Датчик для определения лабораторных загрязнений

Датчик для определения лабораторных загрязнений

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к технике газового анализа и может быть использовано, например, для определения содержания бензола, гексана, циклогексанона, циклогексанола в области рабочей зоны для контроля лабораторных загрязнений.

Известны термокаталитические, оксидно-полупроводниковые, полупроводниковые и электрохимические сенсоры на основе полимерных материалов, имеющие высокую чувствительность к измеряемым веществам [1]. Термокаталитические и оксидно-полупроводниковые сенсоры имеют низкую селективность и требуют дополнительной энергии для нагрева чувствительного слоя. Сенсоры амперометрического типа нуждаются в подогреве рабочего слоя обычно до 600°С и при 24 или 5-12 вольтах и токе 0.4-2 А соответственно потребляют до 1000 мВт [1, 2].

Высокая температура, необходимая для работы их анализаторов, является существенным недостатком их эксплутационных характеристик.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является датчик для измерения влажности газов, включающий пьезокварцевую пластину с полимерной пленкой на основе капрона [3]. Это датчики влажности газов, содержащие чувствительный элемент, выполненный в виде кварцевой пластины с электродами, покрытыми слоем вязкого вещества, полученного из 1-10% раствора капрона в муравьиной кислоте [3-6]. Данный сорбент используется для фиксирования наличия водяных паров в области рабочей зоны. Измеряемой величиной является отношение ΔR/φ (где φ - влажность) Ом на % относительной влажности [3-6]. Он не обладает необходимой чувствительностью к парам указанных выше легколетучих растворителей.

В датчике применяются кварцевые резонаторы (КР) среза ДТ (xyl/-52) с соотношением ширины к длине l_m/l_o=0,38÷0,41 (l_о=1,559·10^-2 м, l_m=6,18·10^-3 м, толщина KP l_d=3,8·10^-4÷6,5·10^-4 м, плотность кварца ρ=2650 кг/м³, при толщине металлизированных электродов Δh≈2·10^-4 м). При таком срезе пьезоэлемент имеет колебания сдвига по контуру.

Целью изобретения является повышение селективной чувствительности датчика на основе кварцевого резонатора к присутствию паров органических растворителей (таблица 1) при помощи тонкого жидкокристаллического (ЖК) покрытия, находящегося в определенном фазовом состоянии, и уменьшение энергопотребления, свойственного амперометрическим датчикам.

Предложенный датчик состоит из жидкокристаллического сорбента, нанесенного (из 5% раствора хлороформа) на поверхность электродов пьезоэлектрической пластинки кварцевого резонатора слоем в 30·10^-6 м, тем самым образуя сенсорное устройство.

В качестве селективного сорбента взяты 4 полиморфных ЖК соединения: 4-н-амилфенилового эфира 4′-н-гексилокси-фенилциклогексан-2-карбоновой кислоты, (I); 4-н-амилфенилового эфира 4′-н-гептилокси-фенилциклогексан-2-карбоновой кислоты, (II); 4-н-амилфенилового эфира 4′-н-октилокси-фенилциклогексан-2-карбоновой кислоты, (III); 4-н-амилфенилового эфира 4′-н-нонилокси-фенилциклогексан-2-карбоновой кислоты, (IV); (фиг.1). Для предложенных сорбентов характерно несколько видов мезофаз при соответствующих температурах (ниже температуры кипения воды, таблица 2).

Мера диссипации колебательной энергии кварцевого резонатора (KP) с пленкой сорбента является величиной, определяющей взаимодействие ЖК пленки сорбента с парами органических растворителей, и зависит от их концентрации в области рабочей зоны.

Датчик включается на резонансной частоте в цепь автогенератора, в котором с помощью пьезоэлектрического эффекта мера диссипации колебательной энергии системы KP - сорбент преобразуется в изменение электрического сигнала переменного тока, удобного как для усиления узкополосным резонансным усилителем, так и для последующего измерения. Наличие паров органических растворителей в области рабочей зоны определяет изменение электрического сигнала переменного тока от датчика, фиксируемое по регистрирующему прибору (например, стрелочному амперметру). Пьезокварцевая пластина может иметь резонансную частоту в пределах 0,05-3 МГц. На Фиг.2 показан пример конструкции пьезоэлектрического сенсорного датчика лабораторных загрязнений.

