ДАТЧИК ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ
SENSOR FOR DETECTING LABORATORY CONTAMINATION

Изобретение относится к технике газового анализа и может быть использовано, например, для определения содержания бензола, гексана, циклогексанона, циклогексанола в области рабочей зоны для контроля лабораторных загрязнений.
Известны термокаталитические, оксидно-полупроводниковые, полупроводниковые и электрохимические сенсоры на основе полимерных материалов, имеющие высокую чувствительность к измеряемым веществам [1]. Термокаталитические и оксидно-полупроводниковые сенсоры имеют низкую селективность и требуют дополнительной энергии для нагрева чувствительного слоя. Сенсоры амперометрического типа нуждаются в подогреве рабочего слоя обычно до 600°С и при 24 или 5-12 вольтах и токе 0.4-2 А соответственно потребляют до 1000 мВт [1, 2].
Высокая температура, необходимая для работы их анализаторов, является существенным недостатком их эксплутационных характеристик.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является датчик для измерения влажности газов, включающий пьезокварцевую пластину с полимерной пленкой на основе капрона [3]. Это датчики влажности газов, содержащие чувствительный элемент, выполненный в виде кварцевой пластины с электродами, покрытыми слоем вязкого вещества, полученного из 1-10% раствора капрона в муравьиной кислоте [3-6]. Данный сорбент используется для фиксирования наличия водяных паров в области рабочей зоны. Измеряемой величиной является отношение ΔR/φ (где φ - влажность) Ом на % относительной влажности [3-6]. Он не обладает необходимой чувствительностью к парам указанных выше легколетучих растворителей.
m
o
о
m
d
-2
-3
-4
-4
3
-4
В датчике применяются кварцевые резонаторы (КР) среза ДТ (xyl/-52) с соотношением ширины к длине l/l=0,38÷0,41 (l=1,559·10 м, l=6,18·10 м, толщина KP l=3,8·10÷6,5·10 м, плотность кварца ρ=2650 кг/м, при толщине металлизированных электродов Δh≈2·10 м). При таком срезе пьезоэлемент имеет колебания сдвига по контуру.
Целью изобретения является повышение селективной чувствительности датчика на основе кварцевого резонатора к присутствию паров органических растворителей (таблица 1) при помощи тонкого жидкокристаллического (ЖК) покрытия, находящегося в определенном фазовом состоянии, и уменьшение энергопотребления, свойственного амперометрическим датчикам.
-6
Предложенный датчик состоит из жидкокристаллического сорбента, нанесенного (из 5% раствора хлороформа) на поверхность электродов пьезоэлектрической пластинки кварцевого резонатора слоем в 30·10 м, тем самым образуя сенсорное устройство.
В качестве селективного сорбента взяты 4 полиморфных ЖК соединения: 4-н-амилфенилового эфира 4′-н-гексилокси-фенилциклогексан-2-карбоновой кислоты, (I); 4-н-амилфенилового эфира 4′-н-гептилокси-фенилциклогексан-2-карбоновой кислоты, (II); 4-н-амилфенилового эфира 4′-н-октилокси-фенилциклогексан-2-карбоновой кислоты, (III); 4-н-амилфенилового эфира 4′-н-нонилокси-фенилциклогексан-2-карбоновой кислоты, (IV); (фиг.1). Для предложенных сорбентов характерно несколько видов мезофаз при соответствующих температурах (ниже температуры кипения воды, таблица 2).
Мера диссипации колебательной энергии кварцевого резонатора (KP) с пленкой сорбента является величиной, определяющей взаимодействие ЖК пленки сорбента с парами органических растворителей, и зависит от их концентрации в области рабочей зоны.
Датчик включается на резонансной частоте в цепь автогенератора, в котором с помощью пьезоэлектрического эффекта мера диссипации колебательной энергии системы KP - сорбент преобразуется в изменение электрического сигнала переменного тока, удобного как для усиления узкополосным резонансным усилителем, так и для последующего измерения. Наличие паров органических растворителей в области рабочей зоны определяет изменение электрического сигнала переменного тока от датчика, фиксируемое по регистрирующему прибору (например, стрелочному амперметру). Пьезокварцевая пластина может иметь резонансную частоту в пределах 0,05-3 МГц. На Фиг.2 показан пример конструкции пьезоэлектрического сенсорного датчика лабораторных загрязнений.
