Полупроводниковый преобразователь концентрации газов и паров
SEMICONDUCTOR GAS AND VAPOR CONCENTRATION TRANSMITTER

Изобретение 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 ПП-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 электропроводимости 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 данного изобретения является создание полупроводникового преобразователя концентрации, обладающего большей чувствительностью, чем преобразователи, принятый 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 изобретению размещен в проточной камере с входным и выходным штуцерами и дополнительно содержит последовательно включенные цилиндрический коллектор ионов, электрометрический усилитель и источник постоянного напряжения, который подключен положительным полюсом к одному из стерженьков, при этом нить накала с полупроводниковой керамической оболочкой размещена в центре внутренней полости цилиндрического коллектора ионов на оси симметрии, а сам цилиндрический коллектор укреплен во фторопластовом изоляторе, вмонтированном в одну из стенок проточной камеры.
Такая конструкция преобразователя позволяет использовать дополнительный канал получения измерительной информации, а именно измерение ионного тока, возникающего между полупроводниковой керамикой и цилиндрическим коллектором при подаче между ними напряжения в процессе поступления в камеру таких газов, как метан или пропан, паров бензина и др. Появление ионного тока между полупроводниковой керамикой и коллектором, по-видимому, вызвано каталектическим сгоранием горючих веществ на поверхности полупроводниковой керамики при температуре 400-450°С, до которой нагрета эта керамика. При этом ионный ток между полупроводниковой керамикой и коллектором измеряется электрометрическим усилителем, выходной сигнал которого подается на потенциометр или компьютер.
По сравнению с прототипом заявляемая конструкция имеет отличительную особенность в совокупности элементов и их взаимном расположении
Схема полупроводникового преобразователя газов и паров показана на фиг. 1
Полупроводниковый преобразователь концентрации газов и паров, содержит платиновую нить накал 1, заключенную в полупроводниковую керамическую оболочку 2 и укрепленную между двумя металлическими стерженьками 3, 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 последовательно включенные цилиндрический коллектор ионов 10,электрометрический усилитель 11 и источник постоянного напряжения 12, который подключен положительным полюсом к одному из стерженьков, при этом нить накала 1 с полупроводниковой керамической оболочкой 2 размещена в центре внутренней полости 13 цилиндрического коллектора ионов на оси симметрии 14, а сам цилиндрический коллектор укреплен во фторопластовом изоляторе 15, вмонтированном в одну из стенок проточной камеры.
Работа полупроводникового преобразователя концентрации газов и паров происходит следующим образом.
Платиновая нить накала 1 нагревает полупроводниковую керамику 2 до температуры 400-450°С током, поступающим к ней отстабилизируемого источника электропитания 5. При этом ионный ток между полупроводниковой керамикой 2 и цилиндрическим коллектором 10 близок к нулю. Когда в потоке анализируемого воздуха появляется горючий газ, например, метан или пропан происходит его частичное каталитическое сгорание на поверхности полупроводниковой керамики, что сопровождается появлением положительных ионов. Под действием электрического поля источника постоянного напряжения 12 ионы движутся к коллектору 10 и разряжаются на нем. При этом через внешнюю цепь и вход электрометрического усилителя 11 протекает ток.
Экспериментальноустановлено что увеличение концентрации горючего вещества в воздухе вызывает увеличение ионного тока между полупроводниковой керамикой и коллектором ионов. Этот ток также увеличивается с увеличением температуры нагрева полупроводниковой керамики. Установлено также, что описанный полупроводниковый преобразователь имеет чувствительность на порядок большую, чем преобразователь, принятый за прототип.
Преимуществами полупроводникового преобразователя являются:
- простота конструкции;
- стабильное значение начального уровня сигнала.
Полупроводниковый преобразователь концентрации газов может быть реализован на базе выпускаемых промышленностью преобразователи ПП-1 и стандартной электроизмерительной аппаратуры.
Полупроводниковый преобразователь может найти применение в системах контроля концентрации взрывоопасных веществ в воздухе, а также в газовой хроматографии.