Датчик (Фиг.2) состоит из пьезопластины 1, металлических электродов 2 и сенсорного слоя 3, подогрев ячейки 4 не более чем до 70°С.

При подведении к электродам 2 высокочастотного напряжения резонансной частоты пьезокварцевая пластина 1 возбуждается и совершает механические колебания, которые передаются сенсорному веществу.

Для электрической цепи сенсорный датчик представляет собой эквивалентное сопротивление, величина которого будет изменяться при увеличении или уменьшении внутреннего трения сенсорного вещества в результате взаимодействия ЖК-пленки сорбента с парами органических растворителей.

Использование пьезокварцевой пластины позволяет обойтись без модулирующих устройств и источников стабилизированного постоянного напряжения, а также без сложных электрических усилителей.

Для численного представления чувствительности датчика к различной концентрации паров растворителей используется формула (1) относительного изменения сопротивления, где R₀ или R - значение сопротивления или потерь электрического сигнала, проходящего через колебательную систему чистого КР; R_Т - текущее значение сопротивления или потерь электрического сигнала, проходящего через колебательную систему КР - пленка в среде с определенной концентрацией паров легколетучих соединений; ΔR - разность R₀-R_T.

В таблице 3 приведены значения концентрации паров растворителей для диаграмм на Фиг.3-6. В таблице 4 приведены значения минимальной чувствительности (на единицу потерь) датчика к определенной концентрации паров растворителей. Для различных фаз сенсорного ЖК покрытия датчика существует значение максимальной концентрации паров растворителей, при которой измерения перестают быть достоверными (табл.5).

Пример. Жидкокристаллическое соединение I (таблица 2, Фиг.1) наносят на поверхность КР (Фиг.2). В присутствии паров одного из растворителей (таблица 1) датчик имеет следующий отклик (Фиг.3 и таблица 6). При этом его чувствительность к парам исследованных растворителей указана в таблице 4. Максимальный различимый уровень концентрации приведен в таблице 4. Для соединений II-IV измерения проводятся аналогично, значения характеристик чувствительности приведены в тех же таблицах (4-6) и на Фиг.3-6. В предлагаемом нами датчике на основе КР были решены следующие технические задачи:

- датчик имеет достаточное быстродействие ~1 с;

- датчик малогабаритен ~1-2 см;

- датчик рассеивает при измерении мощность ~1 нВт;

- имеет чувствительность ~10 мг/м³.

ЛИТЕРАТУРА

1. Каталог продукции фирмы Figaro (wwvv.figarosensor.com).

2. Савченко В.Е. Устройство для измерения влажности газов, а.с. 131926. Бюл. 1960. №18.

3. Савченко В.Е. Устройство для измерения относительной влажности газов А.c. 168501. Бюл. 1965. №4.

4. Савченко В.Е. Грибова Л.К. Способ изготовления пьезокварцевого датчика влажности газов, патент №2035731. Бюл. 1995. №14.

5. Савченко В.Е. Датчик влажности газов, а.с. 230464. Бюл. 1968. №34.

6. Виглеб Г. Датчики. Устройство и применение. М.: 1989. С.196.

Таблица 1Таблица названий легко летучих соединений
№	Название аналита	Р насыщенных паров, мм рт.ст.
1a	Циклогексанол	1,2
2а	Циклогексанон	4,4
3а	Гексан	120
4а	Бензол	78,4
Таблица 2Температуры фазовых переходов соединений IV-VII
№	Cr	Тфп	Sm	Тфп	N	Тфп	I
I	•	39.3°С	•	54.2°С	•	66.1°с	•
II	•	34.8°С	•	61.8°С	•	64.7°С	•
III	•	43.9°С	•	63.3°С	•	65.3°С	•
IV	•	55.1°С	•	-	-	66.1°С	•

