Пристрій газового аналізу

Реферат: Пристрій газового аналізу містить чутливий елемент, що складається з двох, розташованих паралельно одна одній, пластин з проміжком між ними, перша пластина чутливого елемента є п'єзоелектричною, на її внутрішній поверхні розташований вхідний зустрічно-штировий перетворювач, а між пластинами встановлені вхідний і вихідний порти, пристрій також містить джерело газу носія, вхід управління, пневматичний вихід якого підключено, відповідно, до блока керування і пневматичного входу перемикача газового потоку, вхід керування і першій вихід якого з'єднані, відповідно, з блоком управління і входом контейнера для проби, зустрічноштировий перетворювач підключений до виходу генератора електричних коливань, вхід керування якого з'єднаний з блоком керування, пристрій також містить блок обробки інформації, вхід якого підключений до виходу генератора електричних коливань і блок утилізації проби. Друга пластина чутливого елемента є напівпровідниковою, а проміжок між пластинами наповнений повітрям, на нижній поверхні п'єзоелектричної пластини сформований перший електрод, підключений до загального проводу пристрою, на верхній поверхні напівпровідникової пластини сформований другий електрод, з'єднаний з входом блока обробки інформації, вихід контейнера для проби і другий вихід перемикача газового потоку підключені до вхідного порту, а вихідний порт пов'язаний з блоком утилізації проби. UA 120005 U (12) UA 120005 U UA 120005 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до вимірювальної техніки і може бути використана при створенні пристроїв для ідентифікації речовин, що знаходяться в газоподібному і рідкому станах. Відомий пристрій газового аналізу по деклараційному патенту України № 63781. Пристрій містить призму повного внутрішнього відбиття з нанесеним на її поверхню плівковим металевим робочим елементом, освітлювальну систему р-поляризованого монохроматичного світла, розташовану таким чином, щоб випромінювання падало на робочий елемент із боку призми, пристрій повороту призми щодо освітлювальної системи й систему детектування світла, відбитого від робочого елемента. Причому освітлювальна система містить два ідентичних джерела світла, розташованих таким чином, щоб їхнє випромінювання падало на робочий елемент в одну точку зі зсувом по куту падіння, а система детектування містить два фоточутливих елемента й пристрій порівняння вихідних сигналів фоточутливих елементів. Розглянутий пристрій має високу чутливість, однак наявність оптичної системи не дозволяє використовувати його в мобільному варіанті й в умовах підвищеної вібрації. Як найближчий аналог обраний пристрій газового аналізу за патентом Російської Федерації RU 2371841, який містить джерело газу носія, вхід керування якого підключений до блоку керування, а його пневматичний вихід з'єднаний з входом перемикача газового потоку. Перший вихід перемикача газового потоку підключений до входу контейнера для аналізуємо!' проби, вихід якого з'єднаний з входом другого клапана. Другий вихід перемикача газового потоку також з'єднаний з входом другого клапана, вихід якого підключений до вхідного порту чутливого елемента. Чутливий елемент містить дві п'єзоелектричні пластини, розташовані на масивних підкладках, паралельно одна одній, причому на поверхні першої пластини сформовані вхідний і вихідний зустрічно-штирові перетворювачі (ЗШП). Між п'єзоелектричними пластинами розташований вакуумний зазор. Чутливий елемент пристрою також містить вхідний і вихідний порти. Входи керування перемикача газового потоку і другого клапана з'єднані з блоком керування. Вхідний і вихідний порти чутливого елемента пов'язані з вакуумним зазором. Вихідний порт чутливого елемента з'єднаний з входом першого клапана, вхід керування якого підключений до блоку керування. Вихід першого клапана пов'язаний з входом насоса, вхід керування якого підключений до блоку керування. Вихід насоса з'єднаний з блоком утилізації проби. Пристрій газового аналізу прототип містить також генератор електричних коливань, сигнальний вихід якого підключений до вхідного ЗШП, а його вхід керування з'єднаний з блоком керування. Вихідний ЗШП підключений до входу блоку вимірювання частоти, вихід якого з'єднаний з входом блоку обробки інформації, вхід керування якого підключений до блоку керування. Ідентифікація проби в найближчому аналогу заснована на визначенні діелектричної проникності досліджуваної речовини і порівнянні її значення зі значеннями, занесеними в базу даних. Конструкція найближчий аналог дозволяє проводити вимірювання на мобільних об'єктах і в умовах підвищеної вібрації. До недоліків прототипу відноситься складність конструкції, пов'язана