Перетворювач для вимірювання концентрації етанолу

Зміст Вступ

1. Аналіз технічного завдання

2. Хімічні вимірювальні перетворювачі

2.1 Характеристики хімічних датчиків

2.2 Проблеми хімічних датчиків

2.3 Класифікація хімічних перетворювачів

2.3.1 Метал-оксидні хімічні датчики

2.3.2 Хімічні полеві транзистори

2.3.3 Електрохімічні датчики

2.3.4 Оптичні хімічні датчики

2.3.5 Термокондуктометричні комірки

2.3.6 Паливні комірки

3. Розробка конструкції перетворювача

3.1 Обгрунтування конструкції хімічного датчика Висновки Список використаної літератури

Вступ В наш час відбувається глобальна автоматизація всіх аспектів життя. Автоматичні механізми присутні на виробництвах, на перевезеннях, в побуті і в відпочинку кожної людини. Автоматизація виробництва вимагає певного контролю і управління обладнанням, ця функція покладається на певного робітника, який несе відповідальність за правильну координацію виробництва. А це означає, що такий працівник повинен бути при здоров'ї фізичному та психічному. Іншими словами людина повинна мати ясний розум. Найпоширенішою причиною його затьмарення є алкогольне сп’яніння. Тому керівництво багатьох фірм та заводів перед допуском робітника до роботи перевіряють його видихуване повітря на наявність парів спирту. Крім цієї проблеми є проблема алкоголізму водіїв. Працівники служби ДАІ також контролюють це питання шляхом визначення кількості парів спирту у видихуваному повітрі водія. Такі проблеми призвели до розвитку такої галузі науки як алометрія.

Алкометрія—самостійний біотехнічний напрям, який об'єднує в собі методи і засоби кількісного визначення вмісту алкоголю в організмі людини. Алкометр—засіб вимірювання, який призначений для вимірювання концентрації алкоголю в видихуваному людиною повітрі або в крові людини по видихуваному повітрі. Його похибка нормована, він підлягає метрологічній повірці. [4]

Професійні алкометри використовуються в сфері державного регулювання забезпечення єдності вимірювань, а саме, при здійсненні діяльності в області охорони здоровя і виконання робіт по забезпеченню безпечних умов і охорони праці.

Тому вибираючи завдання для самостійної роботи я звернула увагу на цей напрямок біотехнічних розробок.

В роботі необхідно розробити конструкцію перетворювача для вимірювання концентрації етанолу в видихуваному повітрі.

1. Аналіз технічного завдання В роботі необхідно розробити конструкцію перетворювача для вимірювання концентрації етанолу.

Згідно завдання, концентрація етанолу вимірюється в потоці видихуваного повітря, тому перетворювач повинен мати досить високу швидкодію та незначні габарити та масу.

Проведемо аналіз основних принципів, що лежать в основі вимірювання концентрації хімічних речовин, основних типів хімічних датчиків та їх конструктивних особливостей

2. Хімічні вимірювальні перетворювачі

Хімічні датчики реагують або на певні хімічні речовини, або на хімічні реакції. Їх призначення — ідентифікація і кількісне визначення хімічних реагентів в газовій і рідкій фазах (хімічні датчики для твердих речовин практично не використовуються). 1]

У промисловості хімічні датчики використовуються для контролю за технологічними процесами при виробництві пластмас, а також при литві металів, де кількість дифундованих газів впливає на деякі параметри металів, наприклад, на їх міцнісні характеристики. Вони застосовуються для моніторингу середовища в робочих приміщеннях, для визначення концентрацій небезпечних для здоров’я людей компонентів. Сфера застосування хімічних датчиків постійно росте: тестування і контроль за якістю продуктів харчування, за розповсюдженням пестицидів в сільському господарстві і так далі

У медицині хімічні датчики застосовуються для тестування стану здоров’я людей по аналізах складу крові і газів, що знаходяться в легенях. Такі датчики також використовуються при визначенні рівня алкоголю в крові і для діагностування проблем травлення.

У військових областях хімічні датчики використовуються для виявлення паливних складів і отруйних речовин в повітрі, що використовуються при проведенні військових операцій. Такі датчики використовуються для моніторингу підземних вод на території військових баз, а також для контролю за токсичністю багатьох виробництв, особливо ядерних, з метою дослідження впливу тих або інших компонентів на навколишнє середовище і здоров’я людей.

2.1 Характеристики хімічних датчиків [1]

Для опису більшості хімічних датчиків використовуються загальні для всіх детекторів характеристики: стабільність, відтворюваність, лінійність, гістерезис, насичення, час реакції і діапазон вимірювань. Але також існують два параметри, характерні тільки для цієї групи датчиків: вибірковість і чутливість до певного хімічного реагенту, що входить до складу складних композицій.

Вибірковість — це здатність детектора реагувати тільки на певну хімічну речовину і не реагувати на всіх решту. Чутливість характеризується або мінімальною концентрацією речовини, що детектується, або мінімальною зміною її концентрації (цей параметр часто називають роздільною здатністю), достатньої для надійного детектування датчиком.

