УСТРОЙСТВО ДЛЯ АНАЛИЗА СОДЕРЖАНИЯ МОНООКСИДА УГЛЕРОДА В ВОЗДУХЕ

Область техники
Полезная модель относится к устройствам для анализа содержания токсичных и взрывоопасных газов в атмосфере воздуха населенных пунктов и промышленных предприятий.
Предшествующий уровень техники
Известно устройство для анализа содержания СО (Международный патент WO 200505953630.06.2005 М.кл. G01N 27/407, G01N 27/49, G01N 33/00), содержащее полимерный протонный электролит и каталитически активный чувствительный слой. Данное устройство обладает низкой селективностью по отношению к водороду. Калибровочная характеристика сенсора зависит от температуры и влажности, поэтому необходимо дополнительное устройство для преобразования сигнала сенсора.
Известно устройство для анализа содержания СО (Патент РФ №1749816, Твердоэлектролитный датчик окиси углерода, приоритет от 29.12.1989 г., действует с 21.07.1993 г), содержащее твердый фторпроводящий электролит и чувствительный слой на основе оксифторида никеля и платины. В области малых концентраций СО (менее 0,01 об.%) сенсор обладает низким быстродействием (600 секунд). Чувствительность сенсора и начальная ЭДС зависят от температуры и влажности воздуха, поэтому необходимо дополнительное устройство для преобразования сигнала сенсора и компенсации влияния температуры и влажности.
Из известных устройств для анализа содержания СО наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является устройство, описанное в Международном патенте
WO 0244702 06.06.2002 (M.кл. G01N 25/30, G01N 33/00, G01N 25/20).Устройство содержит термокаталитичекий чувствительный элемент и сенсор температуры, которые соединены с входами микроконтроллера. К недостаткам этого устройства следует отнести низкую селективность к водороду, высокое энергопотребление, необходимое для подогрева чувствительного элемента и отсутствие компенсации зависимости сигнала сенсора от относительной влажности воздуха.
Сущность полезной модели
Задачей полезной модели является создание селективного устройства для анализа монооксида углерода в воздухе и уменьшение влияния влажности и температуры на измеряемую величину с целью повышение достоверности и точности анализа монооксида углерода в воздухе.
Указанный технический результат достигается тем, что индикаторный электрод чувствительного элемента (газового сенсора) состоит из твердого электролита и каталитически активного наноматериала со средним размером частиц 3-20 нм, что позволяет повысить селективность газового сенсора СО. Применение дополнительного преобразователя для измерения тока сенсора СО и проводимости сенсора с одновременным измерением температуры сенсора, а также использование цифровой обработки
аналоговых сигналов программным путем с помощью микроконтроллера позволяет уменьшить влияние температуры и влажности, а значит повысить достоверность, надежность и точность анализа монооксида углерода в воздушной среде. Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле полезной модели, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию "новизна".
Сущность изобретения поясняется примером практической реализации способа и описанием устройства.
Перечень фигур чертежей
На фиг.1 представлен сенсор СО в сборке
На фиг.2 представлена блок схема устройства в целом
На фиг.3 представлен один из возможных вариантов выполнения принципиальной схемы заявленного устройства в целом
Описание принципа работы сенсора СО
На основе твердых электролитов могут быть созданы газовые сенсоры СО потенциометрического и амперометрического типа. В сенсорах СО потенциометрического типа ЭДС сенсора является функцией концентрации СО в газовой фазе. В сенсорах СО амперометрического типа ток сенсора является функцией концентрации СО в газовой фазе (например, в воздухе). Двухэлектродный сенсор СО амперометрического типа представляет собой электрохимическую ячейку следующего вида:
где ЭС - электрод сравнения, электрод не чувствителен к СО, ТЭЛ - твердый протонный или фторпроводящий электролит, ИЭ - индикаторный электрод (электрод чувствителен к СО). Слой ИЭ - представляет собой смесь частиц твердого электролита и нанокатализатора, содержащего металл платиновой группы, ЭС - состоит из твердого электролита и оксида или оксифторида металла, ТЭЛ - прессованная или спеченная из порошка частиц материала твердого электролита таблетка. В воздушной среде, содержащей пары воды и примесь СО в ИЭ, протекают следующие электрохимические реакции:
Суммарная электрохимическая реакция в ИЭ с твердым фторпроводящим электролитом:
Реакция (2) проходит на границах раздела частиц твердого электролита и катализатора в ИЭ, а реакция (3) может проходить в объеме частиц ТЭЛ.
При использовании твердого протонного электролита на ИЭ идет следующая электрохимическая реакция (чистый воздух):
Air
S
В этом случае между ИЭ и ЭС протекает начальный ток I. При введении примесей СО в воздух на индикаторном электроде происходит электрохимическая реакция (2). На ЭС происходят реакции восстановления протонов при использовании протонного проводника или ионов фтора в случае твердого фторпроводящего электролита. При этом между ЭС и ИЭ протекает ток I.
S
Зависимость между концентрацией СО в воздухе С(со) и током I сенсора описывается следующим уравнением (при заданной температуре и влажности воздуха):
CO
Air
где S - чувствительность сенсора СО, I -приращение тока сенсора, I - начальный ток сенсора, С(со) - концентрация СО в воздухе.
s
Чувствительность сенсора СО и начальный ток сенсора являются функциями температуры Т и проводимости сенсора σ:
Характеристики газового сенсора будут определяться свойствами материалов индикаторного электрода, а в сущности каталитическими свойствами гетеропереходов на границе частиц нанокатализатора и твердого
электролита. Индикаторный электрод газового сенсора монооксида углерода (СО) должен обеспечивать селективное выделение СО из газовой среды, быстрое время установления равновесного значения электрохимической реакции окисления СО, стабильность каталитических свойств во времени.