з необхідністю створення вакууму всередині чутливого елемента. Крім того, пристрійпрототип має невисоку надійність в зв'язку з тим, що досліджувана суміш проходить через насос, що може привести до пошкодження останнього при наявності агресивних речовин в пробі що досліджується. Задачею корисної моделі є спрощення конструкції пристрою і збільшення його надійності за рахунок відсутності необхідності створення вакууму всередині чутливого елемента. Поставлена задача в пристрої газового аналізу вирішується тим, що в пристрої, що містить чутливий елемент 3, який складається з двох, розташованих паралельно одна одній, пластин 10, 12 з проміжком 13 між ними, перша пластина 10 чутливого елемента є п'єзоелектричною, на внутрішній поверхні п'єзоелектричної пластини 10 розташований вхідний ЗШП 16, а між пластинами встановлені вхідний 14 та вихідний 15 порти, пристрій також містить джерело 1 газу носія, вхід керування і пневматичний вихід якого підключені, відповідно, до блоку 7 керування і пневматичного входу перемикача 8 газового потоку, вхід керування і перший вихід якого з'єднані, відповідно, з блоком 7 керування і входом контейнера 2 для проби, вхідний ЗШП 16 підключений до виходу генератора 5 електричних коливань, вхід керування, якого з'єднаний з блоком 7 керування, пристрій також містить блок 6 обробки інформації, вхід якого підключений до виходу генератора 5 електричних коливань і блок 4 утилізації проби, згідно з корисною моделлю, друга 12 пластина чутливого елемента 3 є напівпровідниковою, а проміжок між пластинами 10, 12 наповнений повітрям, на нижній поверхні п'єзоелектричної пластини 10 сформований перший 9 електрод, підключений до загального проводу пристрою, на верхній поверхні напівпровідникової пластини 12 сформований другий 11 електрод, з'єднаний з входом блоку 6 обробки інформації, вихід контейнера 2 для проби і другий вихід перемикача 8 газового 1 UA 120005 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 потоку підключені до вхідного 14 порту, а вихідний 15 порт з'єднаний з блоком 4 утилізації проби. Ідентифікація проби в заявляемому пристрої заснована на визначенні максимуму залежності зміни поперечної акустичної електрорушійної сили (ЕРС) від часу впливу проби на внутрішню поверхню напівпровідникової пластини 12. Поширення поверхневої акустичної хвилі (ПАХ) супроводжується електромагнітним полем, Z-компонента якого перпендикулярна до поверхні і через повітряний зазор 13 проникає в приповерхневу область напівпровідникової пластини 12. В результаті взаємодії носіїв заряду приповерхневої області пластини 12 з Zкомпонентою електричного поля виникає акустоелектричний ефект, що полягає у виникненні в чутливому елементі 3 поперечної акустичної ЕРС. Наявність компонент аналізованої проби в проміжку 13 призводить до їх абсорбції на поверхню напівпровідникової пластини 12 і змінює електронний стан в приповерхневій області напівпровідника 12, що впливає на величину поперечної акустичної ЕРС. Цей механізм лежить в основі ідентифікації речовини, що досліджується. На фіг. 2 показана експериментально встановлена залежність зміни поперечної акустичної ЕРС від часу впливу проби на внутрішню поверхню пластини 12 для різних речовин. Як видно з представлених графіків, кожній з речовин відповідає такий час адсорбції, при якому поперечна акустична ЕРС досягає свого максимуму. В процесі вимірювання в блоці 6 обробки інформації аналізується величина ЕРС в реальному масштабі часу. У момент досягнення максимуму ЕРС фіксується час його досягнення, який потім порівнюється зі значеннями бази даних, в яку занесені часи досягнення максимуму для різних речовин. Таким чином, визначається яка речовина, міститься в аналізованої пробі. В корисній моделі, досягнуто спрощення конструкції пристрою газового аналізу і підвищення його надійності. Ця задача вирішена завдяки зменшенню кількості елементів і блоків пристрою, і відсутності необхідності створення вакууму всередині чутливого елемента. На фіг. 1 зображена функціональна схема пристрою, що заявляється, де 1 - джерело газу носія, 2 - контейнер для проби, 3 - чутливий елемент, 4 - блок утилізації проби, 5 - генератор електричних коливань, 6 - блок обробки інформації, 7 - блок керування, 8 - перемикач газового потоку, 9 - перший електрод, 10 - п'єзоелектрична пластина, 11 - другий електрод, 12 напівпровідникова пластина, 13 - повітряний проміжок, 14 - вхідний порт, 15 - вихідний порт, 16 вхідний ЗШП. На фіг. 2 зображені графіки залежностей поперечної акустичної ЕРС від часу впливу проби на внутрішню поверхню напівпровідникової пластини для різних речовин, де крива 1 побудована для 10 % розчину аміаку у воді, крива 2 - для 9 % розчину оцтової кислоти у воді, крива 3 - для 96 % етилового спирту, крива 4 - для дистильованої води. На фіг. 3 показана функціональна схема макета пристрою газового аналізу, розробленого авторами в Інституті фізики напівпровідників НАН України (приклад конкретного виконання пристрою, що заявляється), де 1 - компресор, 2 - контейнер для проби, 3 - чутливий елемент, 4 блок утилізації проби, 5 - генератор електричних коливань, 6 - блок обробки інформації, 7 - блок керування, 8 - перемикач газового потоку, 9 - перший електрод, 10 - п'єзоелектрична пластина, 11 - другий електрод, 12 - напівпровідникова пластина, 13 - повітряний проміжок, 14 - вхідний порт, 15 - вихідний порт, 16 - вхідний ЗШП, 17 - персональний комп'ютер, 18 - аналого-цифровий перетворювач (АЦП), 19 - цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП). ПРИКЛАД. Як приклад конкретного виконання пристрою газового аналізу, розглянемо макет пристрою, розроблений авторами в Інституті фізики напівпровідників НАН України. Функціональна схема приладу зображена на фіг. 3. Як газ носій в технічній реалізації пристрою використовується атмосферне повітря. Джерело 1 газу носія реалізовано на основі компресора Atman CR-20R, штуцера типу 500000-4-1 / 8 з системою фіксації тефлонової трубки типу РА12 і фільтра тонкої очистки газів модель N108-F00 0-1 / 8-20. У макеті пристрою, що заявляється, в якості блоку 6 (фіг. 1) обробки інформації використаний персональний комп'ютер 17, до входу якого підключений вихід АЦП 18, вхід якого з'єднаний з другим електродом 11 чутливого елемента 3. Персональний комп'ютер 17 в парі з ЦАП 19 виконує також роль блоку 7 (фіг. 1) керування. Вхід керування компресора 1 підключений до виходу ЦАП 19, а його пневматичний вихід з'єднаний з входом перемикача 8 газового потоку, в якості якого застосований клапан газовий двухходовий електромагнітний, типу D106, виробник SIRAI ELETTROMECCANICA, Italy. Вхід керування перемикача 8 газового потоку підключений до виходу ЦАП 19, а його перший і другий пневматичні виходи з'єднані, відповідно, з входом контейнера 2 для проби і вхідним 14 портом чутливого елемента 3. Контейнер 2 для аналізованої проби являє собою пробірку, в якій відбувається барботування повітрям проби, що знаходиться в рідкому стані. Насичені пари досліджуваної проби з виходу контейнера 2 надходять на вхідний порт 14 чутливого елемента 3. Чутливий елемент 3 виконаний у вигляді латунної коробки з кришкою, в якій розміщується структура напівпровідник-повітря-п'єзоелектрик. Як напівпровідника 12 використана кремнієва 2 UA 120005 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 пластина, а в якості п'єзоелектрика 10 - пластина з ниобата літію, перший 9 і другий 11 електроди виготовлені з мідної фольги. На коробці знаходяться високочастотні роз'єми для підключення генератора 5 електричних коливань до ВШП 16 і АЦП 18 до другого 11 електроду. Вхідний 14 і вихідний 15 порти також розташовані на коробці. Вихідний 15 порт сполучений з блоком 4 утилізації проби, в якості якого використаний фільтр N108-F00 0-1 / 8-20. Генератор 5 реалізований на основі модуля AD9850 DDS. Як АЦП 18 і ЦАП 19 використаний інтерфейс ЕТ1290 виробництва НВПП "ТЕРЕКС". Інтерфейс являє собою плату, яка підключається до вільного роз'єму материнської плати персонального комп'ютера. Поширення ПАХ між пластинами чутливого елемента 3 призводить до виникнення поперечної акустичної електрорушійної сили (ЕРС). Ідентифікація проби в заявляемому пристрої заснована на визначенні максимуму залежності зміни поперечної акустичної ЕРС від часу впливу проби на внутрішню поверхню напівпровідникової пластини 12. Під час роботи пристрій, що розглядається, знаходиться в одному з двох станів, що змінюють один одного. Перше стан це очищення чутливих поверхонь від компонент проби, що залишилися після попереднього виміру. Другий стан це власне вимірювальний процес. Після запуску програми в комп'ютері 17 на виході ЦАП 19 формує сигнал, що дозволяє роботу компресора 1. Одночасно перемикач 8 переводиться в положення 2. У результаті цього повітря з виходу компресора 1 через перемикач 8 надходить на вхідний 14 порт чутливого елемента 3, проходить через проміжок 13 між пластинами 10 і 12, вихідний 15 порт і далі в блок 4 утилізації проби. В результаті проходження газу відбувається очищення портів 14, 15 і внутрішніх поверхонь пластин 10, 12 від частинок проби, які осіли на них в процесі минулого вимірювального циклу. Після закінчення часу, встановленого для очищення системи, комп'ютер 17 формує сигнал, який переводить перемикач 8 у положення 1. У результаті цього повітря змінює свій шлях і через вихід 1 перемикача 8 надходить в контейнер 