АНАЛИЗАТОР СЕЛЕКТИВНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОДОРОДА В ГАЗАХ Российский патент 1999 года по МПК G01N27/12 

Изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано для селективного определения содержания H₂ в различных газовых смесях в космической, горно-рудной и других отраслях промышленности, в частности в криогенной технике.

Известен [1] датчик для определения содержания H₂ в газах, содержащий керамическую подложку, на которую нанесены нагреватель, металлические контакты для измерения проводимости и чувствительный слой на основе In₂O₃. При подаче H₂ изменяется проводимость чувствительного слоя датчика в результате хемосорбции H₂ на поверхности In₂O₃.

Однако указанный датчик не является селективным по отношению к H₂ и при попадании в смесь других газов (CO, CH₄, C₃H₈, C₄H₁₀) также изменяет свою проводимость в результате их хемосорбции. Кроме того, поскольку датчик работает при температуре 100^oC, он требует периодической регенерации.

Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является анализатор состава газа [2], содержащий корпус, каналы для ввода и вывода газов, прерыватель потока и полупроводниковый чувствительный элемент, содержащий непроводящую подложку с нанесенными на нее нагревателем, контактами для измерения проводимости и чувствительным слоем на основе ZnO, модифицированной металлическим Zn. Однако указанный анализатор не позволяет селективно определять концентрацию H₂ в смеси газов, поскольку чувствительный элемент на основе модифицированной ZnO реагирует на появление в смеси O₂ и H₂O, а помещенный в корпусе анализатора прерыватель газового потока пропускает как H₂, так и другие газы.

Техническая задача настоящего изобретения состоит в повышении селективности, чувствительности и быстродействия анализатора, а также расширении динамического диапазона при определении концентрации H₂.

Технический результат при осуществлении заявленного устройства заключается в том, что корпус анализатора разделен на две камеры: камеру измерений и камеру анализа, между которыми размещена полимерная диффузионная мембрана, селективно пропускающая H₂ и не пропускающая другие газы (O₂, H₂O), при этом камера измерений продувается газом, не содержащим H₂, а полупроводниковый датчик выполнен на основе In₂O₃, модифицированной 1 -10 вес.% CuO.

Сравнительный анализ с прототипом показал, что заявленное устройство, отличающееся признаками, включающими размещение полупроводникового датчика в отдельную камеру, изолированную от камеры анализа полимерной диффузионной мембраной, селективно пропускающей H₂, и продуваемую газом, его не содержащим, а также включающий выполнение датчика на основе In₂O₃, модифицированной добавками CuO, соответствует критерию охраноспособности изобретения "новизна".

Сопоставление с уровнем техники показало, что в заявленном техническом решении результат получается за счет отличительных признаков, не вытекающих явным образом из известных технических решений, что соответствует критерию охраноспособности изобретения "изобретательский уровень".

На фиг. 1 показана схема предложенного анализатора. Корпус анализатора для селективного определения концентрации H₂ в газах содержит: камеру измерений (1), селективный датчик H₂ (2) на основе In₂O₃, модифицированный CuO (1 - 10 вес.%), полимерную диффузионную мембрану (3), размещенную между камерой измерений (1) и камерой анализа (4), снабженными патрубками (5) для подачи газов.

Анализатор работает следующим образом. В камеру измерений (1) со скоростью 20 см³/мин подается газ, не содержащий H₂, а в камеру анализа (4) подается анализируемая смесь, содержащая H₂, при этом измеряется изменение относительной проводимости датчика (σ/σ_o), обусловленное хемосорбцией H₂.

На фиг. 2 для сравнения представлены калибровочные кривые датчика на основе In₂O₃/CuO при подаче H₂ в инертный газ в отсутствие мембраны (кривая 1) и при ее размещении между камерами измерения и анализа (кривая 2), а также при подаче в эту смесь 5,5 об.% O₂ и 55 отн.% H₂O (кривая 3). Подача O₂ и H₂O в анализируемую смесь (кривые 2 и 3) практически не влияет на сигналы датчика, что подтверждает высокую селективность анализатора.

