Устройство экспресс-анализа примесных газов в атмосфере

Авторы патента:

Гапонова Елена Владимировна (RU)

Бондур Валерий Григорьевич (RU)

Давыдов Вячеслав Федорович (RU)

Ермолаев Денис Валерьевич (RU)

G01N27/12 - твердого тела в зависимости от абсорбции текучей среды, твердого тела; в зависимости от реакции с текучей средой

Владельцы патента RU 2643200:

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС" (RU)

Изобретение может быть использовано в санитарно-эпидемиологическом контроле промышленных регионов. Устройство выполнено из набора контроллеров, разнесенных по площади исследуемого района, каждый контроллер содержит несколько разнотипных газовых датчиков с электронной схемой в составе стабилизатора напряжения, стабилизатора тока подогрева, мостовой схемы, в одно из плеч которой включен датчик, измерительная диагональ мостовой схемы, посредством канального коммутатора, поочередно подключается на вход измерительного тракта из последовательно соединенных операционного усилителя, аналогово-цифрового преобразователя, буферного запоминающего устройства, схемы сравнения, соединенного с программируемой схемой выборки измерений, синхронизирующей работу элементов посредством закладки в нее телекоммуникационной программы от ПЭВМ в составе элементов: процессора, оперативного запоминающего устройства, винчестера, дисплея, принтера, клавиатуры. Изобретение обеспечивает оперативность, достоверность, точность измерений, наглядность формы представления экспресс-анализа. 5 ил.

Изобретение относится к области экологии, в частности к измерительной аппаратуре на основе газовых датчиков, и может найти применение в системах санитарно-эпидемиологического контроля промышленных регионов.

Промышленный прогресс неизбежно связан с увеличением выбросов так называемых парниковых газов в атмосферу, являющихся одной из причин изменения климата планеты. Контроль состояния загрязнения атмосферы является составной частью обязанности государств, подписавших Парижский протокол 2015 г. Известные методы аналитической химии неоперативны, трудоемки и связаны с расходом дополнительных ресурсов (в виде реактивов).

Высоким быстродействием обладают датчики, в которых в качестве чувствительного элемента, реагирующего на присутствие газов и паров изменением электропроводности являются оксидные полупроводниковые пленки с примесями других металлов [см.. Заявка ФРГ, №2651160, кл. G.01.N, 27/12, 1978 г. - аналог].

Известен «Селективный газовый сенсор» патент RU №2137115, 27/12, 1999 г. - аналог. Устройство аналога содержит подложку с резистивным подогревным слоем на одной ее стороне и полупроводниковой оксидной пленкой, легированной оксидами других металлов, на другой стороне. В качестве оксида основного слоя используют оксид металла валентной группы не ниже детектируемого газа, а характеристики селективности: рабочая температура T₀ и эквивалентная добротность Q_э рассчитываются по регрессионным зависимостям:

;

где μ, μ₀ - молярные веса детектируемого газа и воздуха соответственно;

W - валентность материалов легирования;

n - количество элементов поликристаллического легирования;

δ/d - отношение толщины примесного слоя к толщине полупроводникового слоя основного оксида.

Недостатками аналога следует считать:

- пересекающиеся селективные характеристики смежных газов, их широкая полоса ;

- нестабильность калибровочной характеристики из-за нестабильности тока подогрева оксидного слоя и питающего напряжения.

Ближайшим аналогом к заявляемому техническому решению является «Электронный газовый сепаратор», Патент RU №2130178, 1999 г. Устройство ближайшего аналога включает чувствительный элемент на базе оксидной полупроводниковой пленки с одной стороны диэлектрической подложки и резистивный подогревный слой на другой ее стороне, усилитель и индикатор, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде набора единичных газовых детекторов из номенклатуры сепарируемых газов, параллельно подключенных на вход измерительного тракта и состоящих из операционного усилителя с дифференциальной мостовой схемой в его входной цепи, с эталонным и реагирующим на газ элементами в ее смежных плечах, а измерительный тракт содержит N последовательных идентичных усилительных каскадов по схеме операционного усилителя с магазином сопротивлений, ступенчато переключаемых на каждый тип газа и выполняющих функции сопротивления обратной связи и эталонного элемента в качестве регулируемого сопротивления входной цепи.

К недостаткам ближайшего аналога следует отнести:

- ручная регулировка ступенчато-переключаемого сопротивления обратной связи, снижающая время экспресс-анализа;

- невизуальность формы представления результатов сепарирования.

Задача, решаемая заявленным устройством, состоит в увеличении скорости и достоверности экспресс-анализа газовых компонент путем выбора устойчивой схемы электронной компоновки единичного датчика и адресном сравнении текущих измерений с калибровочной характеристикой задействуемого датчика.