Вибірковість є найважливішою характеристикою хімічних датчиків. На практиці зазвичай перевіряють реакцію датчиків на збільшення концентрацій досліджуваних реагентів, оскільки набагато простіше підвищувати концентрацію речовин в еталонному зразку, чим зменшувати її. Очевидно, що хімічних датчиків з ідеальною селективністю не існує.

2.2 Проблеми хімічних датчиків [1]

Основна проблема хімічних датчиків полягає в тому, що досліджувані хімічні реакції міняють сам датчик, на жаль, часто необоротно. Наприклад, електрохімічні елементи на основі рідких електролітів (матеріалів, що проводять електричний струм не за рахунок електронів, а за допомогою іонів) при кожному вимірюванні втрачають невелику кількість електроліту, тому треба або постійно доливати його, або використовувати датчики іншого типу, такі як хімічні детектори на основі польових транзисторів.

Іншою проблемою є те, що хімічні датчики можуть піддаватися дії необмеженої кількості різних комбінацій хімічних реагентів, всі з яких просто неможливо змоделювати. При цьому за рахунок забруднень різних типів, або плівкових детекторів, чи таких, що забивають пори, або змінюють чутливу поверхню (наприклад, кремній в цирконієвих датчиках створює плівку, що не видаляється) можуть відбуватися серйозні зміни робочих параметрів датчиків, визначених в процесі калібрування.

У каталітичних датчиках, що використовуються для детектування вуглеводнів, платинові електроди і нагрівальні елементи починають випаровуватися при підвищенні температури вище 1000 °C, що сильно обмежує їх термін служби і знижує довготривалу стабільність. Швидкість випаровування зростає у присутності газів деяких горючих речовин. Втрати платини приводять до зміни опору проводів, що викликає зсув показників датчиків, а також прогар нагрівальних платинових котушок.

Хімічне забруднення є проблемою багатьох датчиків, наприклад, в детекторах каталітичного типу кремній і тетраетилсвинець, осідаючи на поверхні чутливих елементів, уповільнюють процес окислення вуглеводнів, що веде до заниження свідчень. Іноді для запобігання попаданню забруднюючих реагентів в хімічні датчики вбудовують спеціальні фільтри, що затримують непотрібні речовини, не роблячи при цьому ніякого впливу на досліджувані компоненти.

Хімічні датчики на основі поверхневих акустичних хвиль (ПАХ), піддаються механічному забрудненню чутливих адсорбуючих плівок досліджуваними реагентами, що приводить до необоротної зміни їх маси, а, отже, і відходу від калібрувальних параметрів. Те ж саме відбувається і з чутливими покриттями оптоволоконних детекторів, що постійно забруднюються компонентами, що не видаляються, знижують їх відбивну здатність, що приводить до помилкового детектування досліджуваних реагентів.

Існує ще одна проблема, характерна тільки для хімічних датчиків, що полягає в тому, що більшість хімічних реакцій протікають тільки за умови використання стехіометричних сумішей із збалансованими рівнями концентрацій реагентів. Наприклад, в реактивних вуглеводневих детекторах для проведення вимірювань необхідно, щоб концентрація вуглеводнів відповідала концентрації кисню в суміші. При великій концентрації вуглеводнів (або недостатній концентрації кисню) в реакцію вступить тільки частина вуглеводнів, що приведе до заниження результатів вимірювань.

2.3 Класифікація хімічних перетворювачів [1]

Існує дві класифікації хімічних датчиків: за типом явища, що лежить в основі їх принципу дії, і по методу вимірювання. Всі хімічні детектори можна розділити на дві великі групи: прямого вимірювання (прості) і непрямі (складені). Кожна група, у свою чергу, ділиться на пристрої хімічного і фізичного типу (рис. 2.1). Датчики прямої дії засновані на властивостях деяких хімічних реакцій міняти параметри електричного кола: опору, напруги, струму або ємкості. Такі датчики використовують додаткові схеми для узгодження вихідних електричних сигналів з інтерфейсною схемою, але в них немає ніяких перетворювачів, що конвертують одну форму енергії в іншу. Датчики ж непрямого типу засновані на хімічних реакціях, що не викликають безпосередньої зміни електричних параметрів, тому в їх склад завжди входять додаткові перетворювачі, що конвертують побічні явища реакцій (зміну фізичних розмірів, зрушення частоти, модуляцію світла, зміну температури і навіть маси) в електричні сигнали.

У деяких найпростіших детекторах хімічного типу досліджуваний хімічний реагент вступає в пряму хімічну реакцію з чутливим елементом, що викликає значну зміну їх вихідних сигналів. При цьому часто виникають необоротні зміни самих датчиків і погіршення їх стабільності. Недоліком детекторів хімічного типу є їх неповна відновлюваність після проведення вимірювань, викликана частковим використанням їх компонентів (зменшення електроліту в електрохімічних елементах або розмірів електродів).

