УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ, ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ГАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НАНОРАЗМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Предполагаемая полезная модель относится к области химии и физике поверхности твердого тела и может быть использована для определения электрофизических и физико-химических свойств газочувствительного материала с помощью измерения электрических параметров его эквивалентной электрической схемы.
Известно устройство для измерения изменяющихся параметров пассивного двухполюсника (патент РФ №2307365, МПК G01N 27/02 от 20.04.2007 г.), содержащее генератор высокочастотного гармонического электрического сигнала, выход генератора подключен к первому входу дифференциального усилителя и к первому вентилю, выход которого подключен ко второму входу дифференциального усилителя, а также через фильтр и кабельную линию - к исследуемому двухполюстнику, и регистратор электрического сигнала, выход генератора подключен к первому входу дифференциального усилителя через второй вентиль, к выходу которого подключен также эталонный резистор, к выходу генератора также подключены входы третьего и четвертого вентилей, причем их выходы через фазовращатели соединены с первыми входами двух смесителей, вторые входы которых соединены с выходом дифференциального усилителя, при этом сдвиг фаз между фазовращателями составляет 90°, а выходы смесителей подключены к регистратору электрического сигнала, который выполнен двухканальным.
Признаки аналога, совпадающие с существенными признаками полезной модели:
а) дифференциальный усилитель, (в заявленной полезной модели используются два дифференциальных усилителя);
Причиной, препятствующей достижению технического результата, является: погрешность выходного сигнала двух канального регистратора электрического сигнала и фазовращателей, соединенных со смесителями, так как отклик, снимаемый с исследуемого образца имеет небольшие значения тока (напряжения) в пределах от 1 до 10 мкА, что сопоставимо с уровнем внешних воздействий (шумов), а аналоговые элементы очень чувствительны к таким воздействиям, следовательно затрудняется определение электрофизических и физико-химических свойств материала.
Известен способ анализа состава газовых смесей и газоанализатор для его реализации (патент РФ №2171468, МПК G01N 27/12, G01N 27/416 от 10.04.2000 г). Электронная схема газоанализатора, содержащая генератор переменного тока, первый, второй и третий разделительные конденсаторы, блок преобразования сигналов сравнительного элемента, N блоков преобразования сигналов амперометрических электрохимических элементов, М блоков преобразования сигналов потенциометрических электрохимических элементов, коммутатор аналоговых сигналов, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор и дисплей, причем в состав блока преобразования сигналов сравнительного элемента входят первый и второй разделительные конденсаторы, масштабирующий усилитель, дифференциальный усилитель, переменный резистор, синхронный детектор, регулятор температуры, фильтр нижних частот и усилитель постоянного напряжения, в состав каждого из N блоков преобразования сигналов амперометрических электрохимических элементов входят разделительный конденсатор, масштабирующий усилитель, дифференциальный усилитель, синхронный детектор, фильтр нижних частот, преобразователь ток-напряжение, источник постоянного напряжения, в состав каждого из М блоков преобразования сигналов потенциометрических электрохимических элементов входят разделительный конденсатор, масштабирующий усилитель, дифференциальный усилитель, синхронный детектор, фильтр нижних частот, усилитель постоянного напряжения, причем выход генератора переменного тока связан через разделительные конденсаторы с первым, вторым, третьим и четвертым контактами электронной схемы, соединенными соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым контактами многофункционального твердоэлектролитного сенсора, пятый и шестой контакты электронной схемы соединены с пятым и шестым контактами сенсора для подачи напряжения на нагревательный элемент сенсора; в блоке преобразования сигналов сравнительного элемента переменный резистор одновременно соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя, с синхронизирующим входом синхронного детектора и через разделительный конденсатор - с генератором переменного тока, неинвертирующий вход дифференциального усилителя соединен с выходом масштабирующего усилителя, а выход дифференциального усилителя соединен с входом синхронного детектора, выход которого соединен с входом регулятора температуры, выходы которого соединены с пятым и шестым контактами электронной схемы, вход масштабирующего усилителя соединен через разделительный конденсатор со вторым входным контактом электронной схемы преобразователя, выход масштабирующего усилителя соединен с синхронизирующими входами синхронных детекторов и с инвертирующими входами дифференциальных