Таблица 3Таблица содержания паров летучих соединений в исследуемой области
Название аналита	Концентрация кг/м3	Расчетная масса паров в ячейке кг	Р насыщенных паров, мм рт. ст.
Циклогексанон	2,47·10-5	1,37·10-8	4,4
Гексан	1,61·10-2	8,94·10-6	120
Бензол	6,25·10-3	3,46·10-6	78,4
Циклогексанол	1,78·10-6	1·10-9	1,2

Таблица 4Максимальная концентрация (кг/м3) работы датчика с пленкой ЖК в различных фазах
соединения	I	II	III	IV
растворители	Sm	N	I	Sm	N	I	Sm	N	I	Sm	I
Циклогек-нол	4·10-5	5,6·10-5	5·10-5	8,5·10-5	4,·10-5	4,4·10-5	0,0003	4,6·10-5	5,4·10-5	0,00025	0,00036
Циклогек-нон	0,028	0,036	0,03	0,085	0,027	0,029	0,094	0,024	0,026	0,052	0,033
гексан	0,026	0,012	0,01	0,019	0,011	0,012	0,034	0,01	0,009	0,016	0,011
бензол	1·10-5	3,5·10-6	3·10-6	6·10-6	3·10-6	3·10-6	1,5·10-5	3·10-6	3·10-6	4·10-6	3·10-6

Таблица 5Минимальная чувствительность датчика к концентрации, кг/м3

соединения

I

II

III

IV

растворители

Sm

N

I

Sm

N

I

Sm

N

I

Sm

I

Циклогек-нол

6,5·10-5

9·10-9

8,3·10-9

1,5·10-8

7·10-9

7,4·10-9

4,7·10-8

7,7·10-9

9·10-9

4,2·10-8

6·10-8

Циклогек-нон

4,6·10-6

6·10-6

4,9·10-6

1,4·10-5

4,5·10-6

4,8·10-6

1,6·10-5

4·10-6

4,6·10-6

8,7·10-6

5,5·10-6

гексан

4,4·10-6

2·10-6

1,7·10-6

3·10-6

1,9·10-6

1,9·10-6

5,8·10-6

1,7·10-6

1,5·10-6

2,7·10-6

1,8·10-6

бензол

1,7·10-9

6·10-10

5·10-10

1·10-9

5·10-10

5·10-10

2,5·10-9

4,7·10-10

5,4·10-10

6·10-10

5·10-10

Таблица 6Относительное изменение энергетических потерь (ΔR/R), возникающее присутствием паров различных соединений

Sm

N

I

Sm

N

I

Sm

N

I

Sm

I

I

8,34

6,43

6,97

II

4,05

6,10

7,17

III

3,79

7,87

8,03

IV

3,88

3,07

1а+II

7,83

6,53

7,50

1а+II

4,68

7,52

7,15

1a+III

2,82

6,91

6,18

1a+IV

2,72

2,51

2а+II

4,38

7,17

8,17

2а+II

4,09

8,53

8,09

2а+III

3,69

8,61

8,11

2a+/V

4,26

5,62

3а+II

3,73

7,17

8,00

3а+II

5,08

7,23

6,97

3а+III

3,83

8,32

9,00

За+IV

4,81

6,21

Датчик на основе кварцевого резонатора для определения загрязнений в рабочей зоне, отличающийся тем, что для расширения области чувствительности к парам органических соединений использовано мезогенное полиморфное покрытие кварцевого резонатора, находящееся в жидкокристаллическом состоянии, где в качестве покрытия кварцевого резонатора используются 4-н-амилфенилового эфира 4'-н-гексилокси-фенилциклогексан-2-карбоновой кислоты; 4-н-амилфенилового эфира 4'-н-гептилокси-фенилциклогексан-2-карбоновой кислоты; 4-н-амилфенилового эфира 4'-н-октилокеи-фенилциклогексан-2-карбоновой кислоты; 4-н-амилфенилового эфира 4'-н-нонилокси-фенилциклогексан-2-карбоновой кислоты.