Поставленная задача решается тем, что устройство экспресс-анализа примесных газов в атмосфере выполнено из набора контроллеров, совместимых с ПЭВМ, разнесенных по площади исследуемого района, каждый контроллер содержит несколько разнотипных газовых датчиков с электронной схемой подключения в составе стабилизатора напряжения, стабилизатора тока подогрева, мостовой схемы, в одно из плеч которой включен датчик, а ее измерительная диагональ, посредством канального коммутатора, поочередно, с темпом ниже времени адсорбции детектируемого газа, подключена на вход измерительного тракта из последовательно включенных операционного усилителя, аналогово-цифрового преобразователя, буферного запоминающего устройства, схемы сравнения, оперативного запоминающего устройства, синхронизацию работы перечисленных элементов обеспечивает программируемая схема выборки измерений, в которую закладывают телекоммуникационную программу, формируемую на ПЭВМ, на винчестер которой предварительно записывают калибровочные характеристики всех газовых датчиков контроллеров с их адресами.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг. 1 - функциональная схема устройства;

фиг. 2 - зависимость сопротивления датчика от концентрации примесного газа;

фиг. 3 - характеристики избирательности газовых датчиков;

фиг. 4 - калибровочные характеристики газовых датчиков;

фиг. 5 - форма представления результатов экспресс-анализа.

Устройство экспресс-анализа примесных газов в атмосфере фиг. 1 выполнено из набора контроллеров 1, разнесенных по площади исследуемого района, каждый контроллер содержит несколько разнотипных газовых датчиков 2 с электронной схемой в составе стабилизатора напряжения 3, стабилизатора тока подогрева 4, мостовой схемы 5, в одно из плеч которой включен датчик 2, измерительная диагональ мостовой схемы 5, посредством канального коммутатора 6, поочередно подключается на вход измерительного тракта 7 из последовательно соединенных операционного усилителя 8, аналогово-цифрового преобразователя 9, буферного запоминающего устройства 10, схемы сравнения 11, соединенных с программируемой схемой выборки измерений 13, синхронизирующей работу элементов 6, 7, 8, 9, 10, 11 посредством закладки в нее телекоммуникационной программы от ПЭВМ 12 в составе элементов: процессора 14, оперативного запоминающего устройства 15, винчестера 16, дисплея 17, принтера 18, клавиатуры 19.

На винчестер 16 в цифровом виде записывают калибровочные характеристики газовых датчиков всех контроллеров с их адресами. Схема 11 сравнивает амплитуду сигнала текущего измерения с калибровочной характеристикой адресного датчика, на ее выходе формируют сигнал экспресс-анализа. Результат экспресс-анализа распечатывают на принтере 18. Форма представления результата экспресс-анализа примесных газов иллюстрируется рисунком фиг. 5.

Динамика взаимодействия элементов устройства состоит в следующем. Известно уравнение Менделеева-Клапейрона, в соответствии с которым газы характеризуются газовой постоянной, равной ≈2 ккал/моль град. Поскольку молярный вес газов различен, то удельная теплоемкость газов изменяется в довольно широких пределах. Этим обусловлена различная адсорбционная активность оксидных полупроводниковых пленок к детектируемому газу. На графике фиг. 2 иллюстрируется зависимость сопротивления газового датчика от концентрации примесного газа. Для каждого газа существует «резонансная» температура максимальной чувствительности датчика. Семейства селективных характеристик газовых датчиков иллюстрируется графиками фиг. 3. Выходная характеристика газовых датчиков существенно нелинейна при малых концентрациях детектируемого газа, а при больших концентрациях наступает насыщение. Поэтому текущий результат измерений необходимо калибровать, т.е. сравнивать с эталонной характеристикой. Для этого в заявленном устройстве создают базу эталонных калибровочных характеристик газовых датчиков всех контроллеров и помещают ее в постоянное запоминающее устройство 16 ПЭВМ 12. Последнее позволяет реализовать экспресс-анализ в темпе измерений путем калибровки текущего измерения в схеме сравнения 11. Пример калибровочных характеристик двух типов примесных газов иллюстрируется графиками фиг. 4. Датчики находятся в подключенном состоянии. Для стабильности и точности измерений в электронной схеме датчиков предусмотрены стабилизатор тока, стабилизатор напряжения и мостовая схема измерений в режиме разбалансировки [см., например, «Справочник по радиоэлектронике» под редакцией А.А. Куликовского, Энергия, М., 1968 г., стр. 181-183, Мостовая схема измерений]. Темп измерений задает программируемая схема выборки, управляющая канальным коммутатором. Интервал измерений должен быть достаточным для адсорбции примесного газа в полупроводниковую пленку. Время осреднения серийных газовых датчиков составляет менее 0,1 сек. Синхронизация работы элементов устройства достигается специализированной телекоммуникационной программой, написанной на языке программирования «Ассемблер».