Датчик (Фиг.2) состоит из пьезопластины 1, металлических электродов 2 и сенсорного слоя 3, подогрев ячейки 4 не более чем до 70°С.
При подведении к электродам 2 высокочастотного напряжения резонансной частоты пьезокварцевая пластина 1 возбуждается и совершает механические колебания, которые передаются сенсорному веществу.
Для электрической цепи сенсорный датчик представляет собой эквивалентное сопротивление, величина которого будет изменяться при увеличении или уменьшении внутреннего трения сенсорного вещества в результате взаимодействия ЖК-пленки сорбента с парами органических растворителей.
Использование пьезокварцевой пластины позволяет обойтись без модулирующих устройств и источников стабилизированного постоянного напряжения, а также без сложных электрических усилителей.
0
Т
0
T
Для численного представления чувствительности датчика к различной концентрации паров растворителей используется формула (1) относительного изменения сопротивления, где R или R - значение сопротивления или потерь электрического сигнала, проходящего через колебательную систему чистого КР; R - текущее значение сопротивления или потерь электрического сигнала, проходящего через колебательную систему КР - пленка в среде с определенной концентрацией паров легколетучих соединений; ΔR - разность R-R.
В таблице 3 приведены значения концентрации паров растворителей для диаграмм на Фиг.3-6. В таблице 4 приведены значения минимальной чувствительности (на единицу потерь) датчика к определенной концентрации паров растворителей. Для различных фаз сенсорного ЖК покрытия датчика существует значение максимальной концентрации паров растворителей, при которой измерения перестают быть достоверными (табл.5).
Пример. Жидкокристаллическое соединение I (таблица 2, Фиг.1) наносят на поверхность КР (Фиг.2). В присутствии паров одного из растворителей (таблица 1) датчик имеет следующий отклик (Фиг.3 и таблица 6). При этом его чувствительность к парам исследованных растворителей указана в таблице 4. Максимальный различимый уровень концентрации приведен в таблице 4. Для соединений II-IV измерения проводятся аналогично, значения характеристик чувствительности приведены в тех же таблицах (4-6) и на Фиг.3-6. В предлагаемом нами датчике на основе КР были решены следующие технические задачи:
- датчик имеет достаточное быстродействие ~1 с;
- датчик малогабаритен ~1-2 см;
- датчик рассеивает при измерении мощность ~1 нВт;
3
- имеет чувствительность ~10 мг/м.
ЛИТЕРАТУРА
1. Каталог продукции фирмы Figaro (wwvv.figarosensor.com).
2. Савченко В.Е. Устройство для измерения влажности газов, а.с. 131926. Бюл. 1960. №18.
3. Савченко В.Е. Устройство для измерения относительной влажности газов А.c. 168501. Бюл. 1965. №4.
4. Савченко В.Е. Грибова Л.К. Способ изготовления пьезокварцевого датчика влажности газов, патент №2035731. Бюл. 1995. №14.
5. Савченко В.Е. Датчик влажности газов, а.с. 230464. Бюл. 1968. №34.
6. Виглеб Г. Датчики. Устройство и применение. М.: 1989. С.196.
Таблица 1Таблица названий легко летучих соединений
№
Название аналита
Р насыщенных паров, мм рт.ст.
1a
Циклогексанол
1,2
2а
Циклогексанон
4,4
3а
Гексан
120
4а
Бензол
78,4
Таблица 2Температуры фазовых переходов соединений IV-VII
№
Cr
Т<sub>фп</sub>
S<sub>m</sub>
Т<sub>фп</sub>
N
Т<sub>фп</sub>
I
I
•
39.3°С
•
54.2°С
•
66.1°с
•
II
•
34.8°С
•
61.8°С
•
64.7°С
•
III
•
43.9°С
•
63.3°С
•
65.3°С
•
IV
•
55.1°С
•
-
-
66.1°С
•
Таблица 3Таблица содержания паров летучих соединений в исследуемой области
Название аналита
Концентрация кг/м<sup>3</sup>
Расчетная масса паров в ячейке кг
Р насыщенных паров, мм рт. ст.
