ТВЕРДОЭЛЕКТРОЛИТНЫЙ АНАЛИЗАТОР Российский патент 1997 года по МПК G01N27/407 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для количественного определения содержания фтора и фтористого водорода в воздухе или ином газе.

В газоанализаторах широкое распространение получили электрохимические чувствительные элементы в виде пленочного твердоэлектролитного газочувствительного слоя, нанесенного на подложку, с обратной стороны снабженную нагревателем (см. патент США 4338281, G 01 N 27/04, 1982).

Чувствительный элемент обычно выполняется с контактами, включенными в цепь источника постоянного напряжения. Проводимость газочувствительного слоя зависит от концентрации фтора в окружающей среде. Нагреватель подключается к блоку питания (см. патент США 5104513, G 01 N 27/407, 1992).

Однако, использование подобных чувствительных элементов для анализа фтора затруднено их низким быстродействием (времена отклика и релаксации измеряются минутами и даже десятками минут).

Кроме того, к недостаткам известного газоанализатора следует отнести нелинейность, узкий динамический диапазон, недостаточную точность вследствие сильного влияния влажности и скорости потока воздуха на показания прибора.

Наиболее близким к предложенному является твердоэлектролитный анализатор, описанный в ЕПВ 0421672, G 01 N 27/406, 1990. Это устройство содержит источник напряжения, чувствительный элемент в виде циркониевой подложки с пористыми электродами и нагревателем, подключенным к выходу регулятора температуры, датчики температуры и давления, два мультиплексора, усилитель, делитель напряжения, аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи, блок индикации и центральный процессор.

Этому анализатору свойственны все вышеперечисленные недостатки, кроме нелинейности: линеаризация характеристики осуществляется в процессоре. Однако наличие процессора и двух преобразователей приводит к усложнению устройства и дополнительному снижению точности.

Таким образом техническим результатом, ожидаемым от использования изобретения, является повышение быстродействия, точности и линейности твердоэлектролитного анализатора, а также расширения его динамического диапазона при сохранении простоты и надежности в работе.

Указанный результат достигается тем, что известный твердоэлектролитный анализатор, содержащий источник напряжения, выход которого соединен со входом питания чувствительного элемента, выполненного с электродами и нагревателем, подключенным к выходу регулятора температуры, а также усилитель и блок индикации, снабжен сумматором, блоком деления, блоком памяти, блоком управления и блоком линеаризации, а чувствительный элемент выполнен из трифторида лантана, легированного дифторидом стронция, при этом выход чувствительного элемента соединен со входом усилителя, выход которого подключен к первому входу сумматора и информационному входу блока памяти, выход которого соединен со вторым входом второго сумматора и первым входом блока деления, второй вход которого подключен к выходу второго сумматора, выход блока деления соединен со входом блока линеаризации, выход которого соединен с информационным входом блока индикации, а выходы блока управления подключены к соответствующим входам блока индикации и блока памяти.

Кроме того источник напряжения может быть выполнен в виде источника постоянного напряжения, генератора, мультиплексора и сумматора, входы которого соединены с выходами мультиплексора, информационные входы которого подключены к выходам генератора и источника постоянного напряжения, а управляющий вход мультиплексора соединен с соответствующим выходом блока управления.

Целесообразно также второй информационный вход блока индикации соединить с выходом блока деления.

Рекомендуется также четвертый выход блока управления подключить к управляющему входу блока линеаризации.

Кроме того, содержание дифторида стронция в газочувствительном слое чувствительного элемента, выполненного тонкопленочным, может колебаться от 4,35 до 9,64 мол.

При этом газочувствительный слой может размещаться на монокристаллической подложке из лейкосапфира.

Целесообразно также электроды к газочувствительному слою выполнять из платины.

Рекомендуется также нагреватель выполнять из никеля.

И, наконец, толщина газочувствительного слоя может составлять 0,12 0,72 мкм.

На фиг. 1 представлена функциональная схема газоанализатора, который включает источник 1 постоянного напряжения, генератор 2 переменного напряжения и\или импульсов, мультиплексор 3, сумматор 4, регулятор 5 температуры, чувствительный элемент 6, регулятор 7 побудителя смеси 8, усилитель 9, блок 10 деления, сумматор 11 (блок вычитания), блок 12 памяти, блок 13 линеаризации, блок 14 индикации и блок 15 управления. Элементы 1-4 образуют источник напряжения; на фиг. 2 схематично изображен чувствительный элемент, содержащий подложку 16, газочувствительный слой 17, платиновые электроды 18 с выводами 19 и нагреватель 20 с выводами 21. Резистор 22 является преобразователем тока в напряжение.

На фиг. 1 показаны два выхода генератора 2, хотя их может быть и больше: генератор 2 формирует напряжения различной частоты.

Коэффициент передачи блока 13 зависит от входного сигнала таким образом, чтобы устранить нелинейность зависимости последнего от содержания фтора в анализируемой смеси. Блок 13 может быть выполнен в виде кусочно-линейного аппроксиматора, обратного логарифмического преобразователя или последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя, дешифратора и аналого-цифрового преобразователя.

Выполнение остальных блоков устройства может быть таким же как в известном газоанализаторе или других аналогичных приборах. В частности, блок 15 может быть выполнен автоматическим или полуавтоматическим, так что переключение режима работы мультиплексора 3, синхронизация блока 12, синхронизация и\или вывод информации о режиме в блоке 14 и переключение или подстройка блока 13 производятся оператором с помощью соответствующего пульта или просто набора тумблеров и регуляторов.

В отличие от известных газоанализаторов, газочувствительный слой 17 представляет собой тонкую пленку, нанесенную на подложку 16 в вакууме.