Текст программы экспресс-анализа:

Программа опроса датчиков для микроконтроллера ATmega328P состоит из основной программы main.asm, hextobcd.asm. Так же используется файл-вложение с определением мнемоник m328Pdef.inc.

Листинг программы main.asm:

RESET:

Листинг подпрограммы interrupts.asm:

Листинг подпрограммы macr.asm:

Листинг подпрограммы hextobcd.asm:

Все элементы устройства выполнены на существующей технической базе и средствах аналогов. Канальный коммутатор и аналогово-цифровой преобразователь выполнены на многофункциональном блоке, модуль 3560-L, фирмы Bruel & Kjer (Дания). Операционный усилитель ОУ тип К 1446 УД5 [см. Операционные усилители, Ж. Марше, пер. с фр., Л., Энергия, 1974 г., стр. 150-194]. Управляющая ПЭВМ (Notebook) типа ASUS, Eee PC 1201 PN, на функциональных возможностях которой реализована база калибровочных характеристик газовых датчиков с их адресами, программируемая схема выборки измерений и схема сравнения.

Эффективность устройства характеризуется высокой точностью измерений концентрации примесных газов, оперативностью, достоверностью.

Устройство экспресс-анализа примесных газов в атмосфере выполнено из набора контроллеров, совместимых с ПЭВМ, разнесенных по площади исследуемого района, каждый контроллер содержит несколько разнотипных газовых датчиков с электронной схемой подключения в составе стабилизатора напряжения, стабилизатора тока подогрева, мостовой схемы, в одно из плеч которой включен датчик, а ее измерительная диагональ, посредством канального коммутатора, поочередно, с темпом ниже времени адсорбции детектируемого газа, подключена на вход измерительного тракта из последовательно включенных операционного усилителя, аналогово-цифрового преобразователя, буферного запоминающего устройства, схемы сравнения, оперативного запоминающего устройства, синхронизацию работы перечисленных элементов обеспечивает программируемая схема выборки измерений, в которую закладывают телекоммуникационную программу, формируемую на ПЭВМ, на винчестер которой предварительно записывают калибровочные характеристики всех газовых датчиков контроллеров с их адресами.

Изобретение относится к технологии получения высокочувствительного резистивного газового сенсора на озон на основе оксидных пленок в системе In2O3-SnO2. Способ получения наноструктурированного газового сенсора на озон включает совместную кристаллизацию растворов солей или их соосаждение, при этом в качестве исходных реагентов используют растворы солей-прекурсоров (SnSO4, In(NO3)3*xH2O), получают оксидные порошки методом золь-гель совместной кристаллизации и соосаждения, после чего полученные порошки прокаливают при 120-400°С и обжигают при 650°С до получения твердого раствора на основе In2O3 с размером ОКР ~ 27-29 нм, затем приготавливают пасту со связующим на основе этилцеллюлозы [С6Н7O2(ОН)3-x(ОС2Н5)x]n и скипидара, причем в первой серии к навеске порошка добавляют 10 мас.% этилцеллюлозы и 5 мл скипидара, а для второй серии порошок смешивают с 30 мас.% этилцеллюлозы и 8 мл скипидара, затем после интенсивного перемешивания полученную пасту наносят на корундовые подложки трафаретной печатью, после чего образцы обжигают при 700°С в течение 5 часов на первом этапе и затем при 1100°С в течение 3 часов.

Способ получения наноструктурированного газового сенсора на озон // 2642158

Полупроводниковый датчик микропримесей аммиака // 2641016

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и изменения содержания аммиака. Датчик состоит из полупроводникового основания, выполненного в виде поликристаллической пленки антимонида галлия (1), и подложки, которой служит электродная площадка (2) пьезокварцевого резонатора (3).

Устройство для контроля концентрации опасных газов // 2638915

Изобретение предназначено для мониторинга окружающей среды, в частности для автоматического непрерывного контроля концентрации горючих газов (метана - СН4, кислорода - O2 и угарного газа - СО) в жилых, коммунальных и производственных помещениях с целью обнаружения превышения допустимых концентраций и своевременного принятия эффективных мер, обеспечивающих снижение загазованности.