Циклогексанон
2,47·10<sup>-5</sup>
1,37·10<sup>-8</sup>
4,4
Гексан
1,61·10<sup>-2</sup>
8,94·10<sup>-6</sup>
120
Бензол
6,25·10<sup>-3</sup>
3,46·10<sup>-6</sup>
78,4
Циклогексанол
1,78·10<sup>-6</sup>
1·10<sup>-9</sup>
1,2
Таблица 4Максимальная концентрация (кг/м<sup>3</sup>) работы датчика с пленкой ЖК в различных фазах
соединения
I
II
III
IV
растворители
Sm
N
I
Sm
N
I
Sm
N
I
Sm
I
Циклогек-нол
4·10<sup>-5</sup>
5,6·10<sup>-5</sup>
5·10<sup>-5</sup>
8,5·10<sup>-5</sup>
4,·10<sup>-5</sup>
4,4·10<sup>-5</sup>
0,0003
4,6·10<sup>-5</sup>
5,4·10<sup>-5</sup>
0,00025
0,00036
Циклогек-нон
0,028
0,036
0,03
0,085
0,027
0,029
0,094
0,024
0,026
0,052
0,033
гексан
0,026
0,012
0,01
0,019
0,011
0,012
0,034
0,01
0,009
0,016
0,011
бензол
1·10<sup>-5</sup>
3,5·10<sup>-6</sup>
3·10<sup>-6</sup>
6·10<sup>-6</sup>
3·10<sup>-6</sup>
3·10<sup>-6</sup>
1,5·10<sup>-5</sup>
3·10<sup>-6</sup>
3·10<sup>-6</sup>
4·10<sup>-6</sup>
3·10<sup>-6</sup>
Таблица 5Минимальная чувствительность датчика к концентрации, кг/м<sup>3</sup>
соединения
I
II
III
IV
растворители
Sm
N
I
Sm
N
I
Sm
N
I
Sm
I
Циклогек-нол
6,5·10<sup>-5</sup>
9·10<sup>-9</sup>
8,3·10<sup>-9</sup>
1,5·10<sup>-8</sup>
7·10<sup>-9</sup>
7,4·10<sup>-9</sup>
4,7·10<sup>-8</sup>
7,7·10<sup>-9</sup>
9·10<sup>-9</sup>
4,2·10<sup>-8</sup>
6·10<sup>-8</sup>
Циклогек-нон
4,6·10<sup>-6</sup>
6·10<sup>-6</sup>
4,9·10<sup>-6</sup>
1,4·10<sup>-5</sup>
4,5·10<sup>-6</sup>
4,8·10<sup>-6</sup>
1,6·10<sup>-5</sup>
4·10<sup>-6</sup>
4,6·10<sup>-6</sup>
8,7·10<sup>-6</sup>
5,5·10<sup>-6</sup>
гексан
4,4·10<sup>-6</sup>
2·10<sup>-6</sup>
1,7·10<sup>-6</sup>
3·10<sup>-6</sup>
1,9·10<sup>-6</sup>
1,9·10<sup>-6</sup>
5,8·10<sup>-6</sup>
1,7·10<sup>-6</sup>
1,5·10<sup>-6</sup>
2,7·10<sup>-6</sup>
1,8·10<sup>-6</sup>
бензол
1,7·10<sup>-9</sup>
6·10<sup>-10</sup>
5·10<sup>-10</sup>
1·10<sup>-9</sup>
5·10<sup>-10</sup>
5·10<sup>-10</sup>
2,5·10<sup>-9</sup>
4,7·10<sup>-10</sup>
5,4·10<sup>-10</sup>
6·10<sup>-10</sup>
5·10<sup>-10</sup>
Таблица 6Относительное изменение энергетических потерь (ΔR/R), возникающее присутствием паров различных соединений
Sm
N
I
Sm
N
I
Sm
N
I
Sm
I
I
8,34
6,43
6,97
II
4,05
6,10
7,17
III
3,79
7,87
8,03
IV
3,88
3,07
1а+II
7,83
6,53
7,50
1а+II
4,68
7,52
7,15
1a+III
2,82
6,91
6,18
1a+IV
2,72
2,51
2а+II
4,38
7,17
8,17
2а+II
4,09
8,53
8,09
2а+III
3,69
8,61
8,11
2a+/V
4,26
5,62
3а+II
3,73
7,17
8,00
3а+II
5,08
7,23
6,97
3а+III
3,83
8,32
9,00
За+IV
4,81
6,21