Рисунок 2.1. Класифікація хімічних датчиків [1]

У детекторах фізичного типу хімічні реакції не протікають, але у присутності певних хімічних реагентів відбувається зміна їх фізичних властивостей. Детектори цієї групи володіють меншим дрейфом характеристик і кращою стабільністю в порівнянні з датчиками хімічного типу. Проте, як правило, вони достатньо дорогі через необхідність використання додаткових перетворювачів і володіють невисокою швидкодією.

Рисунок 2.2. Датчик прямої дії [1]

Рисунок 2.3. Датчик непрямої дії [1]

За типом дії на електричні характеристики чутливого елементу датчики прямої дії діляться на: кондуктометричні (змінний параметр — опір або імпеданс чутливого елементу), амперометричні (змінний параметр — струм, що протікає через чутливий елемент) і потенціометричні (змінний параметр — напруга на парі електродів). За допомогою відповідних електронних схем змінні параметри легко перетворяться з однієї форми в іншу. Існує безліч хімічних і фізичних реакцій, на базі яких можна реалізувати датчики прямої дії.

2.3.1 Метал-оксидні хімічні датчики [1]

Метал-оксидні газові датчики на основі діоксиду олова (SnО2) з’явилися в кінці 1960;х років. Вони є простими і міцними пристроями та досить легко узгоджуються з будь-якими електричними схемами. Такі детектори засновані на властивості деяких оксидів металів у присутності певних газів (таких, як Ch3Sh і С2Н5ОН) міняти свої електричні характеристики. При нагріві в повітрі кристалів оксиду металу, наприклад, SnO2, до заданої достатньо високої температури поверхня кристала починає адсорбувати атоми кисню, внаслідок чого вона стає зарядженою, що зменшує струм електронів. При дії на поверхню детектора певних газів відбувається зниження її потенціалу, що значно підвищує провідність кристала.

Для знаходження співвідношення між електричним опором плівки і вимірюваною концентрацією газів можна скористатися наступним емпіричним виразом:

де RS — електричний опір детектора, А — константа, визначена для даного хімічного складу, С — концентрація досліджуваних газів, а? — нахил характеристичної кривої опору, побудованої для даного оксиду металу і конкретного газу.

а б Рисунок 2.4 — Метал-оксидний хімічний детектор, включений в схему моста Уітстона (а) і його передаточні характеристики, побудовані для різних газів (б) [1]

Оскільки в таких детекторах міняється питомий опір кристала, вони не можуть працювати самостійно, а мають бути включені до складу додаткової електронної схеми. В ролі такої схеми, як правило, використовується міст Уїтстона, в одне з плечей якого включається детектор. Зміна опору детектора приводить до розбалансу моста (рис. 2.4 а). Для температурного балансування мостової схеми застосовується термістор з негативним температурним коефіцієнтом з паралельним лінеаризуючим резистором.

Оскільки датчик веде себе як опір, величина якого міняється залежно від типу газу і його концентрації, падіння напруги на нім буде пропорційне цьому опору, тому можна побудувати графік залежності падіння напруги від концентрації газів. Зазвичай при побудові цього графіка в логарифмічних координатах, він має вигляд прямої лінії (рис. 2.4 б). Для кожного газу цей графік матиме свій нахил і зсув, що дозволяє проводити його ідентифікацію. Знаючи параметри цих прямих, можна оцінювати концентрацію газів навіть за межами побудованого графіка. За швидкістю зміни провідності детектора можна ідентифікувати газ і визначити його концентрацію. Для таких детекторів рівень провідності може дрейфувати, але швидкість її зміни (нахил характеристики) завжди залишається постійною. Тому датчики, що вимірюють не величину провідності, а швидкість її зміни володіють кращою стабільністю і відтворюваністю.

2.3.2 Хімічні полеві транзистори [1]

Такі датчики реалізуються на основі полевих транзисторів, на затвори яких наносяться один або декілька шарів спеціальних покриттів, здатних реагувати на певні хімічні речовини (рис. 2.5). Ці хімічні реагенти, впливаючи на затвор транзистора, міняють його провідність між стоком і витоком. Величина цих змін визначається типом хімічної речовини. Залежно від типу досліджуваних реагентів міняється і тип покриттів. Існуючі хімічні полеві транзистори дозволяють детектувати водень в повітрі, кисень в крові, деякі нерввовопаралітичні гази, NH3, СО2 і деякі вибухонебезпечні речовини.

Рисунок 2.5 Конструкція рідинного хімічного полевого транзистора і електрична схема його включення [1]

Для виготовлення хімічних польових транзисторів (ХПТ), також як і звичайних ПТ, застосовуються тонкоплівкові технології. ХПТ, як правило, реалізуються на підкладці з кремнію р-типу, на якій методом дифузії сформовано дві області n-типу (стік і витік). Отримана конструкція покривається ізоляційним шаром діоксиду кремнію, і над зоною між стоком і витоком формується металевий електрод (затвор ПТ), на який наноситься багатошарове хімічне покриття. Під час роботи на транзистор подається напруга. Електрони, що збираються біля поверхні напівпровідника за рахунок поляризації спеціальних покриттів, нанесених на затвор, формують канал провідності між n-зонами стоку і витоку. Фактично, ХПТ працює як хімічно керований резистор. ХПТ підключений до входів диференціального підсилювача, вихідна напруга якого пропорційна провідності транзистора. Також провідність ХПТ можна визначити за допомогою перетворювача струм-напруга з еталонним резистором R.

