Способ определения концентрации газа
METHOD OF DETERMINING GAS CONCENTRATION

Изобретение относится к анализу материалов путем определения их электрофизических свойств в зависимости от абсорбции текущей среды, в частности к измерениям концентрации газа в различных средах. Предлагаемый способ для определения концентрации газа может быть использован для контроля газа в различных средах, при производстве материалов и сплавов, в металлургии, в высокотемпературных камерах сгорания, при производстве датчиков контроля.
Известен Способ определения газочувствительных характеристик и электрофизических свойств газочувствительного элемента в частотной области [Патент RU №2 439 547, опубл. 10.01.2012, МПК G01N 27/14 (2006.01)]. Изобретение относится к области измерения электрических характеристик наноразмерных газочувствительных материалов, в частности к измерению комплексной проводимости газочувствительных материалов, и может быть использовано в производстве сенсоров газа, основанных на полупроводниковых неорганических материалах сложного состава, а также для синтеза структур пленки эквивалентной схемой. Способ согласно изобретению заключается в том, что в газочувствительном элементе измеряют активное и емкостное сопротивления в зависимости от частоты, из чего определяют модуль и аргумент комплексного сопротивления эквивалентной схемной модели газочувствительного элемента, затем определяют коэффициенты передаточной функции газочувствительного элемента и синтезируют электрическую схему модели газочувствительного элемента с определением значений сопротивлений и емкостей элементов схемной модели исследуемого газочувствительного элемента. Преимущество изобретения заключается в том, что измерения проводятся в широком интервале частот, что обеспечивает возможность выделить ту область, где измеряются величины, соответствующие объемному истинному сопротивлению образца. Наиболее близким по способу определения концентрации газа является Способ измерения содержания водорода в окружающей среде [Патент RU №2 192 633, опубл. 10.11.2002, МПК G01N 27/12 (2000.01)]. Изобретение относится к исследованиям физико-химических свойств веществ, а именно к измерению содержания водорода в естественных средах и технических объектах, и может быть использовано для контроля утечек водорода из систем охлаждения мощных электрогенераторов, систем питания двигателей внутреннего сгорания, работающих на водородном топливе, для локализации участков вероятного растрескивания магистральных газопроводов или обнаружения мест выделения водорода. Сущность: способ измерения содержания водорода в окружающей среде заключается в том, что в контролируемую среду помещают датчик с чувствительным элементом, выполненным из материала, способного захватывать и накапливать водород, а при захвате образовывать гидриды металлов, и по мере необходимости измеряют его электрическое сопротивление. Технический результат: предлагаемый способ обладает высокой надежностью, точностью и воспроизводимостью и позволяет осуществлять контроль интегральной концентрации водорода в течение определенного промежутка времени и измерять ее по мере необходимости.
g
Основным недостатком указанного способа определения концентрации газа является его низкая чувствительность. Электрическое сопротивление чувствительного элемента R=ρl/S обратно пропорционально площади его полного поперечного сечения S. Здесь: ρ - удельное сопротивление, l - длина чувствительного элемента. Но поскольку газ поглощается только весьма тонким приповерхностным слоем толщиной δ чувствительного элемента, то площадь его поперечного сечения ΔS составляет только малую часть от полного сечения S. Поэтому чувствительность способа, т.е. относительное изменение сопротивления чувствительного элемента при поглощении газа мало и пропорционально отношению площадей поперечного сечения слоя, в котором поглощен газ и полного поперечного сечения чувствительного элемента ΔS/S.
Техническая проблема заключается в недостаточной чувствительности способа определения концентрации газа.
Техническим результатом в предлагаемом способе измерения концентрации газа является обеспечение условий для повышения чувствительности определения концентрации газа.
Технический результат в способе определения концентрации газа, основанном на размещении в газовой среде датчика с чувствительным элементом и измерении его электрических характеристик при изменении содержания в нем газа, выполненного из материала, способного захватывать и накапливать газ, достигается тем, что через чувствительный элемент пропускают переменный электрический ток высокой частоты, формируют скин-слой в поверхностном слое чувствительного элемента в пределах толщины проникания газа, измеряют высокочастотный электрический импеданс чувствительного элемента и по значениям параметров импеданса судят о концентрации газа.