усилителей N блоков преобразования сигналов амперометрических элементов и М блоков преобразования сигналов потенциометрических элементов, вход фильтра нижних частот подключен к первому контакту электронной схемы, а выход фильтра нижних частот соединен с входом усилителя постоянного напряжения, выход которого соединен с первым входом коммутатора аналоговых сигналов, в блоке преобразования сигналов амперометрических электрохимических элементов третий контакт электронной схемы соединен через разделительный конденсатор с входом масштабирующего усилителя и одновременно непосредственно соединен с входом фильтра нижних частот, выход масштабирующего усилителя соединен с неинвертирующим входом дифференциального усилителя, выход которого соединен с входом синхронного детектора, выход которого соединен со вторым входом коммутатора аналоговых сигналов, выход фильтра нижних частот соединен с входом преобразователя ток-напряжение, выход которого соединен с третьим входом коммутатора аналоговых сигналов, кроме того, другой вход преобразователя ток-напряжение соединен с источником постоянного напряжения; в блоке преобразования сигналов потенциометрического элемента входной четвертый контакт электронной схемы соединен через разделительный конденсатор с входом масштабирующего усилителя и одновременно непосредственно соединен с входом фильтра нижних частот, выход масштабирующего усилителя соединен с неинвертирующим входом дифференциального усилителя, выход которого соединен с входом синхронного детектора, выход которого соединен с четвертым входом коммутатора аналоговых сигналов, выход фильтра нижних частот соединен с входом усилителя постоянного напряжения, выход которого соединен с пятым входом коммутатора аналоговых сигналов; выход коммутатора аналоговых сигналов соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом микропроцессора, информационный выход микропроцессора подключен к дисплею, а тактовый выход соединен с синхронизирующим входом коммутатора аналоговых сигналов.
Признаки аналога, совпадающие с существенными признаками полезной модели:
а) аналого-цифровой преобразователь, (в заявленной полезной модели используются два аналого-цифровых преобразователя);
б) дифференциальный усилитель, (в заявленной полезной модели используется два дифференциальных усилителя);
в) преобразователь ток-напряжение;
Причиной, препятствующей достижению технического результата, является: использование микропроцессора который не является самостоятельной работоспособной единицей, ему необходимы дополнительные внешние переферийные устройства такие как: ОЗУ, ПЗУ, таймеры, счетчики, интерфейсы; при установке таких устройств увеличиваются связи, увеличивается время прохождения сигнала, появляется вероятность сбоя устройства, увеличиваются погрешности сигналов, по которым определяются электрофизические и физико-химические свойства материала.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству, является устройство измерения параметров электрохимических объектов (патент РФ №2204839, МПК G01R 27/02 от 20.05.2003 г), содержащее электрохимическую измерительную ячейку с вспомогательным, рабочим и сравнения электродами, источники программно-изменяющегося и гармонического напряжений, соединенные через сумматор с первым входом дифференциального усилителя, подключенного своим потенциальным выходом к вспомогательному электроду, а вторым входом - к выходу первого повторителя напряжения, потенциальный вход которого соединен с электродом сравнения, блок фазочувствительных детекторов, содержащий первый и второй фазочувствительные детекторы, сигнальные входы которых объединены и являются сигнальным входом блока, а их выходы подключены соответственно к первому и второму отсчетным устройствами, опорный вход блока фазочувствительных детекторов соединен с опорным входом первого фазочувствительного детектора, измерительный преобразователь ток-напряжение, второй повторитель напряжения, три масштабных преобразователя, третий фазочувствительный детектор, квадратурный фазовращатель, модульный указатель, третье отсчетное устройство, формирователь уровня постоянной составляющей, делитель напряжения, два измерительных усилителя, два нуль-органа, операционный усилитель, четыре образцовых резистора и образцовый конденсатор, при этом рабочий электрод электрохимической ячейки по цепи вход измерительного преобразователя ток-напряжение и выход второго повторителя напряжения подключен к общей шине, опорный вход второго фазочувствительного детектора через квадратурный фазовращатель соединен с опорным входом первого фазочувствительного детектора, сигнальный вход блока фазочувствительных детекторов через первый измерительный усилитель соединен с выходом операционного усилителя с первым образцовым резистором в цени его обратной связи, вход операционного усилителя соединен через второй образцовый резистор с выходом измерительного преобразователя ток-напряжение и входами первого масштабного преобразователя и формирователя уровня постоянной