2 для проби яка аналізується. Проходячи крізь контейнер 2, повітря змішується з частинками проби і через вхідний 14 порт надходить в проміжок між пластинами 10, 12 і далі через вихідний 15 порт - в блок 4 утилізації проби. Одночасно з встановленням перемикача 8 в положення 1 блок 7 включає генератор 5 електричних коливань, який виробляє радіоімпульси тривалістю 1 мс з частотою заповнення 37,3 МГц. Радіоімпульси з частотою повторення 10 Гц подаються на вхідний ВШП 16. Це призводить до виникнення і розповсюдження по внутрішній поверхні п'єзоелектричної пластини 10 біжучої ПАХ. Поширення ПАХ супроводжується електромагнітним полем, Z-компонента якого перпендикулярна до поверхні і через повітряний зазор 13 проникає в приповерхневу область напівпровідникової пластини 12. В результаті взаємодії носіїв заряду приповерхневої області пластини 12 з Z-компонентою електричного поля виникає акустоелектричний ефект, що полягає у виникненні в чутливому елементі 3 поперечної акустичної ЕРС. Наявність компонент аналізованої проби в проміжку 13 призводить до їх абсорбції на поверхню напівпровідникової пластини 12 і змінює електронний стан в приповерхневій області напівпровідника 12, що впливає на величину поперечної акустичної ЕРС. Цей механізм лежить в основі ідентифікації аналізованої речовини. У момент запуску генератора 5 електричних коливань на його керуючому виході з'являється сигнал, який запускає програму обробки інформації, яка аналізує сигнал, що надходить з електрода 11. На фіг. 2 показана експериментально встановлена залежність зміни поперечної акустичної ЕРС від часу впливу проби на внутрішню поверхню пластини 12 для різних речовин. Як видно з представлених графіків, кожному з речовин відповідає такий час адсорбції, при якому поперечна акустична ЕРС досягає свого максимуму. В процесі вимірювання в блоці 6 обробки інформації аналізується величина ЕРС в реальному масштабі часу. У момент досягнення максимуму ЕРС фіксується час його досягнення, який потім порівнюється зі значеннями бази даних, в яку занесені часи досягнення максимуму для різних речовин. Таким чином, визначається яка речовина, міститься в аналізованої пробі. Корисна модель пристрій газового аналізу в порівнянні з пристроєм прототипом має більш просту конструкцію. У зв'язку з відсутністю вакууму всередині чутливого елемента відпадає необхідність застосовувати масивні підкладки для пластин чутливого елемента і вживати заходів по герметизації останнього. Крім того відсутність вакууму всередині чутливого елемента дозволяє позбутися від системи клапанів, а зміна фізичних принципів роботи пристрою дозволяє виключити з конструкції останнього блок вимірювання частоти. Заявляємий пристрій має більш високу, ніж прототип надійність, так як його конструкція не передбачає проходження аналізованої проби, яка може бути хімічно агресивною, через насос. Наведений приклад технічної реалізації пристрою газового аналізу, підтверджує досягнення позитивного ефекту і можливість технічної реалізації на існуючій елементній базі. Таким чином, заявляєме технічне рішення повністю вирішує постелену задачу. 60 3 UA 120005 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 Пристрій газового аналізу, що містить чутливий елемент, що складається з двох, розташованих паралельно одна одній, пластин з проміжком між ними, перша пластина чутливого елемента є п'єзоелектричною, на її внутрішній поверхні розташований вхідний зустрічно-штировий перетворювач, а між пластинами встановлені вхідний і вихідний порти, пристрій також містить джерело газу носія, вхід управління, пневматичний вихід якого підключені, відповідно, до блока керування і пневматичного входу перемикача газового потоку, вхід керування і перший вихід якого з'єднані, відповідно, з блоком управління і входом контейнера для проби, зустрічноштировий перетворювач підключений до виходу генератора електричних коливань, вхід керування якого з'єднаний з блоком керування, пристрій також містить блок обробки інформації, вхід якого підключений до виходу генератора електричних коливань, і блок утилізації проби, який відрізняється тим, що друга пластина чутливого елемента є напівпровідниковою, а проміжок між пластинами наповнений повітрям, на нижній поверхні п'єзоелектричноїпластини сформований перший електрод, підключений до загального проводу пристрою, на верхній поверхні напівпровідникової пластини сформований другий електрод, з'єднаний з входом блока обробки інформації, вихід контейнера для проби і другий вихід перемикача газового потоку підключені до вхідного порту, а вихідний порт пов'язаний з блоком утилізації проби. 4 UA 120005 U Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5