Затвор ХПТ, що детектує водень, виконується у вигляді Pb/Ni плівки. У вдосконалених ХПТ, що володіють вищою стабільністю, наприклад, в ХПТ, використовуваних для детектування рідинних реагентів, між затвором з діоксиду кремнію і мембраною, що відокремлює затвор від аналізованого складу, формується шар гідрогелю Ag/AgCl. Селективна мембрана зазвичай виготовляється з полівінілхлориду, поліуретану, силіконової гуми або поліефіра.

У ХПТ, що детектують іони, затвор, покривається шаром електроліту, хімічно активного по відношенню до іонів певних речовин, або замінюється на інший напівпровідниковий матеріал. Якщо іон-селективний матеріал пропускає іони, то ХПТ називається MEMFET, а якщо його мембрана є непроникною для них, він називається SURFET. У присутності певних хімічних речовин на затворі таких транзисторів з’являється потенціал, що відкриває його канал провідності, тобто через нього починає текти струм, величина якого пропорційна концентрації шуканого компоненту. Такі детектори мають невеликі розміри і низьке споживання енергії. Якщо в ХПТ використовуються ензимні мембрани, він називається ENFET, якщо іон-селективні - ISFET. Іон-селективні мембрани застосовуються для побудови хімічних датчиків, а ензимні - біохімічних. Ензимні мембрани, виготовляються з поліаніліна (PANIE).

2.3.3 Електрохімічні датчики [1]

Електрохімічні детектори є самими універсальними серед всіх хімічних датчиків. Залежно від принципу дії вони діляться на детектори, що вимірюють напругу (потенціометри) і провідність або опір (кондуктометричні). У конструкції будь-якого електрохімічного датчика присутньо, як мінімум, два спеціальні електроди, між якими протікає хімічна реакція або відбувається переміщення зарядів, що утворюються в процесі цієї реакції. При проведенні вимірювань електричний коло детектора має бути замкнутим.

Електроди виготовляються з каталітичних металів, таких як платина або паладій, або з металів з вугільним покриттям. Площа електродів робиться по можливості максимально великою, щоб, як можна, більша кількість аналізованого розчину вступила в реакцію, оскільки від цього залежить величина вихідного сигналу. Для підвищення терміну служби і збільшення реакційної здатності поверхня електродів іноді обробляється особливим чином.

Рисунок 2.6 — Схема електрохімічного датчика [1]

На рис. 2.6 показана схема електрохімічного датчика. Електрод WE, що бере участь в хімічній реакції, називається робочим електродом. Електричний сигнал вимірюється по відношенню до допоміжного електроду АЕ, який не обов’язково має бути електролітичним. Третій електрод — еталонний (RE) використовується для коректування похибка, що вноситься поляризацією робочого електроду. У сучасних електрохімічних датчиках товстоплівкові електроди виготовляються методом трафаретного друку, що підвищує їх надійність і спрощує процес виробництва.

Електроліт — це середовище, в якому носіями зарядів є не електрони, а іони. Ця умова є першим критерієм відбору аналізованих хімічних реакцій. Детектор, що складається з електродів і електроліту, називається електрохімічною коміркою. Залежно від того, за якими електричними параметрами ведеться спостереження (за опором, напругою, струмом, ємкістю і так далі), міняється і вид електрохімічної комірки.

Найпростіша електрохімічна комірка складається з двох електродів, поміщених в розчин електроліту. Аналізований газ, наприклад, СО вступає в реакцію з робочим електродом, в результаті якої виробляються молекули СО2 і вільні електрони. Заряджені частинки притягуються другим електродом, і якщо в середовищі є кисень, відбувається утворення води. Таким чином, в електрохімічній комірці відбувається перетворення СО в СО2 Якщо електроди з'єднати послідовно з резистором, і вимірювати падіння напруги на нім, воно буде пропорційне протікаючому струму, а, значить, і концентрації досліджуваного газу.

2.3.4 Оптичні хімічні датчики [1]

Оптичні датчики засновані на взаємодії електромагнітних хвиль з досліджуваним зразком, в результаті якого міняються деякі властивості випромінювань, такі як інтенсивність, поляризація, швидкість світла в середовищі і так далі Модуляція довжини хвилі випромінювання відбувається із-за присутності в зразку певних хімічних речовин. Оптичні модуляції сигналів досліджуються методами спектроскопії, що дозволяють отримувати різну інформацію про мікроскопічні структури: від атомів до динамічних процесів в полімерах. Принцип дії спектрометрів полягає в дії на зразок, який може бути в одній з трьох фаз: твердій, рідкій або газоподібній, монохроматичного випромінювання. Електромагнітні хвилі, що проходять через зразок, змінюють його властивості, що приводить до модуляції вихідного сигналу. Або зовнішнє випромінювання приводить до виникнення вторинного випромінювання (індукованій люмінесценції), інтенсивність якого пропорційна концентрації аналізованої речовини у складі зразка.