На фиг. 1 изображен чувствительный элемент со схематичным представлением абсорбции газа в газовой среде, где: 1 - генератор гармонических сигналов, 2 - чувствительный элемент.
g
s
На фиг. 2 приведено поперечное сечение цилиндрического чувствительного элемента и показаны приповерхностный слой с поглощенным газом и скин-слоем, где: 2 - чувствительный элемент, 3 -глубина проникания газа δ, 4 - толщина скин слоя δ.
На фиг. 3 изображена измерительная схема для определения концентрации газа по параметрам электрического импеданса, где: 1 - генератор гармонических сигналов, 2 - чувствительный элемент, 5 - вычислитель импеданса.
В примере конкретной реализации датчик с чувствительным элементом 2 (сам датчик на чертежах (фиг. 1 - фиг. 3) не показан) может быть выполнен в виде дифференциального сенсорного датчика [Патент RU №2 403 563, опубл. 10.11.2010]. В примере конкретной реализации чувствительный элемент 2 может быть выполнен в виде цилиндра, либо пластины из палладия. В примере конкретной реализации в качестве генератора гармонических сигналов 1 может быть использованы стандартные высокочастотные генераторы. Например, высокочастотные генераторы российского производства АКИП-3417, Г4-194 и др. В качестве вычислителя импеданса 5 могут быть использованы векторные анализаторы, анализаторы импеданса. Например, анализатор импеданса Е4990А фирмы Keysight. В примере конкретной реализации газовой средой, в которую размещают датчик с чувствительным элементом 2, может являться водород.
Согласно схеме, приведенной на фиг. 3, выход заземленного генератора гармонических сигналов 1 соединен с чувствительным элементом 2 и первым входом вычислителя импеданса 5, второй вход которого соединен с другим концом чувствительного элемента 2. Выходы с вычислителя импеданса отображают модуль, действительную и мнимую части импеданса чувствительного элемента, величины которых зависят от искомой концентрации газа.
Рассмотрим осуществление предлагаемого способа определения концентрации газа.
g
g
Глубина проникания (диффузии) газов в приповерхностный слой металлов весьма мала и составляет от единиц микрон до десятков микронов (мкм) [А.А. Писарев, И.В. Цветков, Е.Д. Маренков, С.С.Ярко. Проницаемость водорода через металлы: учебное пособие М.: МИФИ, 2008. - 144 с]. Поэтому в металлическом чувствительном элементе газ проникает в весьма тонкий приповерхностный слой δ датчика. Вследствие этого рабочей измерительной областью датчика является только малая часть приповерхностного сечения ΔS толщиной δ от его полного поперечного сечения S. Полное электрическое сопротивление датчика длиной l до помещения его в газ равно:
g
c
При помещении чувствительного элемента 2 в измеряемую газовую среду, вследствие проникновения (диффузии) газа в поверхностный слой, изменяется удельное сопротивление металла ρ, из которого изготовлен чувствительный элемент. Пусть удельное сопротивление приповерхностного слоя с адсорбированным газом равно ρ. Тогда электрическое сопротивление R приповерхностного слоя сечением ΔS, в котором сосредоточен поглощенный газ, соответственно равно
При этом относительное изменение к сопротивления датчика, характеризующее чувствительность датчика определится как:
Из формулы (3) следует, что чем меньше площадь поперечного сечения ΔS датчика с поглощенным газом, тем меньше чувствительность датчика. Максимальная чувствительность имеет место при полном поглощении газа чувствительным элементом 2 по всему поперечному сечению S, то есть когда ΔS=S. Практически этого невозможно добиться, поскольку металлы очень слабо поглощают газ, а концентрация газа экспоненциально уменьшается с глубиной.
s
s
Решение данной проблемы возможно при использовании известного физического эффекта - возникновения скин-слоя в поверхностном слое проводника при пропускании переменного тока высокой частоты и оттеснении протекающего тока к поверхности проводника. При этом ток протекает в тонком приповерхностном скин-слое толщиной δ. Толщина скин-слоя δ является функцией частоты со и уменьшается с ее повышением:
0
s
s
g
s
s
g
где σ - удельная электрическая проводимость материала чувствительного элемента, μ - относительная магнитная проницаемость вещества, μ -магнитная постоянная, ω=2πf - угловая частота. Например, для частот в диапазоне от 10 МГц до 10 ГГц толщина скин-слоя δ для различных металлов соответственно варьируется от 20 мкм до 0.01 мкм [Л.А. Ванштейн Электромагнитные волны. М.: Радио и связь, 1990 г. - 442 с.] Из этого примера видно, что толщину скин-слоя δ для высокочастотных сигналов нетрудно сделать соизмеримой с глубиной δ поглощения газов в материал чувствительного элемента 2. Подбирая частоту ω переменного тока можно сформировать практически любую толщину δ скин-слоя, согласованную по толщине с глубиной проникания газа δ ≅ δ в чувствительном элементе 2.
