Спосіб визначення концентрації газів

Винахід відноситься до вимірювальної техніки, зокрема до техніки визначення концентрації газу в середовищі із змінним газовим складом (може бути застосований для реєстрації наявності І визначення концентрації газів у вакуумних камерах, реакторах, при аналізі газів І парів у повітрі. Найбільш близьким по технічному рішенню є спосіб, який полягає втому, що в контрольоване середовище розташовують нагрітий напівпровідниковий тонкоплівковий чутливий елемент, провідність якого вимірюється, в присутності газу. Про величину парціального тиску судять по величині зміни, провідності чутливого елементу. Для даного способу характерним є низька чутливість І точність, великий час вимірювання, низька селективність, невеликий динамічний діапазон. В основу способу визначення концентрації газів, який запропоновано в прототипі, лежить електроадсорбційний ефект, тобто вплив адсорбованих молекул на електронровідність тонких напівпровідникових плівок. Величина зміни провідності взаємнооднозначно залежить від поверхневої концентрації адсорбованих частинок, яка в свою чергу залежить, для даного сорту газу, від хімічної природи плівки, її температури І тиску молекул в газовій фазі. Вибором хімічного складу ялівки І легуючих домішок, а також робочою температурою плівки досягають певної селективності адсорбції, а таким чином - селективності вимірювання концентрації конкретного газу в суміші. Причиною низької чутливості способу є наявність активаційного бар'єру щодо процесу адсорбції. Це вимагає високої робочої температури чутливої плівки, а в результаті зниження поверхневої концентрації адсорбованих частинок І зміни провідності. Точність способу обмежується низькою чутливістю та селективністю, а також процесами отруєння активаційних центрів, як! знижують енергію активації адсорбції. Час вимірювання зв'язаний з кінетичними закономірностями процесу адсорбції І десорбції нейтральних молекул і є великим в зв'язку із значною енергією активації процесу адсорбції нейтральних молекул. Чутливість до певного сорту газу (селективність) в прототипі забезпечують вибором хімічного складу основи чутливої плівки, природи легуючої домішки та величини робочої температури. Вибіркова дія легуючих домішок щодо газових молекул, які адсорбуються на поверхні тонкої плівки, зазнає негативного впливу кристалічного поля основи тонкої плівки, крім того оптимальні температурні діапазони щодо активуючої дії домішки, яка стимулює процес адсорбції визначеного сорту газу, І величини електроадсорбційного ефекту тонкої плівки є суттєво різним. Ці обставини не дозволяють досягти високої селективності реєстрації. Динамічний діапазон вимірювання тиску газів визначається нижньою І верхньою межею концентрацій вимірюваного газу. Нижня межа обмежується чутливістю методу, а верхня тим, що електроздсорбційний ефект має при великих концентраціях газу область насичення. Задача, на рішення якої направлений запропонований спосіб, заключається в дослідженні залежності електроадсорбційного ефекту від електронного стану молекул в газовій фазі. Технічний результат, який досягається при використанні даного способу, полягає в підвищенні чутливості і точності, скороченні часу вимірювання, покращенні селективності І розширенні динамічного діапазону реєстрації. Для цього в газове середовище розташовують каталітичне тіло, яке є активне до вимірюваного газу і нагріте до температури, при якій відбувається електронне збудження молекул газового середовища. Концентрацію газової компоненти визначають по зміні електропровідності нагрітої тонкої плівки, причому плівка чутлива тільки до збудженого стану молекул даного газу. Вищевказаний технічний результат можна підсилити, якщо нагрів каталітичного тіла проводити періодично і вимірювати амплітуду змінної складової електропровідності нагрітого чутливого елемента. Про величину концентрації вимірюваного газу судять на основі попередньо встановленої залежності між величиною концентрації газу і амплітудою змінної складової провідності чутливої плівки, В пропонованому способі при взаємодії газу з каталітичним тілом відбувається збудження електронної системи молекул тільки певної хімічної природи І їх десорбція а збудженому стані. Концентрація збуджених частинок в об'ємі залежить від температури каталітичного тіла І концентрації нейтральних молекул. При низьких температурах збудження нейтральних молекул не відбувається. Чутлива плівка адсорбує тільки збуджені молекули 1 змінює при цьому свою провідність пропорційно до поверхневої концентрації адсорбованих частинок, яка в свою чергу залежить в Гд концентрації збуджених частинок в об'ємі І часу взаємодії. Чутливість залежить від величини електроадсорбційного ефекту І в способі, що пропонується є більшою за рахунок попереднього збудження газових частинок з допомогою каталітичного тіла, яке знижує активаційний бар'єр процесу адсорбції. Крім того, оскільки селективність забезпечується в основному вибором природи каталітичного тіла і величиною його робочої температури, Існує