Селективность и стабильность каталитических свойств сенсора СО в данном устройстве обеспечивается составом индикаторного электрода. В индикаторном электроде сенсора СО использованы каталитически активные наноалмазы в смеси с твердым электролитом и стеклоуглеродом. Применение дополнительного преобразователя для измерения тока сенсора СО и проводимости сенсора с одновременным измерением температуры сенсора, а также использование цифровой обработки аналоговых сигналов программным путем с помощью микроконтроллера позволяет уменьшить влияние температуры и влажности, а значит повысить достоверность, надежность и точность анализа монооксида углерода в воздушной среде.
На Фиг.1 показан сенсор СО в сборке. Сенсор состоит из металлического корпуса - 1, в который впрессована втулка - 2 из изолирующего полимерного материала (например, полиметилметакрилата - органического стекла). Во втулке из полимерного материала прессуют слой твердого электролита - 3. На одну из торцевых сторон слоя электролита прессуют ИЭ-4, а на противоположную сторону ЭС - 5. ИЭ контактирует с газопроницаемым электродом -6, состоящим из частиц стеклоуглерода с размером частиц 100-150 мкм. Диск - 7, из нержавеющей стали с отверстиями, контактирует с пористым электродом и корпусом сенсора. К внутренней стороне диска приварена (прижата) сетка, из нержавеющей стали, с размером ячейки 60×60 мкм. ТЭЛ и ЭС сенсора изолированы от металлического корпуса втулкой из изолирующего материала и пластиной - 8 из изолирующего материала (например, стеклотекстолита). Токоотводом от электрода сравнения служит медная проволока - 9, которая помещена во втулку - 10 из фторпласта - 4. Крепление сенсора обеспечивается гайкой - 11, соединенной с корпусом сенсора резьбовым соединением. Между медной проволокой и ЭС
расположен дополнительный проводящий слой-12, состоящий из смеси стеклоуглерода и форпласта-4, что позволяет избежать электрохимической реакции (коррозии) между ЭС и медным электродом. Для обеспечения надежного контакта между корпусом сенсора и ИЭ предназначена гайка-13, которая соединена с корпусом резьбовым соединением. Гайку-13 закручивают при давлении на диск-7 в специальном устройстве для сборки.
Пример 1. В трубку из органического стекла (внутренний диаметр-4 мм) вставляют диск из стеклотекстолита с центральным выводом (медная проволока диаметром 0.8 мм) запрессовывают электрод сравнения толщиной 0.5 мм, затем напрессовывают твердый электролит толщиной 1 мм и на поверхность твердого электролита прессуют индикаторный электрод массой 3 мг, состоящем из твердого электролита - 70 масс.%, нанокатализатора - 20 масс.% и стеклоуглерода - 10 масс.%.. На индикаторный электрод насыпают порошок стеклоуглерода до верхнего края втулки из оргстекла и закрывают его сеткой и диском из нержавеющей стали. Корпус является одним из выводов сенсора, медная проволока, изолированная от корпуса вторым выводом сенсора.
Получены следующие характеристики сенсора СО (25 С):
Диапазон измерения СО
0-100 ррm*
Разрешающая способность
1 ppm
Чувствительность S(CO)
0,5 нА/ppm
Время отклика t<sub>0,9</sub>
50 секунд
Селективность S(CO)/S(H2)
20
-1
* lppm = 1 млн (одна миллионная доля)
Описание устройства в целом
S
S
1
2
На Фиг.2 показана блок схема устройства. Сенсор СО - S соединен с входом устройства преобразования - П тока сенсора - I и проводимости сенсора на переменном токе σ в напряжения (U и U), которые подают на входы многоканального аналого-цифрового преобразователя
3
микроконтроллера - MCL. Ha третий вход подают напряжение U с сенсора температуры - Т.
1
2
Ток сенсора СО поступает на преобразователь - П и преобразуется в напряжение постоянного тока U и одновременно с этим преобразователь П преобразует проводимость сенсора в напряжение постоянного тока U.
3
Сигнал с сенсора температуры преобразуется в постоянное напряжение U.
Современные микроконтроллеры могут содержать встроенный сенсор температуры, поэтому необходимость в отдельном сенсоре температуры может отпадать. Цифровая часть содержит микроконтроллер, включающий аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, встроенный микропроцессор и флэш-память. Цифровая часть схемы проводит обработку и преобразование сигнала сенсора в унифицированный цифровой и/или аналоговый сигнал. На Фиг.3 показан один из вариантов реализации устройства. Схема преобразователя состоит из операционных усилителей DA 1-4, генератора прямоугольных импульсов -G, полевого транзистора VT.
MCL - микроконтроллер. Амплитуда сигнала на R3 равна ±10 мВ, а частота 20 кГц. Сенсор СО- S, Т - сенсор температуры.
Пример 2. Была собрана схема (Фиг.3) в которой использовали твердоэлектролитный сенсор СО (Пример 1).
Получены следующие технические характеристики устройства в целом:
Диапазон измерения СО
0-100 ррm
Разрешающая способность
1 ppm
Диапазон температур
-10 - +50 С
Относительная влажность
15-95%
Унифицированный аналоговый выход
10 mV/ppm (1 V - 100 ppm)
Относительна ошибка измерения
В диапазоне 0-10 ppm
20% С<sub>ном</sub>
В диапазоне 10-100 ppm
0,2 С<sub>изм.</sub>