Газоанализатор работает следующим образом.

Анализируемая смесь побудителем 8 подается на элемент 6, на поверхности газочувствительного слоя 17 которого происходит разложение фтора или фтористого водорода. При этом в твердом электролите возникают фтор-ионы, дрейфующие под действием приложенного напряжения к положительному электроду. В результате величина тока в цепи источника 1 и/или генератора 2 является мерой содержания фтора в смеси.

На выходе элемента 6 устанавливается преобразователь тока в напряжение (или напряжения в ток, если запитка элемента 6 осуществляется стабильным током). В отличие от известных приборов, питание элемента 6 может осуществляться не только постоянным напряжением или током, но также переменным низкочастотным или высокочастотным сигналом или суммой переменного и постоянного напряжений (в последнем случае амплитуда переменного сигнала составляет 0,1 0,8 от величины постоянного).

В блоке 12 хранится нулевое значение выходного сигнала усилителя 11 (в отсутствие фтора в анализируемой смеси), фиксируемое блоком 12 по сигналу с выхода блока 15. Установка нулевого значения может производиться один раз за смену или каждый раз перед замером. В качестве блока 12 можно воспользоваться блоком выборки-хранения или последовательно соединенными цифро-аналоговым преобразователем, регистром и аналого-цифровым преобразователем. При этом тактовый вход регистра соединяется с управляющим входом блока 12.

В блоке 11 из текущего информационного сигнала вычитается упомянутый нулевой сигнал, а в блоке 10 полученная разность делится на нулевой сигнал. Частное от деления поступает на вход блока 13 или непосредственно на вход блока 14 (как привило, это целесообразно при запитке элемента 6 переменным напряжением или в случае отсутствия информации о градуировочной зависимости в блоке 13).

Описанная схема преобразования информационного сигнала обеспечивает расширение динамического диапазона и линеаризацию выходного сигнала простейшими средствами. В то же время, использование поочередной запитки постоянным и переменным напряжением, только переменного напряжения или применение смешанного сигнала позволяет отстроиться от ряда мешающих факторов, в частности нестабильности электродных потенциалов, а также получить избыточную информацию, которая может быть использована для повышения точности и достоверности результата измерения, например, путем усреднения замеров в блоке 14.

Реализации указанных преимуществ, а также повышению чувствительности и, главное, быстродействия газоанализатора способствует также вышеописанный выбор материала газочувствительного слоя элемента 6. При этом достигается высокая фтор-ионная проводимость по вакансионному механизму и низкая температура плавления подрешетки фтора (80 120^oС). Снижение же рабочей температуры элемента 6 позволяет не только упростить устройство и уменьшить потребление энергии, что весьма важно для носимых приборов с автономными источниками питания, но и снизить влияние нестабильности расхода анализируемой смеси.

Экспериментальная проверка показала, что прибор способен измерять концентрацию фтора от 0,1 до 1000 ppm, причем время установления составляет всего 180 с, а время релаксации не превышает 5 мин при концентрации фтористого водорода 0,5 ppm без учета транспортного запаздывания.

Использование: количественное определение фтора. Сущность изобретения: твердоэлектролитный анализатор содержит источник напряжения, выход которого соединен со входом питания чувствительного элемента, выполненного с электродами и нагревателем, подключенным к выходу регулятора температуры, а также усилитель и блок индикации. Анализатор снабжен сумматором, блоком деления, блоком памяти, блоком управления и блоком линеаризации, а чувствительный элемент выполнен из трифторида лантана, легированного дифторидом стронция. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Твердоэлектролитный газоанализатор, содержащий источник напряжения, выход которого соединен с входом питания чувствительного элемента, выполненного с электродом и нагревателем, подключенным к входу регулятора температуры, а также усилитель и блок индикации, отличающийся тем, что он снабжен сумматором, блоком деления, блоком памяти, блоком управления и блоком линеаризации, а чувствительный элемент выполнен из трифторида лантана, легированного дифторидом стронция, при этом выход чувствительного элемента соединен с входом усилителя, выход которого подключен к первому входу сумматора и информационному входу блока памяти, выход которого соединен с вторым входом сумматора и первым входом блока деления, второй вход которого подключен к выходу сумматора, выход блока деления соединен с входом блока линеаризации, выход которого соединен с информационным входом блока индикации, а выходы блока управления подключены к соответствующим входам блока индикации и блока памяти. 2. Анализатор по п.1, отличающийся тем, что источник напряжения выполнен в виде источника постоянного напряжения, генератора, мультиплексора и сумматора, входы которого соединены с выходами мультиплексора, информационные входы которого подключены к выходам генератора и источника постоянного напряжения, а управляющий вход мультиплексора соединен с соответствующим выходом блока управления. 3. Анализатор по п.1, отличающийся тем, что второй информационный вход блока индикации соединен с выходом блока деления. 4. Анализатор по п.1, отличающийся тем, что четвертый выход блока управления подключен к управляющему входу блока линеаризации. 5. Анализатор по п.1, отличающийся тем, что содержание дифторида стронция в газочувствительном слое чувствительного элемента, выполненного тонкопленочным, составляет 4,35 9,64 мол. 6. Анализатор по п.1, отличающийся тем, что газочувствительный слой размещается на монокристаллической подложке из лейкосапфира. 7. Анализатор по п. 1, отличающийся тем, что электроды к газочувствительному слою выполнены из платины. 8. Анализатор по п.1, отличающийся тем, что нагреватель выполнен из никеля. 9. Анализатор по п.1, отличающийся тем, что толщина газочувствительного слоя составляет 0,12 0,72 мкм.