Хемілюмінесцентні детектори при дії на них випромінюванням у присутності певних хімічних речовин починають випускати світло.

Рисунок 2.7 — Спрощена схема оптичного детектора СО2 [1]

Недисперсійне поглинання ІЧ випромінювання заданих довжин хвиль може бути використано для детектування таких газів, як СО2. Спектроскопічні оптичні датчики абсорбції, що працюють в діапазоні УФ і ІЧ довжин хвиль, іноді застосовуються для виявлення таких газів як О3, при цьому спостерігається не просте ослаблення сигналу, а складніші форми зміни оптичної густини. Які б методи вимірювання не використовувалися, у всіх них є загальне правило, що для отримання максимально можливого електричного вихідного сигналу довжина хвилі джерела випромінювань повинна відповідати потужності вибраного оптичного детектора. Детектування випромінюваного і результуючого випромінювань проводиться за допомогою фотодетекторів або фотопомножувачів.

Розроблена велика кількість різноманітних оптичних хімічних детекторів. На рис. 2.7 показана спрощена схема детектора СО2, що складається з двох камер, що освітлюються одним світло випромінюючим діодом (СИД). Для підвищення відбиваючої здатності поверхні камер покриті шаром металу. У лівій камері виконані отвори, що сполучаються з газопроникною мембраною. Ці отвори дозволяють СО2 проникати всередину камери. Нижні частини камер виконані з скла. Підкладки, А і У формують оптичні хвилеводи. Робоча камера заповнюється реагентом, контрольна камера залишається порожньою. Вимірювальна частина детектора відстежує зміни оптичної густини рН-индикатора, внесеного до розчину реагенту. В даному випадку справедливий закон Бера-Ламберта:

де І - інтенсивність відбитого випромінювання І0 — інтенсивність джерела випромінювань? — молярна поглинаюча здатність,? — довжина хвилі, С — концентрація.

Між молекулами СО2 навколишнього середовища і молекулами Н2СО3 і НСО3 реагенту встановлюється рівноважний стан, що приводить до зміни рН розчину Розчин реагенту містить рН-индикатор хлорофенол червоний, у якого поглинаюча здатність на довжині хвилі 560 нм лінійно залежить від рівня рН, що змінюється в діапазоні значень 5.7. Склад реагенту вибирається з розрахунку того, щоб парціальний тиск СО2 в діапазоні 0…140 тор приводить до зміни рН в необхідному інтервалі значень. Оскільки рН розчину пропорційний логарифму парціального тиску діоксиду вуглецю (рСО2), зміна його оптичної густини буде лінійно пов’язана з логарифмом від рСО2.

Світло від загального СИД проходить через рН-чутливий розчин, відбивається від поверхні камери і повертається на фотодіод 1. Другий фотодіод є еталонним, його призначення полягає в згладжуванні перепадів інтенсивності випромінювання СИД. Для забезпечення температурної стабільності характеристик детектор повинен працювати при постійній температурі навколишнього середовища.

На рис. 2.8 показаний оптоволоконний хімічний датчик, принцип дії якого заснований або на зміні інтенсивності випромінювання, що дійшло через хвилевід до приймаючого фотодетектора, або на зміні його довжини хвилі.

Рисунок 2.8 — Оптоволоконний хімічний датчик [1]

Такий датчик зазвичай складається з трьох частин: джерела випромінювання, хвилеводу із спеціальним адсорбційним покриттям на кінці і фотодетектора, що перетворює змінний світловий сигнал в електричний. Шар, нанесений на кінець волокна виконує роль або хімічно селективної мембрани, або індикатора, оптичні властивості якого залежать від складу аналізованого зразка. Розташування реагенту і його характеристики, що впливають на оптичні властивості детектора, визначаються типом датчика. Простий датчик зазвичай складається з скляного оптоволоконного хвилеводу з полімерним покриттям, відполірованої лінзи на його кінці і реагенту, що поглинає падаюче світло. Іноді замість відполірованої лінзи на кінці хвилеводу використовується спеціальне покриття, що впливає на віддзеркалення і заломлення падаючого випромінювання, в цьому випадку детектор вимірює затухаючі коливання. Оскільки сам хвилевід є досить міцним і стійким до дії багатьох хімічних реагентів, слабким місцем таких датчиків є чутливе покриття, що не володіє такими властивостями.

Існують різноманітні конструкції оптоволоконних детекторів, мета розробки яких полягає в підвищенні їх вибірковості. У одній з них світло від джерела випромінювань розділяється на два промені, один з яких проходить через реагент, а інший залишається незмінним. Після чого два відображених промені або за допомогою мультиплексора підключаються до одного фотодетектора, або подаються на різні перетворювачі для отримання вихідного диференціального сигналу.