составляющей, а также с сигнальным входом третьего фазочувствительного детектора, через третий образцовый резистор - с выходом формирователя уровня постоянной составляющей и входом третьего отсчетного устройства, через образцовый конденсатор - с выходом второго масштабного преобразователя, вход управления которого соединен с выходом второго нуль-органа, и через четвертый образцовый резистор - с выходом третьего масштабного преобразователя, соединенного о своим входом управления с выходом первого нуль-органа, выход источника гармонических напряжений соединен через делитель напряжения и второй измерительный усилитель с опорным входом блока фазочувствительных детекторов и непосредственно - с сигнальными входами второго и третьего масштабных преобразователей и опорным входом третьего о фазочувствительного детектора, выход которого подключен к сигнальному входу модульного указателя, соединенного своим входом управления с выходом генератора тактовых импульсов и входом управления источника гармонических напряжений, первый управляющий выход модульного указателя соединен с первым входом управления первого масштабного преобразователя, а его второй управляющий выход - со вторым входом управления первого масштабного преобразователя и с входом управления генератора тактовых импульсов. Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками устройства:
а) дифференциальный усилитель, (в заявленной полезной модели используются два дифференциальных усилителя);
в) электрохимический объект, (в заявленной полезной модели используется газочувствительный материал);
г) преобразователь ток-напряжение;
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются:
а) наличие четырех образцовых резисторов и образцовый конденсатор, так как образцовым может быть только один элемент, а также тот факт, что емкость является частотно зависимым элементом, параметры которого зависят как от внешних воздействующих факторов, так и от режимов работы измерительной цени, тем самым затрудняется определение электрофизических и физико-химических свойств материала.
б) использование внешнего источника программно изменяющегося гармонического напряжения, имеющего сложности синхронизации с работой генератора тактовых импульсов. При сбое синхронизации не ясно от какого сигнала получен отклик, а следовательно несоответствие измеренных электрофизических и физико-химических свойств материала.
Задача предполагаемой полезной модели - определение электрофизических и физико-химических свойств газочувствительного материала с помощью измерения электрических параметров его эквивалентной электрической схемы.
Технический результат достигается тем, что в устройство введены первый контроллер, второй контроллер, персональный компьютер, цифро-аналоговый преобразователь, первый аналого-цифровой преобразователь, первое электрическое реле, второе электрическое реле, третье электрическое реле, четвертое электрическое реле, второй аналого-цифровой преобразователь, усилитель мощности первый насос, первый ротаметр, второй насос, баллон с эталонной газовой смесью, первый клапан, второй ротаметр, камера формирования газовой смеси, третий насос, третий ротаметр, второй клапан, датчик температуры, нагревательный элемент, газочувствительный материал, камера для исследования характеристик газочувствительных материалов, персональный компьютер, персональный компьютер через первый контроллер, цифро-аналоговый преобазователь и первый дифференциальный усилитель соединен с газочувствительным материалом, выходные электроды газочувствительного материала подключены к преобразователю ток-напряжение, а он по каналу обратной связи соединен с первым и вторым дифференциальными усилителями и через второй дифференциальный усилитель, первый аналого-цифровой преобразователь, подключен ко второму контроллеру, соединен с персональным компьютером, выход датчика температуры соединен со входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с первым контроллером, вход нагревательного элемента соединен с выходом усилителя мощности, вход которого соединен с выходом первого контроллера, первый контроллер соединен со входом первого электрического реле, выход которого соединен с первым клапаном, первый контроллер соединен со входом второго электрического реле, выход которого соединен с первым насосом, первый контроллер соединен со входом третьего электрического реле, выход которого соединен с третьим насосом, первый контроллер соединен со входом четвертого электрического реле, выход которого соединен со вторым насосом, баллон с эталонной смесью через первый клапан и второй ротаметр соединен камерой формирования газовой смеси, в нее также подключен выход первого ротаметра, вход которого подключен с выходом первого насоса, далее, выход камеры формирования газовой смеси через третий насос и третий ротаметр соединен с одним из входов второго клапана, в другой вход подключается второй насос, а выход второго клапана подключен к камере для исследования характеристик газочувствительных материалов.