більша свобода вибору такої температури чутливого елементу, при якій величина електроадеорбційного ефекту є максимальна. Точність пропонованого способу підвищується за рахунок підвищення його чутливості, селективності та меншої вразливості каталітичного тіла щодо дії отруюючих чинників. Крім того каталітичне тіло допускає високотемпературний прогрів з метою відновлення його якості. Час адсорбції збуджених частинок менший ніж нейтральних - це підвищує швидкодію вимірювання. Селективність реєстрації пропонованого способу забезпечується оптимальним вибором хімічного складу і температури каталітичного тіла та чутливого елементу. Це дає можливість більшу а порівнянні з прототипом знайти селективну систему реєстрації. Збільшення динамічного діапазону реєстрації досягається зниженням нижньої межі вимірювання за рахунок підвищення чутливості, та підвищення верхньої межі - за рахунок зміни робочої температури каталітичного тіла. Дальше покращення технічного результату досягається завдяки тому, що вданому способі вимірюється змінна корелятивна складова провідності чутливої плівки, яка викликана дією модульованого потоку збуджених частинок. При цьому чутливість способу підвищується на 3-4 порядки за рахунок застосування підсилювачів змінного струму та методу синхронної реєстрації електричних сигналів. Точність способу, крім причин, зазначених вище, підвищується за рахунок усунення Із вимірюваного сигналу повільнозмінних складових провідності викликаиих кристалічними та хімічними змінами чутливого елементу, температурною нестабільністю і ін. Крім зазначених вище факторів, величину динамічного діапазону розширює більш висока чутливість способу. На фіг. 1 представлена електрична схема поєднання чутливого елемента по п,1; на фіг, 2 електрична схема під'єднаний чутливого елемента з періодичним нагрівом каталітичного тіла по п.2. Підтвердження можливості здійснення способу, на прикладі визначення концентрації водню, полягає в наступному. Виготовляють чутливий елемент на основі полІкоровоТ пластинки розміром 5 χ 3 χ 0,25 мм3 з нанесеними з однієї сторони чутливої плівки Із окисів металів (наприклад WO3) I платиновим тонкоплівковим терморезисто-ром та ніхромовим плівковим нагрівником з другої сторони. Над чутливою плівкою на віддалі 5 мм розміщують каталітичне тіло у вигляд·: спіральної дротини нікелю. Полікорову пластинку І каталітичне тіло закріпляють у стандартному корпусі для мікросхем. Чутливий елемент поміщають у контрольоване середовище І з'єднують до електричної схеми згідно фіг. 1. Вмикають блок живлення 1, встановлюють таке значення напруги на нагрівнику 2, щоб температура чутливої плівки 3 була 550°К. Температуру контролюють шляхом вимірювання змін опору терморезистора 4 з допомогою цифрового омметра 5 І співставлений з відомою температурною залежністю провідності платини. Цифровим омметром б вимірюють опір чутливої плівки R0. Струм блоку живлення 7 нагріває каталітичне тіло 8 до температури 470°К. Вимірюють опір чутливої плівки R. Визначають зміну опору DR = R0 - R і провідності . По залежності зміни електропровідності Ds від концентрації водню Ρ визначають значення концентрації водню в газовому середовищі. У випадку періодичного нагріву каталітичного тіла чутливий елемент, конструкція якого описана вище, розміщують у газове середовище І під'єднують до електричної схеми згідно фіг. 2. Блоком живлення 1 встановлюють таке значення напруги на нагрівному елементі 2, щоб температура чутливої плівки 3 була 550°К. Температуру контролюють з допомогою терморезистора 4, цифрового омметра 5 І відомої температурної залежності терморезистора. Періодичний нагрів каталітичного тіла здійснюють шляхом пропускання через нього змінного електричного струму, генератором якого є прилад б типу Г6-26. Амплітуду вихідної напруги встановлюють такою, щоб максимальне значення температури каталітичного тіла 7 було 470°ІС а робочу частоту таку, щоб мінімальне значення температури каталітичного тіла було нижчим від значення температурного порогу каталітичної активності. Через чутливу плівку пропускають постійний електричний струм І п, який визначається значенням вихідної напруги блока живлення 8 Un = 10В І значенням резистора R =1мОм. Періодична зміна провідності чутливої плівки приводить до появи змінної напруги на ній, яка підсилюється і перетворюється у постійну напругу синхронним детектуванням з допомогою приладу 9 типу УПИ-1. Опорна напруга для синхронного детектора подається з генератора б. Постійне значення, напруги на виході приладу 9 IW вимірюється цифровим вольтметром 10 і лінійно зв'язане з амплітудою змінної складової провідності чутливої плівки. Концентрацію водню в газовій суміші визначають по величині вихідної напруги Uвих, або перерахованому значенню амплітуди змінної складової провідності чутливої плівки І попередньо встановлених залежностей між цими величинами і концентрацією водню в газовому середовищі. Таким чином, запропонований спосіб може бути здійснений з досягненням вищевказаного технічного результату.