2.3.5 Термокондуктометричні комірки [1]

Ці датчики придатні для виявлення Н2, СО2, SO2, а також горючих і вибухонебезпечних газів. Принцип дії (рис. 2.9) полягає в наступному. Досліджувана проба газу дифундує у вимірювальну камеру, в якій є платинова або нікелева дротяна спіраль, нагріта до температури приблизно на 40 °C вище оточуючої. Якщо склад газової проби зміниться, то зміниться також тепловідвід від нагрітої спіралі до стінок комірки. У разі діоксиду вуглецю (СО2) при цьому відбувається підвищення температури спіралі, оскільки теплопровідність СО2 незначна. У разі натікання в комірку водню (Н2) спіраль охолодиться унаслідок його високої теплопровідності. Охолоджування або нагрів спіралі веде до зміни її опору, який співставляється у вимірювальному мості з другим, — еталонним — опором, розташованим в порівняльній камері.

Сигнал датчика визначається зміною теплопровідності газової суміші, а оскільки однаковий тепловий ефект може бути обумовлений змішуванням різних газів, але у відповідно різних кількостях, застосування датчика обмежене тільки аналізом бінарних сумішей заздалегідь відомих газів.

Рисунок 2.9 — Термокондуктометрична вимірювальна комірка [1]

Для аналізу сумішей з трьох і більше газів даний спосіб непридатний.

2.3.6 Паливні комірки [1]

Для оцінки натікання повітря по кисню, що міститься в нім, застосовують датчики з паливною (електрохімічною) коміркою.

Рисунок 2.10 — Паливна вимірювальна комірка [1]

У такій комірці електропровідний матеріал, що володіє великою поверхнею, розташований між електролітом і атмосферним повітрям. У присутності кисню відбувається окислення активної поверхні цього матеріалу з виділенням тепла, внаслідок чого виникає відчутний електричний сигнал, який може бути зміряний. Пристрій такої комірки схематично показаний на рис. 2.10. В результаті хімічної реакції з киснем у вимірювальній комірці між катодом і анодом виникає вимірювальна напруга, що зростає пропорційно вмісту газу в навколишній атмосфері. Реакція протікає дуже швидко, тому відразу ж визначається вміст кисню в даний момент. Температурна компенсація, здійснювана усередині вимірювальної комірки, стабілізує вихідний сигнал по відношенню до температури.

3. Розробка конструкції перетворювача

3.1 Обгрунтування конструкції хімічного датчика

Електрохімічний датчик, маючи найменші розміри, володіє високою точністю, тому я зупинюсь на електрохімічному сенсорі і детальніше розгляну принцип його дії. Він заснований на електрохімічній реакції окислення етанолу до оцтової кислоти, яка протікає в так званій «паливній комірці»:

C2H5OH + O2 > C2H4O2 + H2O

Електрохімічний датчик етанолу складається з двох активних платинових поверхонь, на які осаджений спеціальним чином підібраний каталізатор, в присутності якого послаблюються зв’язки в молекулах етанолу. Між платиновими поверхнями розташований пористий субстрат, просочений електролітом. Полімерна мембрана, нанесена на одну з пластикових поверхонь, слугує фізичним бар'єром який регулює інтенсивність реакції на активній каталітичній поверхні. При продуванні повітря, який має пари етанолу, через корпус сенсорної комірки від молекул етанолу поблизу активної каталітичної поверхні відриваються додатково зарядженні іони водню Н+ і виділяються вільні електрони. Іони Н+ мігрують через електроліт, попадаючи на другу поверхню, де і утворюють воду, зв’язуючись з киснем повітря. Таким чином на верхній поверхні утворюється за рахунок надлишку електронів негативний заряд, на нижній—позитивний. Будучи ввімкненою в електричний контур сенсорна комірка створює в контурі струм, сила якого в момент піку буде пропорційна кількості утворених на поверхні вільних зарядів і, значить, кількості молекул етанолу, які прореагували поблизу активної каталітичної поверхні. 5]

Саме тому електрохімічний датчик забезпечує високу точність завдяки правильному виборі каталізатора і близьку до абсолютної вибірковість етанолу.

Концентрація парів залежить від об'єму. Відповідно до формули нижче необхідна кількість рідини випаровується в вимірювальній камері. [3]

де X-кількість рідкого спирту;

C-обєм випарів алкоголю;

M-молекулярна вага алкоголю (46.07);

d-питома вага алкоголю (d20=0.797);

p-чистота реагентів;

t-температура.

Більшість датчиків схожі за конфігурацією і конструкцією, тому опишу їх на основі датчика TGS 812, який випускає фірма «Figaro Engineering inc.». TGS 812—загальний датчик газу, з підвищеною чутливістю до окису пропану, бутану і газу і тому може бути використаний для виявлення горючих та токсичних додатків. Електричній схемі потрібне стабільне живлення нагрівача 5 вольт і напруга холостого ходу не більше 24 вольт.