На фиг. 2 видно также, что в отсутствие мембраны в корпусе анализатора (кривая 1) сигналы датчика почти не разрешимы при концентрации H₂ в смеси выше 1 об.%. При наличии мембраны (кривые 2 и 3) динамический диапазон измерения концентрации H₂ расширяется до 41,5 об.%, т.е. до предела взрывоопасных концентраций. Таким образом, размещение мембраны в корпусе анализатора позволяет существенно расширить динамический диапазон определения концентрации H₂ в смеси. Из фиг. 2 видно также, что при наличии полимерной диффузионной мембраны в анализаторе сигналы датчика от воздействия H₂ уменьшаются более чем в 100 раз (кривые 1 и 2). В связи с этим при выборе материала чувствительного слоя датчика существенное значение имеет его чувствительность к H₂. Использование датчика на основе In₂O₃, модифицированной добавками CuO (1 - 10 вес.%), позволяет повысить чувствительность и быстродействие анализатора, а также селективность самого датчика.

На фиг. 3 представлены кинетические кривые сигналов датчиков в инертном газе и при подаче H₂ и O₂ при отсутствии в корпусе анализатора мембраны. Из фиг.3 видно, что модификация материала чувствительного слоя датчика добавками CuO (1 - 10 вес.%) приводит к увеличению его чувствительности более чем в 10 раз (кривые 1 и 2). Кроме того, релаксация сигнала датчика на основе In₂O₃/CuO к начальному значению относительной проводимости при выключении подачи H₂ происходит значительно быстрее по сравнению с датчиком на основе чистого In₂O₃ (30 и 120 сек соответственно), т.е. модификация датчика In₂O₃ добавками CuO позволяет существенно повысить быстродействие анализатора.

Из сравнения кривых 1 и 3 на фиг. 3 видно также, что предлагаемая модификация датчика существенно повышает селективность самого датчика по отношению к H₂ по сравнению с O₂. Величины сигналов датчика для H₂ и O₂ в сравнимых условиях различаются почти в 100 раз.

Таким образом, выбор предложенной конструкции анализатора с размещением в отдельной камере датчика, изолированной от камеры анализа полимерной диффузионной мембраной, селективно пропускающей H₂, а также выбор материала самого датчика на основе In₂O₃, модифицированной добавками CuO (1 - 10 вес. %), позволяют повысить селективность, чувствительность и быстродействие предлагаемого анализатора и расширить его динамический диапазон в определении H₂ и тем самым решить поставленную техническую задачу.

Источники информации
1. Патент Великобритании N 1526751, 1978.

2. Авторское свидетельство СССР N 596870, G 01 N 27/00, 1976.

Использование: в космической, горно-рудной и других отраслях промышленности, в частности в криогенной технике. Технический результат: повышение селективности датчика по отношению к водороду. Сущность: анализатор содержит корпус, каналы для ввода и вывода газов и полупроводниковый датчик на основе In₂O₃, модифицированный добавками CuO, селективно анализирующий H₂. Датчик помещен в отдельную камеру, изолированную от камеры анализа полимерной диффузионной мембраной, селективно пропускающей H₂, и продуваемую газом, не содержащим H₂. 3 ил.

Анализатор селективного определения водорода в газах, содержащий корпус, каналы для ввода и вывода газов и полупроводниковый датчик, содержащий непроводящую керамическую подложку с нанесенными на нее нагревателем, контактами для измерения проводимости и чувствительным слоем, отличающийся тем, что полупроводниковый датчик помещен в отдельную камеру, изолированную от камеры анализа полимерной диффузионной мембраной, селективно пропускающей водород, и продуваемую анализируемым газом, не содержащим водорода, а сам датчик выполнен на основе In₂O₃, модифицированной добавками CuO в количестве 1 ^oC 10 вес.%.