Способ измерения концентрации газас помощью полупроводникового чувстви-тельного элемента

 

(1ц 828О5!

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Соеетсних

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 07.06.79 (21) 2777147/18-25 с присоединением заявки № (-1) М К,з

G 01N 27/02

ГосУдаРстоенный комитет (23) Приоритет (53) УДК 543.54 (088.8)

1 (43) Опубликовано 07.05 81. Бюллетень № 17 (45) Дата опубликования описания 07.05.81 по делам изобретений и открытий

TPXPNillaCИЯ :

В. С. Александров, И. В. Арефьева и В. П. К ов

ВжД т)Р1,.:;

Ленинградский институт авиационного приборостроения (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕН ИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗА

С ПОМОЩЬЮ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО

ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА С ДВУМЯ ЭЛЕКТРОДАМИ

Изобретение относится к аналитическому приборостроению, а именно к способу измерения концентрации газа с помощью полупроводникового чувствительного элемента.

Известен способ измерения концентрации газа с помощью полупроводниковых чувствительных элементов с двумя электродами, заключающийся в нагревании чувствительного слоя, расположенного между электродами, до температуры хемосорбции анализируемого газа путем пропускания электрического тока через один из электродов, подаче сравнительного и анализируемого газа к чувствительному элементу и определении изменения проводимости чувствительного слоя за счет адсорбции измеряемого газа на поверхности полупроводникового чувствительного элемента, по которой судят о концентрации газа (1).

При этом между токосъемным и нагревательным электродами, подключенными к схеме измерения проводимости, образуется напряжение, обусловленное распределением потенциала в полупроводнике, вследствие падения напряжения на нагревательном электроде. Изменение этого напряжения, являющегося пар азитным, регистрируется схемой измерения проводимости и приводит к снижению точности и чувствительности измерения проводимости полупроводникового чувствительного элемента, а следовательно, и концентрации анализируемого газа.

Известен также способ измерения концентрации газа с помощью полупроводникового чувствительного элемента с двумя электродами, заключающийся в нагревании чувствительного слоя, расположенного между электродами, путем пропускания

10 электрического тока через каждый электрод, последовательной подаче сравнительной и анализируемой среды к поверхности чувствительного элемента, нагретой до температуры хемосорбции анализируемого га15 зе, и измерении изменения проводимости чувствительного слоя между электродами, по которому судят о концентрации анализируемого газа (2).

Концентрацию газа определяют путем

20 измерения падения напряжения на сопротивлении чувствительного слоя при подключении схемы измерения проводимости между электродами. Между последними не обеспечивается равенства потенциалов напря25 жения, что выражается при подключении схемы измерения проводимости в ошибке определения проводимости чувствительного слоя.

Недостаток такого способа заключается

30 в наличии паразитного напряжения в точ.

828051 ках подсоединения электродов схемы измерения проводимости чувствительного элемента как в атмосфере сравнительного, так и анализируемого газа. Величина этого напряжения изменяется в процессе адсорбции газа и приводит к возникновению дополнительной погрешности при измерении проводимости полупроводникового чувствительногого слоя.

Цель изобретения — повышение точности 10 измерения концентраций исследуемого газа.

Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения концентрации газа с помощью полупроводникового чувствительного элемента с двумя электродами, заключающемся в нагревании чувствительного слоя, расположенного между электродами, путем пропускания электрического тока через каждый электрод, последовательной подаче сравнительной и анализируемой среды к поверхности чувствительного элемента, нагретой до температуры хемосорбцип анализируемого газа, и измерении изменения проводимости чувствительного слоя между электродами, по которому судят о концентрации анализируемого газа, при подаче сравнительной среды к поверхности чувствительного элемента, не изменяя температуры нагревания чувствительного слоя, регулируют токи, протекающие через каждый электрод, до получения равенства потенциалов в точках измерения проводимости чувстпительного слоя.

На фиг. 1 изображено устройство, реализующее предлагаемый способ; на фиг. 2 -— эквивалентная электрическая схема устройства.

Устройство содержит металлоокиспый полупроводниковый газочувствптельный слой

1, контактирующие с пим нагревательные электроды 2 и 3, подключенные к одноименным полюсам источников 4 и 5 тока нагрева, схему измерения проводимости 6, включенную между выводами нагревательных электродов.

Благодаря прохождению тока по электродам 2 и 3 металлоокисный слой 1 разогревается до температуры, обеспечивающей наибольшую скорость хемосорбционных процессов исследуемого газа с поверхностью полупроводникового чувствительного элемента. При контакте исследуемого газа с поверхностью полупроводникового газочувствительного слоя его проводимость изменяется пропорционально концентрации газа. Это фиксируется схемой измерения.

Вследствие наличия двух независимых между собой источников 4 и 5 при протекании по ним тока происходит взаимная компенсация возникающих в полупроводнике распределенных потенциалов. Однако из-за неоднородности проводимости полупроводника и неоднородности контакта электродов с полупроводниковым элементом полная компенсация распределенного

15 o

35 ю

65 потенциала достигается с помощью регулировки напряжений источников тока нагреBB. При это vl уменьшение потенциала исто-tника 4 компенсируется соответствующим увеличением потенциала псточнпка 5, для того чтобы суммарная мощность, подводимая для нагревания чувствительного слоя до заданной температуры, оставалось неизменной

На входе схемы измерения проводимости устанавливается напряжение, равное нулю — - U„- = О. Операция установки нуля проводится в атмосфере «чпстого воздуха», т. е. при подаче сравнительного газа к чувствительному элементу.