Структура і конфігурація TGS 812 [3]

Рисунок 3.1 Конфігурація TGS 812(1—сітка (густиною в 100отворів) SUS 316 з чистою марлею (двошаровою); 2—провід котушки з благородного металу; 3—сенсор; 4—нагрівальна котушка; 5—смоляне вилите кільце; 6—нікелевий контакт) [3]

Рисунок 3.2 Схема електричного кола [3]

Примітка: контакти з номерами 1 і 3 мають внутрішнє з'єднання. контакти з номерами 4 і 6 також мають внутрішнє з'єднання.

Рисунок 3.3Структура TGS 812 [3]

На рис. 3.1 і 3.3 показані структура і конфігурація TGS 812 датчика.

TGS 812 це закалена напівпровідникова маса, яка складається в основному з діоксиду олова. Напівпровідниковий матеріал електродів осідає на трубчастій керамічній формі.

Нагрівальна котушка розташована в середині керамічної форми. Ця котушка виготовлена діаметром 60 мкм з домішками хрому, має опір 38 Ом.

Підвідні проводи від датчика—електроди, мають діаметр 80 мкм і домішки золота. Електроди від нагрівача і свинцевої форми приваюються на датчики контакту, які розташовані відповідно до 7-контактної мініатюри роз'єму трубки. Контакти можуть витримати силу більше 5 кг.

Основа і кришка датчика виготовлені з нейлону 66, який відповідає UL 94HB Authorized Material Standart. Температура деформації для цього матеріалу перевищує 240 C.

Верхні і нижні отвори датчика покриті вибухозахищеною двошаровою марлею з нержавіючої сталі SUS 316. Незалежні тести підтверджують, що ця сітка запобігає запаленню іскри всередині вибухозахищеної кришки запалювання вибухової суміші водню і кисню (2:1).

Основи вимірювального ланцюга [3]

Рисунок 3.4 Принципова схема для TGS-сенсора (Vc—напруга холостого ходу; Vh—напруга напруження; Rl—опір навантаження) [3]

На рис 3.4 показана принципова схема використання датчика типу 812. Зміна опору датчика TGS вимірюється опосередковано, як зміна напруги змінюється через навантажувальний резистор Rl. У свіжому повітрі струм, що проходить через датчик і Rl стійкий, але коли горючий газ, такий як водень, чадний газ і т.д. входить в контакт з поверхнею датчика, опір зменшується відповідно до концентрації газу. Зміна напруги через Rl так само, коли і через Vc і Vh поступають від мережі змінного струму або джерела постійного струму. Схема повинна відповідати значенням, перерахованим в таблиці 1.

Таблиця 1. Область безпечної роботи датчика

Схема конфігурації. [3]

Таблиця 1 перераховує область безпечної роботи для датчика типу 812. Значення Vc, Vh і Рs не може бути перевищена. З урахуванням максимального розсіювання датчика 15 мВт, значення Vc і Rl можна вибрати відповідати всім вимогам проектування. На практиці Vc може бути 5, 6, 12 або 24 вольт, і поставляється з джерелом батареї або мережі змінного струму. Якщо струм, що проходить через датчик обмежений менше 0,5 мА, то включення навантажувального резистора Rl не є необхідним.

Схема тестування і специфікації датчика [3]

Таблиця 2 Схема тестування і тестування продуктивності

Характеристика чутливості [3]

Рисунок 3.5 Залежність коефіцієнту опору від концентрації для датчиків типу 812 (Примітки: Ro—опір датчика повітря, що містить 1000 ppm ізобутану, R—опір датчика при різних концентраціях газів) [3]

На рис. 3.5 показані основні характеристики датчиків типу 812 по відношенню до різних газів. Дані будуються на розрахунку коефіцієнта чутливості датчика.

Залежність від напруги живлення датчика [3]

Коливання напруги живлення та здійснення Vc, Vh може давати похибку в опорі датчика та напруги на виході.

Рис. 3.6 показує зміни сенсора у відповідь на різноманітні гази коли напруга Vh змінюється в межах ±20% з постійною напругою Vc. Дані на рис. 6 не слід читати, як вказує значення з Vh може бути обрана відповідно до певної концентрації газу. Коли напруга Vh змінюється більш ніж на ±0.2 В, інші характеристики датчика, такі як початковий час прогріву, час залежність від датчика і т.д., також змінилися.

Рисунок 3.6 Вплив коливань напруги нагрівача типу 812 співвідношення опору (зауваження: Ro—датчик опору повітря, що містить 1000 ppm ізобутану на 5V (Vh). R—опір датчика в повітря, що містить 1000 ppm ізобутану при різних напругах нагрівача) [3]

Рис. 7. Вплив коливань напруги живлення на 812 вихідна умова випробувальна напруга (Умови тестування: Vc 10В±20%/ Vh 5.0В±20%/ Rl 4кОм) [3]

На рис. 3.7 показано вплив коливання напруги на виході від виміряної датчиком напруги при опорі резистора 4 кОм в основному тестовому колі. Оскільки зміни в напрузі живлення і в напругах Vc, Vh і результати, показані на рис. 3.7 відрізняються від показаних на рис. 3.6, де змінювалася лише напруга Vh. В вимірюваннях коли вимагається висока точність виявлення газу використання типу 812 датчика, рекомендується ±1% регулювати напругу при роботі.

