Полупроводниковый преобразователь концентрации газов

Полезная модель относится к аналитической технике, а именно к средствам обнаружения отдельных компонентов газовых смесей и измерения их концентрации.
Известен полупроводниковый преобразователь концентрации газов (Фарзане Н.Г., Илясов Л.В., Азим-Заде А.Ю. Автоматические детекторы газов и жидкостей. М.: Энергоатомиздат, 1983, стр. 32-34), содержащий тонкую пленку из полупроводникового материала, нанесенную на боросиликатную подложку, размещенную в проточной камере, и через платиновые контакты, включенную последовательно в цепь стабилизированного источника питания, и делитель напряжения, к которому подключен вольтметр. Рабочая температура преобразователя составляет 420°С. При протекании через проточную камеру анализируемого газа последний сорбируется на пленке и изменяет ее электрическое сопротивления, что вызывает изменение падения напряжения на делителе, которое измеряется вольтметром и служит мерой концентрации анализируемого газа.
Недостатком такого полупроводникового преобразователя концентрации газов является его значительная инерционность (постоянная времени его может составлять несколько секунд).
Наиболее близким по технической сущности является полупроводниковый преобразователь концентрации газов (Паспорт на преобразователь 1111-1. Научно-производственное республиканское унитарное предприятия «Белгазтехника», 8 с.), содержащий платиновую нить накала, заключенную в полупроводниковую керамическую оболочку и укрепленную между двумя металлическими стерженьками для подключения к стабилизированному источнику электропитания, размещенными на диэлектрическом основании.
Принцип действия такого полупроводникового преобразователя концентрации газов основан на увеличении проводимости полупроводниковой керамики, находящийся при температуре 400-450°С, в присутствии восстанавливающих газов, таких как метан или пропан.
Недостатком такого полупроводникового преобразователя концентрации газов является относительно низкая чувствительность.
Проблемой данной полезной модели является создание полупроводникового преобразователя концентрации, обладающей большей чувствительностью, чем преобразователи, принятые за прототип.
Технический результат - увеличение чувствительности измерения концентрации полупроводниковым преобразователем.
Технический результат достигается тем, что полупроводниковый преобразователь концентрации газов, содержащий платиновую нить накала, заключенную в полупроводниковую керамическую оболочку и укрепленную между двумя металлическими стерженьками для подключения к стабилизированному источнику электропитания, размещенными на диэлектрическом основании, согласно полезной модели размещен в проточной камере с входным и выходным штуцерами и дополнительно содержит встроенный в стенку проточной камеры инфракрасный фотодиод с элементом, чувствительным к электромагнитному излучению, с возможностью обеспечения оптического контакта между полупроводниковой керамической оболочкой и элементом инфракрасного фотодиода, выполненного с возможностью последовательного подключения к корректору начального уровня сигнала в выходной цепи инфракрасного фотодиода.
Такая конструкция полупроводникового преобразователя концентрации газов позволяет использовать дополнительный канал получения измерительной информации, а именно измерение изменений инфракрасного излучения полупроводниковой керамики, возникающее при ее взаимодействии с такими горючими газами, как метан, пропан, бутан и другие. Изменение инфракрасного излучения, по-видимому связано с частичным сгоранием названных газов на поверхности полупроводниковой керамики. Для измерения интенсивности инфракрасного излучения в предлагаемом полупроводниковом преобразователе, используется инфракрасный фотодиод, находящийся в оптическом контакте с поверхностью полупроводниковой керамики.
По сравнению с прототипом заявляемая конструкция имеет отличительную особенность в совокупности элементов и их взаимном расположении.
Схема полупроводникового преобразователя концентрации газов, показана на фиг. 1.
Полупроводниковый преобразователь концентрации газов содержит платиновую нить накала 1, заключенную в полупроводниковую керамическую оболочку 2 и укрепленную между двумя металлическими стерженьками 3 и 4 для подключения к стабилизированному источнику электропитания 5, размещенными на диэлектрическом основании 6. Преобразователь размещен в проточной камере 7 с входным 8 и выходным 9 штуцерами и дополнительно содержит, встроенный в стенку 10 проточной камеры инфракрасный фотодиод 11 с элементом 12, чувствительным к электромагнитному излучению, с возможностью обеспечения оптического контакта между полупроводниковой керамической оболочкой и элементом инфракрасного фотодиода, выполненного с возможностью последовательного подключения к корректору начального уровня сигнала 13 в выходной цепи инфракрасного фотодиода.
Работа полупроводникового преобразователя концентрации газов происходит следующим образом. Платиновая нить накала 1 нагревает полупроводниковую керамику до температуры 400-450°С электрическим током, поступающим от стабилизированного источника электропитания 5.
Инфракрасное излучение от полупроводниковой керамики воспринимается чувствительным элементом 12 фотодиода 11. При этом в выходной цепи этого фотодиода возникает начальный сигнал напряжения, который с помощью корректора начального уровня сигнала 13 доводится до нулевого значения. Поток анализируемого газа, например воздуха, содержащего метан, водород или пропан, с постоянным объемным расходом протекает через входной штуцер 8 и проточную камеру 7. При взаимодействии одного из названных газов с поверхности полупроводниковой керамики увеличивается интенсивность ее инфракрасного излучения, что вызывает изменение (увеличение) напряжения выходной цепи инфракрасного фотодиода, а это изменение является сигналом полупроводникового преобразователя концентрации газов. Оно измеряется вольтметром.
Путем экспериментальной проверки полупроводникового преобразователя концентрации газов, выполненного с использованием 1111-1 и фотодиода ФД265А, установлено, что он обладает на порядок большей чувствительностью, чем преобразователи, принятые за прототип.
Преимуществами полупроводникового преобразователя является
простота конструкции;
генераторный выходной сигнал.
Полупроводниковый преобразователь концентрации газов может быть реализован на базе выпускаемых промышленностью преобразователи 1111-1, инфракрасного фотодиода и стандартной электроизмерительной аппаратуры.
Полупроводниковый преобразователь может найти применение в системах контроля концентрации взрывоопасных веществ в воздухе, а также в газовой хроматографии.