Процесс компенсации распределенного потенциала поясняется с помощью схсм .- . устройства, приведенной на фпг. 2. Устройстго включает также сопротивления 7 и 8 нагревательных электродов, межэлектродные сопротивления 9 и 10 полупроводникового чувствительного слоя относительно разных выводов нагревательных электродов, источник 11 напряжения измерительной цепи и регистрирующее устройство 12.

Подключение схемы измерения 6 между электродами, имеющими равные потенциалы независимых источников 4 и, позволяет получить напряжение на входе схемы при отсутствии измеряемого газа равным

«нулю», благодаря тому, ",òî "-,a счет изменения токов, пропускаемых через оба 1 агревательпых электрода, между ними образуются эквипоте гцпальпые то-нси 13, 14 и

1" 16

П р» м е р. Концентрацп|о газа, содержащсго до 0,01 об. /О окиси углерода (СО) в воздухе, измеряют с помощью полупроводникового газочувствительпо-о элемента, изготовленного из окиси олова (БпО).

Первоначально в атмосфере чистого воздуха, принятого за сравнительный газ, полупроводниковый чувствительный слой 1 разогревается электродами 2 и 3 до температуры порядка 400 С, обеспечивающей наибольшую скорость хемосорбцнонного взаимодействия анализируемого газа с поверхностью чувствительного слоя. Чувствительный слой разогревается подключением электродов 2 и 3 к источникам 4 и 5 тока нагрева с напряжением, равным 1,0 В, при этом потребление тока по каждому нагревательному электроду составляет 0,5 А. Затем определяют суммарную электрическую мощность, затраченную на нагревание чувствительного слоя (P ). Измеряют падение напряжений между электродами, соединенными с одноименными полюсами источников 4 и 5, например, точками 15 и 16 и обеспечивают разность потенциалов, равную нулю (U>„- >6 = U» 14), регулируя величины напряжений источников 4 и 5 так, чтобы суммарное количество электрической энергии, подводимой к обоим электродам, оставалось неизменной (P = Const). Об828051 разуются эквипотенциальпые точки 15, 16 и

13, 14 и никакие относительные изменения сопротивлений 9 и 10, вызванные неравномерностью адсорбции анализируемого газа на поверхности чувствительного слоя, не 5 приводят к возникновению между ними паразитного напряжения, которое обуславливает погрешность измерения проводимости чувствительного слоя. Затем между эквипотенциальными точками 15 и 16 измеряют 10 проводимость чувствительного слоя, соответствующую сравнительному газу, подключив между ними схему измерения 6. Далее в атмосфере анализируемого газа (0,01 об.

СО в воздухе) измеряют приращение про- )5 водимости чувствительного слоя, соответствующее определяемой концентрации анализируемого газа.

При анализе обнаружено изменение сопротивления чувствительного слоя под действи- 20 ем адсорбции на его поверхности анализируемого газа в среднем на 50% от первоначального значения его сопротивлений в атмосфере чистого воздуха, причем изменение сопротивления 9 отличается от со- 25 противления 10 на 20%.

Рассмотрим теперь случай, когда проводимость измеряется между точками, которые не эквипотенциальны. Потенциал в точке 15 равен 1,0 В, а в точке 16 на 10% Зо больше и равен 1,1 В, т. е. Ui; 1е — — 0,1 В.

Под действием адсорбции анализируемого газа изменяется сопротивлеш:е 10 по сравнению с изменением сопротивления 9 на

20%. Это вызывает изменение потенциала 35 в точках 15 и 16 также на 20 /о и составит

Л U 6 = 0,1.0,2 = 0,02 В = 20 мВ. Этот потенциал поступает на вход схемы измерения проводимости, определяет погрешность измерения в зависимости от велпчи- 40 ны напряжения U<, источника 11 в схеме измерения 6.

Так, например, если

U > — 1,0 В, погрешность измерения составляет 2%, 45

Ui — — 10 В, погрешность измерения—

0,2o/, Uii = 100 В, погрешность измерения—

0 02%

Для наиболее приемлемых значений напряжения Uii = 1 — 10 В дополнительная погрешность измерения проводимости чувствительного слоя составляет от 0,2% до

1 %, что снижает точность определения концентрации газа.

Использование предлагаемого способа газового анализа позволяет повысить точность определения концентрации анализируемого газа, вследствие компенсации распределенного потенциала в полупроводниковом чувствительном элементе, за счет получения равных потенциалов в точках измерения проводимости чувствительного слоя между электродами.

Формула изобретения

Способ измерения концентрации газа с помощью полупроводникового чувствительного элемента с двумя электродами, заключающийся в нагревании чувствительного слоя, расположенного между электродами, путем пропускания электрического тока через каждый электрод, последовательной подаче сравнительной и анализируемой среды к поверхности чувствительного элемента, нагретой до температуры хемосорбции анализируемого газа, и измерении изменения проводимости чувствительного слоя между электродами, по которому судят о концентрации анализируемого газа, отличаю шийся тем, что, с целью повышения точности измерения, при подаче сравнительной среды к поверхности чувствительного элемента, не изменяя температуры нагревания чувствительного слоя, регулируют токи, протекающие через каждый электрод, до получения равенства потенциалов в точках измерения проводимости чувствительного слоя.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент ФРГ № 2007937, кл. G 01N

27/16, опубл. 1975.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке № 2427937/25, кл. G 01N 27/12, 1976.

828081

4zz;1

Составитель Л. Дикая

Редактор М. Стрельникова Техред А. Камышникова Корректоры: Т. Трушкина и P. Беркович

Тираж 915 Подписное

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 7К-35, Раушская иаб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2