s
g
s
s
Таким образом, используя скин-эффект и переменный ток высокой частоты можно повысить чувствительность датчика за счет пропускания тока только в его приповерхностной части толщиной δ ≅ δ с сечением ΔS, в которой сосредоточен поглощенный газ. При этом сопротивление чувствительного элемента высокочастотному переменному току будет обратно пропорционально площади сечения ΔS. При измерении сопротивления чувствительного элемента на постоянном токе или низкочастотным переменным током электрический ток равномерно распределен по всему сечению S. В этом случае сопротивление чувствительного элемента обратно пропорционально полному сечению S. Вследствие этого, чувствительность предлагаемого способа возрастает в S/ΔS раз. Для чувствительного элемента в виде круглого проводника диаметром r или в форме плоского пленочного проводника толщиной h соответственно чувствительность повысится приблизительно в r/δ и h/δ раз.
Согласно предлагаемому способу определения концентрации газа измерения импеданса осуществляют следующим образом.
Датчик с чувствительным элементом 2, выполненного из материала, способного захватывать и накапливать газ, размещают в газовой среде и измеряют его электрические характеристики при изменении содержания в нем газа, при этом через чувствительный элемент 2 пропускают переменный электрический ток высокой частоты с генератора гармонических сигналов 1, формируют скин-слой 4 в поверхностном слое чувствительного элемента 2 в пределах толщины проникания газа 3, измеряют высокочастотный электрический импеданс чувствительного элемента 2 посредством вычислителя импеданса 5 и по значениям параметров импеданса судят о концентрации газа.
При этом сопротивление переменному току или иначе импеданс чувствительного элемента 2 является комплексной величиной и зависит от частоты ω
где U(jω) - комплексное значение напряжения, I(jω) - комплексное значение тока. Погонный импеданс цилиндрического проводника радиусом r с учетом скин-слоя описывается известным выражением [Л.А. Ванштейн Электромагнитные волны. М.: Радио и связь, 1990 г. - С. 94]
s
Подставляя в (6) выражение (4) для δ и с учетом длины l чувствительного элемента, получим формулу для импеданса
s
Для чувствительных элементов с произвольной формой поперечного сечения (например, прямоугольной формой для пленочных датчиков) вид формулы не изменится, если толщина скин-слоя будет намного меньше характерного поперечного размера d. Это условие δ<<d всегда выполняется, так как является условием реализации предлагаемого способа. При этом в формуле (7) вместо выражения 2πr, имеющего смысл длины окружности цилиндрического чувствительного элемента, в общем случае надо подставить периметр р сечения датчика.
c
0
В формуле (7) электропроводность σ материала чувствительного элемента зависит от концентрации с поглощенного газа и является функцией концентрации газа σ = σ (с). Таким образом, импеданс Z при фиксированной частоте ω = ω будет зависеть от искомой концентрации газа с
c
0
Выражение (8) показывает, что по значению импеданса чувствительного элемента можно определить концентрацию с поглощенного в нем газа. Импеданс Z (jω, c) содержит действительную и мнимую части
Из выражений (9)-(11) следует, что искомую концентрацию можно определить по трем параметрам импеданса: по модулю
или отдельно по действительной X и мнимой Y частям. Выбор нужного параметра из трех возможных зависит от технологии и удобства измерения, способов обработки измерительной информации, погрешности измерения и т.п.
Имея значение высокочастотного электрического импеданса чувствительного элемента 2 с выхода вычислителя импеданса 5, используя формулы (9)-(12), получают искомую концентрацию газа.
Таким образом, используя скин-эффект и переменный ток высокой частоты, достигается технический результат повышения чувствительности датчика в способе определения концентрации газа за счет пропускания тока только в приповерхностной части чувствительного элемента, в котором сосредоточен поглощенный газ.