Для достижения технического результата в устройство для определения электрофизических, физико-химических свойств и газочувствительных характеристик наноразмерных материалов, содержащее газочувствительный материал, первый дифференциальный усилитель, второй дифференциальный усилитель, преобразователь ток-напряжение, введены первый контроллер, второй контроллер, персональный компьютер, цифро-аналоговый преобразователь, первый аналого-цифровой преобразователь, первое электрическое реле, второе электрическое реле, третье электрическое реле, четвертое электрическое реле, второй аналого-цифровой преобразователь, усилитель мощности первый насос, первый ротаметр, второй насос, баллон с эталонной газовой смесью, первый клапан, второй ротаметр, камера формирования газовой смеси, третий насос, третий ротаметр, второй клапан, датчик температуры, нагревательный элемент, газочувствительный материал, камера для исследования характеристик газочувствительных материалов, персональный компьютер, который по каналу USB через первый контроллер, цифро-аналоговый преобазователь и первый дифференциальный усилитель соединен с газочувствительным материалом, выходные электроды газочувствительного материала подключены к преобразователю ток напряжение, а он по каналу обратной связи соединен с первым и вторым дифференциальными усилителями и через второй дифференциальный усилитель, первый аналого-цифровой преобразователь, подключен ко второму контроллеру, который по каналу USB соединен с персональным компьютером, выход датчика температуры соединен со входом аналоге цифрового преобразователя, выход которого соединен с первым контроллером, вход нагревательного элемента соединен с выходом усилителя мощности, вход которого соединен с выходом первого контроллера, первый контроллер соединен со входом первого электрического реле, выход которого соединен с первым клапаном, первый контроллер соединен со входом второго электрического реле, выход которого соединен с первым насосом, первый контроллер соединен со входом третьего электрического реле, выход которого соединен с третьим насосом, первый контроллер соединен со входом четвертого электрического реле, выход которого соединен со вторым насосом, баллон с эталонной смесью через первый клапан и второй ротаметр соединен камерой формирования газовой смеси, в нее также подключен выход первого ротаметра, вход которого подключен с выходом первого насоса, далее, выход камеры формирования газовой смеси через третий насос и третий ротаметр соединен с одним из входов второго клапана, в другой вход подключается второй насос, а выход второго клапана подключен к камере для исследования характеристик газочувствительных материалов.
Сравнивая предлагаемое устройство с прототипом, видно, что оно содержит новые признаки, т.е. соответствует критерию «новизны». Проведя сравнения с аналогами, видно, что предлагаемое устройство соответствует критерию «существенные отличия», т.к. в аналогах не обнаружены предъявляемые новые признаки.
На фиг.1 приведена структурная схема устройства для определения электрофизических, физико-химических свойств и газочувствительных характеристик наноразмерных материалов. На фиг.2 приведена эквивалентая электрическая схема образца.