Интегральная схема с нанопроводниковыми датчиками, измерительное устройство, способ измерения и способ изготовления // 2638125

Описана интегральная схема (100), содержащая подложку (110); изолирующий слой (120) на упомянутой подложке; а также первый нанопроводниковый элемент (140a) и второй нанопроводниковый элемент (140b), смежный с упомянутым первым нанопроводниковым элементом на упомянутом изолирующем слое; в которой первый нанопроводниковый элемент расположен так, чтобы он подвергался воздействию среды, содержащей интересующий аналит, и в которой второй нанопроводниковый элемент защищен от упомянутой среды защитным слоем (150) на упомянутом втором нанопроводниковом элементе.

Полупроводниковый датчик оксида углерода // 2637791

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей оксида углерода и .

Датчик диоксида азота // 2636411

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей диоксида азота.

Устройство и способ обнаружения целевых биомолекул // 2634388

Группа изобретений относится к области биохимии. Предложено устройство и способ для обнаружения целевых биомолекул с использованием вышеуказанного устройства.

Способ получения электропроводящих пленок на поверхности оксидных стекол для определения содержания влаги в воздушной среде // 2634137

Изобретение относится к изготовлению подложки из оксидного стекла для определения содержания паров воды в воздушной среде. На поверхность подложки путем ее подъема в горизонтальном положении с постоянной скоростью, варьируемой от 4⋅10-5 до 9⋅10-5 м/с, из водного раствора взаимодействующих компонентов: полимера, такого как поли-N,N-диметил-3,4-диметиленпирролидиний хлорид (ПДМПХ), и модификатора – гексацианоферрата(II) калия наносят пленку поли-N,N-диметил-3,4-диметиленпирролидиний цианида (ПДМПЦ).

Полупроводниковый анализатор оксида углерода // 2631010

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам для регистрации и измерения содержания оксида углерода. Датчик состоит из полупроводникового основания 1, выполненного в виде поликристаллической пленки твердого раствора состава (CdSe)0,85(CdTe)0,15 и подложки, которой служит электродная площадка 2 пьезокварцевого резонатора 3.

Электрический сенсор на пары гидразина // 2646419

Изобретение относится к устройствам и материалам для обнаружения и определения концентрации паров гидразина в атмосфере или пробе воздуха (химическим сенсорам) и может быть использовано в медицине, биологии, экологии и различных отраслях промышленности. Электрический сенсор на пары гидразина содержит диэлектрическую подложку, на которой расположены электроды и чувствительный слой, меняющий фотопроводимость в результате адсорбции паров гидразина, состоящий из структуры графен-полупроводниковые нанокристаллы в виде квантовых точек, фотопроводимость которой уменьшается при адсорбции молекул гидразина на поверхность полупроводниковых нанокристаллов пропорционально концентрации паров гидразина в пробе, при этом полупроводниковые нанокристаллы выполнены в виде полупроводниковых нанопластинок в развернутом состоянии. Технический результат – снижение порога чувствительности, расширение динамического диапазона определения концентрации паров гидразина и увеличение срока службы сенсора. 10 ил.

Электрический сенсор на пары гидразина // 2646419

Датчик влажности // 2647168

Использование: для измерения степени влажности газовой среды. Сущность изобретения заключается в том, что датчик влажности содержит подложку из диэлектрического материала с осажденными на нее пленочными электродами и диэлектрической пленкой в промежутке между ними, электроды разнесены на подложке относительно друг друга с образованием промежутка 0,1-2,0 мм и выполнены путем термического осаждения в вакууме на подложку, выполненную из керамики, слоя пленок из алюминия для каждого из электродов, пленку последующего второго слоя из металла, выбранного из группы Al, Ti, Sn для одного из электродов и последующего второго слоя из Ag для другого электрода, а также нанесения на поверхность второго слоя каждого из электродов и в промежуток между электродами на поверхность керамической подложки подвергнутой после ее нанесения совместно со всеми слоями и керамической подложкой отжигу на воздухе при температуре 400°С в течение 10 мин пленки линейно-цепочечного углерода, полученной путем осаждения в вакууме графита, испаряемого импульсным дуговым разрядом с помощью плазмы, создаваемой дуговым разрядом вне области разрядного промежутка в виде компенсированных бестоковых форсгустков углеродной плазмы плотностью 5⋅1012-1⋅1013 см-3, длительностью 200-600 мкс, частотой следования 1-5 Гц, при стимуляции углеродной плазмы инертным газом в виде потока ионов с энергией 150-2000 эВ, направленного перпендикулярно потоку углеродной плазмы.Технический результат: обеспечение возможности увеличения чувствительности, и диапазона определения влажности. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.