поскольку рынок газоаналитических систем безопасности в России бурно развивается, то целесообразным представляется провести обзор физических принципов и конструктивных особенностей существующих газочувствительных приборов.

Чувствительный элемент, сенсор, датчик или другими словами первичный преобразователь — устройство, предназначенное для того, чтобы информацию, поступающую на его вход в виде некоторой физической величины, функционально преобразовать в другую физическую величину на выходе, более удобную для воздействия на последующие элементы (блоки). Большинство датчиков преобразуют неэлектрическую контролируемую величину в электрическую.

В настоящее время существуют датчики на основе оксида олова, на основе жидкого электролита и на основе твердого электролита.

Принцип действия первичного преобразователи на основе оксида олова основан на изменении электропроводности полупроводниковой пленки вследствие адсорбции газа на ее поверхности. На трубчатую подложку из оксида алюминия (рисунок1) нанесен тонкий слой оксида олова (SnC02), легированного элементами, обладающими каталитическими свойствами (Pt, Си, Ni, Pd), чтобы обеспечить более высокую чувствительность полупроводника к конкретному типу газа примеси.

Конструкция датчика на основе оксида олова: 1 — керамическая трубка держателя; 2 — резистивный нагреватель; 3 — электрод; 4 — зажимы; 5 — легированный оксид олова
Рисунок 1. Конструкция датчика на основе оксида олова: 1 — керамическая трубка держателя; 2 — резистивный нагреватель; 3 — электрод; 4 — зажимы; 5 — легированный оксид олова

При нагреве сенсора до рабочей температуры (около 400°С) при помощи нагревательного элемента, выполненного в едином конструктиве с датчиком, на поверхности сенсора, имеющей мелкозернистую структуру, происходит адсорбция содержащегося в воздухе кислорода. Протекание адсорбции зависит от концентрации газа примеси. В результате поверхностных эффектов изменяется электрическая проводимость сенсора. Отклик датчика выражается изменением его сопротивления в зависимости от концентрации газа, влияющего на адсорбцию кислорода на материале сенсора. Быстрота отклика зависит от модели датчика и конкретного газа примеси.

Соотношение между сопротивлением сенсора и концентрацией газа примеси задается выражением:

R=A C^{-\alpha}

где R — электрическое сопротивление сенсора, А и α — константы, С — концентрация газа примеси.

В соответствии с этой формулой, зависимость сопротивления датчика от концентрации газа примеси линейна в логарифмическом масштабе для рабочего диапазона концентраций (от нескольких миллионных долей (ррт) до нескольких тысяч ррт). Датчик проявляет чувствительность к различным типам газов примеси одновременно, но оптимальная селективность к определенному типу обеспечивается, во-первых, путем ввода специальных легирующих добавок в оксид олова на этапе изготовления и, во-вторых, выбором рабочей температуры сенсора, что достигается подачей на нагревательный элемент определенного постоянного напряжения.

Поскольку принцип детектирования основан на химической адсорбции газов на поверхности, температура и влажность окружающей среды влияют на скорость протекания химической реакции и как следствие — на чувствительность датчика.

В датчиках на основе жидкого электролита чувствительным элементом является гальваническая ячейка с раствором электролита. Обычно в качестве электролита используется водный раствор щелочи калия. Однако ему присущ ряд недостатков, среди которых малый срок годности и пониженная сопротивляемость присутствию в газовой смеси. В датчиках применяется многокомпонентный электролитический раствор кислоты, созданный по оригинальной технологии, стойкий к воздействию газов (таких, как СO2), легко вступающих в реакцию окисления. Срок годности электролита кислотного типа в десять раз превышает срок годности щелочных электролитов. Конструкция датчика показана на рисунке 2.

Конструкция датчика на основе жидкого электролита
Рисунок 2. Конструкция датчика на основе жидкого электролита

Сенсор состоит из гальванической батареи со свинцовым анодом, пленочным золотым катодом с нанесенной непористой тефлоновой мембраной и электролитом. Молекулы кислорода проникают через мембрану и вступают на поверхности катода в электрохимическую реакцию с раствором электролита. Между катодом и анодом включены термистор (для температурной компенсации) и резистор, с которого снимается напряжение. Значение тока, протекающего через электролит, пропорционально концентрации кислорода в измеряемой газовой смеси. При этом значение выходного напряжения однозначно характеризует эту концентрацию.

Датчик газового вещества на основе твердого электролита представляет собой гибридную структуру из чувствительного элемента и внутреннего термистора. Сенсор, чувствительный к угарному газу, состоит из твердого электролита, заключенного между двумя электродами, носителями заряда в котором являются катионы натрия (Na+), а также нагревательного элемента, выполненного в виде платиновой подложки (рисунок 3). Катод (электрод сравнения) изготавливается из карбоната лития и золота, анод (измерительный электрод) — из золота. Внутренний термистор служит для компенсации температурной зависимости сенсора.

Конструкция чувствительного элемента датчика на основе твердого электролита
Рисунок 3. Конструкция чувствительного элемента датчика на основе твердого электролита

В среде с углекислым газом на электродах сенсора происходят электрохимические реакции, приведенные на рисунке 4:

Электрохимические реакции на электродах сенсора
Рисунок 4. Электрохимические реакции на электродах сенсора

В результате электрохимической реакции на элементе появляется разность потенциалов (ЭДС), являющаяся откликом датчика.

Для поддержания оптимальной температуры сенсора на нагревательный элемент подается напряжение. Выходной сигнал датчика (ЭДС) преобразуется с помощью операционного усилителя с высоким импедансом (более 100 ГОм) и малым током смещения (менее 1 пА) (AD795). Поскольку датчик на твердом электролите представляет собой батарею, при использовании подобной схемы абсолютное значение ЭДС будет флуктуировать. Но при этом значение ЭДС изменяется в соответствии с изменением концентрации углекислого газа в среде. Регистрируемый параметр — разность между значениями ЭДС при концентрации углекислого газа 350 ppm (ЭДС1) и текущим значением концентрации (ЭДС2) — DЭДС. Датчик дает хорошую линейную зависимость между DЭДС и концентрацией углекислого газа (в логарифмическом масштабе), тогда как для угарного газа (СО) и этанола (C2H5OH) значение DЭДС с увеличением концентрации не изменяется.

На рисунках 5, 6 и 7 приведены зависимости чувствительности рассмотренных датчиков к различным газам.

Характеристика чувствительности датчика на основе оксида олова
Рисунок 5. Характеристика чувствительности датчика на основе оксида олова
Характеристика чувствительности датчика на основе жидкого электролита
Рисунок 6. Характеристика чувствительности датчика на основе жидкого электролита
Характеристика чувствительности датчика на основе твердого электролита
Рисунок 7. Характеристика чувствительности датчика на основе твердого электролита

Читайте также

Цитировать

Арбузова, А.А. Обзор технической реализации газочувствительных первичных преобразователей / А.А. Арбузова, А.А. Вагин. — Текст : электронный // NovaInfo, 2017. — № 62. — С. 52-57. — URL: https://novainfo.ru/article/12051 (дата обращения: 07.10.2022).

Поделиться