На фиг.1 обозначены: 1 - персональный компьютер; 2 - первый контроллер; 3 - второй контроллер; 4 - цифро-аналоговый преобразователь 5 - первый аналого-цифровой преобразователь; 6 - первое электрическое реле; 7 - второе электрическое реле; 8 - третье электрическое реле; 9 - четвертое электрическое реле; 10 - второй аналого-цифровой преобразователь; 11 - усилитель мощности; 12 - первый дифференциальный усилитель; 13 - второй дифференциальный усилитель; 14 - первый насос; 15 - первый ротаметр; 16 - второй насос; 17 - преобразователь ток-напряжение; 18 - баллон с эталонной газовой смесью; 19 - первый клапан; 20 - второй ротаметр; 21 - камера формирования газовой смеси; 22 - третий насос; 23 - третий ротаметр; 24 - второй клапан; 25 - датчик температуры; 26 - нагревательный элемент; 27 - газочувствительный материал; 28 - камера для исследования характеристик газочувствительных материaлов.
Персональный компьютер 1 соединен с первым контроллером 2, первый контроллер 2 через первое электрическое реле 6 соединен с клапаном 19, первый контроллер 2 через второе электрическое реле 7 соединен с первым насосом 14, первый контроллер 2 через третье электрическое реле 8 соединен с третьим насосом 22, первый контроллер 2 через четвертое электрическое реле 9 соединен со вторым насосом. Выход первого контроллера 2 соединен со входом усилителя мощности 11, выход которого соединен с нагревательным элементом 26. Выход датчика температуры 25 через второй аналого-цифровой преобразователь 10 подключен ко входу первого контроллера 2. Выход первого контроллера 2 через цифро-аналоговый преобразователь 4 и первый дифференциальный усилитель 12 соединен со входом газочувствительного материала 27. Выход газочувствительного материала 27 через преобразователь ток-напряжение 17 соединен с первым дифференциальным усилителем 12 и вторым дифференциальным усилителем 13 и напрямую со вторым дифференциальным усилителем 13. Газочувствительный материал 27 через дифференциальный усилитель 13, первый аналого-цифровой преобразователь 5, второй контроллер 3 подключен к персональному компьютеру 1. Баллон с эталонной газовой смесью 18 через первый клапан 19, второй ротаметр 20, камеру формирования газовой смеси 21, третий насос 22, третий ротаметр 23, второй клапан 24, соединен с камерой для исследования характеристик газочувствительных материалов 28, выход первого насоса 14 соединен со входом первого ротаметра 15, выход которого соединен с камерой формирования газовой смеси 21, выход второго насоса 16 соединен со входом клапана 24.
Работает устройство следующим образом. Сигналы с персонального компьютера 1 и наоборот на все элементы установки проходят через первый контроллер 2 и второй контроллер 3. Управляющий сигнал с персонального компьютера 1 поступает на первое электрическое реле 6, оно замыкает контакты первого клапана 19 и эталонная газовая смесь из баллона с эталонной газовой смесью 18 проходит через второй ротаметр 20 в камеру формирования газовой смеси 21. Газовую смесь смешивают с воздухом, для этого с персонального компьютера 1 подают сигнал на второе электрическое реле 7, которое включает первый насос 14 и через первый ротаметр 15 воздух попадает в камеру формирования газовой смеси 21. Управляющий сигнал с персонального компьютера 1 поступает на третье электрическое реле 8, которое включает насос 22 и сформированная газовая смесь из камеры формирования газовой смеси 21 с помощью третьего насоса 22, перекачивают через третий ротаметр 23 и второй клапан 24 в камеру для исследования характеристик газочувствительных материалов 28. В камере для исследования характеристик газочувствительных материалов 28 располагаются газочувствительный материал 27, нагревательный элемент 26, работающий в температурном диапазоне от 20 до 210 С., нагреваемый с помощью напряжения, которое преобразуется усилителем мощности 11 из сигналов, вырабатываемых первым контроллером 2, и датчик температуры 25, позволяющий одновременно измерять температуру газочувствительного элемента 27 в камере для исследования характеристик газочувствительного материала 20. Сигналы от датчика температуры 25 поступают на вход второго аналого-цифрового преобразователя 10, где он оцифровывается. После чего оцифрованный сигнал поступает в персональный компьютер 1 через первый контроллер 2. Гармонические сигналы формируются с помощью персонального компьютера 1 и поступают на газочувствительный элемент 27 через первый контроллер 2, цифро-аналоговый преобразователь 4 и первый дифференциальный усилитель 12. Сигнал с исследуемого газочувствительного материала 27 преобразуется в напряжение с помощью преобразователя ток-напряжение 17 и усиливается посредствам второго дифференциального усилителя 13, затем подается на первый аналою цифровой преобразователь 5, второй контроллер 3 и по каналу USB на персональный компьютер 1. На персональном компьютере 1 контролируют режимы и параметры газочувствительного материала 27 по заданному алгоритму. На газочувствительный материал 27 подается возмущающий гармонический сигнал с персонального компьютера 1 и изучается вызванный им сигнал-отклик на выходе:
где ω=2·π·f - круговая частота, θ - фазовый сдвиг.