Температура і вологість [3]

Чутливість характеристики TGS 812 датчиків змінюються зі зміною температури повітря і вологості. Принцип виявлення TGS заснований на хімічній адсорбції і десорбції газів на поверхні сенсора. Оскільки ці реакції залежать від температури і водяної пари можна вважати газ, вплив температури і вологості, зміни не можуть бути виключені з датчиків.

Рис. 3.8 показані залежність датчиків типу 812 від температури/вологості [3]

На рис. 3.8 залежність TGS 812 від температури і вологості, зауважує: опір датчика в повітрі, що містить 1000 частин на мільйон газу ізобутану при різних температурах і вологості.

Час для початкової стабілізації. TGS датчик, який був збережений неактивним протягом тривалого часу займає деякий час, щоб досягти його нормального робочого стану після ввімкнення і надалі. Це «Початкова дія» характеристика показана на рис. 3.9.

З моменту ввімкнення на провідність датчики спершу зростають швидкими темпами, а потім падає до її фінального значення. Час, необхідний для стабілізації є функцією зберігання датчика часу і атмосфери. Загалом, чим довше строк зберігання, тим довше початковий момент часу дії. У разі датчик типу 812, в початковий момент часу дія досягає свого максимального значення приблизно через 20 днів зберігання. У звичайних додатків в початковий момент дії будуть менше, ніж 2 хвилини.

Рисунок 3.9 Початкові дії TGS 812 зберігаються протягом 1 тижня без поточного вхідного [3]

Час залежності характеристик. Датчики, які зберігалися протягом більше як 2 тижнів відображення характерний час залежність показана на рис. 3.10.

Рисунок 3.10 Опір датчика в залежності від часу (Приклад: TGS (5 штук) 1. зразки датчиків були зберігатися більше двох тижнів, перш ніж вони знову включений; 2.) [3]

На рис. 3.11 показана типова картина часу залежність з 812 датчиків. Протягом перехідного періоду опір датчика вище, ніж опір в стабільний період. Перехідний період буде коливатися в межах окремих датчиків, а також буде залежати від датчика досягши стабільного значення опору у відповідний період. Модель показана на рис. 3.11 буде повторюватися, якщо детектор встановлений на кінцевого користувача. Для 1. початкового і перехідного періоду після включення; і 2. стабілізувався період напругою рівень вихідного сигналу.

Рисунок 3. 11. Типова картина TGS 812 зміни чутливості з плином часу. (Ro—опір датчика в стабільний; R—опір датчика при стабілізації) [3]

Середній термін придатності електрохімічного датчику алкоголю значно вище напівпровідникового і може складати до 5 років, звичайно ж, при умові правильної експлуатації. При цьому прилади з електрохімічним сенсорним датчиком не потребують налаштування раз в 2 місяці, як напівпровідникові. Персональні алкотестери з електрохімічним сенсорним датчиком вимагають налаштування 1 раз в півроку, а професійні алкотестери (алкометри)з електрохімічним датчиком—один раз в рік перед повіркою по необхідності. [5]

Калібрування [2]

Перед калібрування газовий датчик протягом кількох днів піддати старінню для отримання надійних результатів вимірювань.

Краще всього проводити калібрування з використанням горілки міцністю 40%. Для цього в вісім склянок наливають точно по 20 мл. Потім одну з них випивають і вичікують приблизно 15 хв, щоб алкоголь міг перейти в кров і в порожнині рота не лишалось слідів алкоголю. Після цього потрібно подути на датчик і впевнитись, що покази все ще складають 0 проміле, як і має бути. В інакшому випадку варто здійснити регулювання налаштувальним потенціометром. Після другої склянки також варто вичекати 15 хв. Покази повинні складати 0.2 промілле. Ця процедура продовжується далі доки після восьмої дози покази не досягнуть 1,0 промілле. Кінцеве значення можна встановити потенціометром. Калібровка розрахована на вагу тіла 75 кг і на проведення процедури натщесерце. Жирна їжа і велика вага відповідно знижують покази.

датчик хімічний вимірювальний

Висновки В результаті виконання курсового проекту було проаналізовано технічне завдання, проведено аналіз основних принципів, що лежать в основі вимірювання концентрації хімічних речовин, основних типів хімічних датчиків та їх конструктивних особливостей, запропоновано варіанти виконання перетворювача та розроблено конструкцію останнього.

Список використаної літератури

1. Дж. Фрайден. Современные датчики. Справочник. — М.: «Техносфера», 2005. — 589 с.

2. Г. Виглеб. Датчики — М., Мир, 1989. — 199 с.

3. DATASHEET FIGARO ENGINEERING INC. TGS 812.

4. [Інтернет ресурс]—Wikipedia.org.ua

5. [Iнтернет ресурс]—http://www.stopca.ru/articles/kak_rabotaet_j

elektrohimicheskij_sensornyj_datchik_alcogolia_i_chem_on_luchshe_poluprovodnikovogo/