определяют модуль комплексного сопротивления Z(ω) и его фазу φ(ω) к соответствии с обобщенным законом Ома:
Z(ω)=Z·cos(ϕ)-i·sin(ϕ)=Z′-i·Z″
C
k
далее определяют реактивное сопротивление емкости Х и модуль комплексное сопротивление Z:
k
затем определяем аргумент комплексного сопротивления φ и вычислим комплексное сопротивление :
В показательном виде комплексное сопротивление газочувствительного материала 27 равно:
6
к
Для оценки параметров механизма химической реакции, были измерены величины емкости и сопротивления в диапазоне частот 0,1-10 Гц. По результатам были рассчитаны реактивные составляющие сопротивления (Хс) и импеданс (Z) no следующим расчетным формулам:
с
где Х - реактивная составляющая сопротивления; f - частота; С - емкость.
k
где Z - импеданс; R - активная составляющая комплексного сопротивления.
Передаточная функция эквивалентной схемы исследуемой газочувствительного материала 27 имеет вид:
Для определения коэффициента полинома H(jw) составляют систему расчетных уравнений. Строят амплитудно- и фазочастотную характеристики цепи. На основании расчета полного импеданса осуществляется построение эквивалентной электрической схемы образца (Фиг.2.)
Проведенные измерения позволили синтезировать схемную модель газочувствительного материала, содержащую последовательные и параллельные R, С - цепочки, где: R0 - отвечает объемному сопротивлению образца с пленкой, С0 - соответствует емкости двойного Слоя на контактах электрод-образец, цепочка R1,C1 - отвечает объемному сопротивлению и емкости отдельных зерен поликристаллической пленки, R2C2 - соответствует сопротивлению и емкости границ зерен поликристаллической пленки а также эквивалентная схема для электрода с емкостью двойного слоя Rw, Cw - диффузионный импеданс Варбурга отображает импеданс линейной полубесконечной диффузии.
После получения эквивалентной электрической схемы и определения ее параметров вход второго клапана 24 переключают на выход второго насоса 16. Сигнал с персонального компьютера 1 замыкает контакты четвертого электрического реле 9 и включается второй насос 16, который продувает камеру для исследования характеристик газочувствительных материалов 28 от газовой смеси.
Предлагаемое устройство определения электрофизических, физико-химических свойств и газочувствительных характеристик наноразмерных материалов содержит персональный компьютер, который является в том числе источником гармонического сигнала, программно изменяющеюся в заданном диапазоне частот, для исследования электрофизических свойств газочувствительного материала. Использование персонального компьютера в качестве источника гармонического сигнала повышает качество сигнала, упрощает синхронизацию с работой всего устройства.
Проведя технико-экономическое обоснование, сравнив стоимость используемых в настоящее время устройств и стоимость разрабатываемого устройства, можем сделать вывод, что затраты на разрабатываемое устройство на порядок ниже. При этом повышаются автоматизация исследования газочувствительных характеристик материала и технические характеристики устройства:
- Компактность;
- Надежность;
- Меньшее потребление электрической энергии;