ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНЫЙ АНАЛИЗАТОР ПАРОВ И ГАЗОВ Российский патент 2000 года по МПК G01N5/02 

Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано для контроля содержания загрязнителей атмосферы.

Известны анализаторы содержания паров и газов, действие которых основано на использовании зависимости собственной частоты пьезокварцевого резонатора от массы его электродов [В.В.Малов. Пьезорезонансные датчики.- М.: Энергоатомиздат. 1989, стр. 195-196.].

Конкретная реализация такого прибора приведена в [Mat Н.Но, George G.Guilbault. Portable Piezoelectric Crystal Detector for Field Monitoring of Environmental Pollutants. Anal.Chem. 1983,55, p.1830-1832], где описан пьезорезонансный анализатор паров толуола. В состав анализатора входят пьезорезонансный сенсор (кварцевый резонатор с сорбционным покрытием на электродах), подключенный к измерительному генератору, блок измерения изменения частоты генератора, поглощающий фильтр с наполнением из активированного угля и силикагеля, побудитель расхода и переключатель газовых потоков (газовый кран). При этом блок измерения изменения частоты включает в себя опорный генератор с кварцевым опорным резонатором, на электродах которого отсутствует сорбционное покрытие, и измеритель разности частот измерительного и опорного генераторов.

При работе анализатора смесь паров толуола с воздухом подводится побудителем расхода к сенсору: сначала - через поглощающий фильтр ("нулевой отсчет"), а затем (после поворота газового крана) - непосредственно. В обоих случаях производится измерение разностей частот измерительного и опорного генераторов. Аналитическим сигналом является изменение разности частот в результате сорбционного взаимодействия определяемого вещества с покрытием электродов сенсора.

Недостатками описанного анализатора являются ограниченная селективность определения содержания (из-за влияния примесей паров и газов в анализируемом воздухе); необходимость ручного управления процессом измерения (переключение газового крана); погрешность измерения, связанная с наличием остатка предыдущей пробы в тракте переключателя газовых потоков; погрешность измерения, связанная с неодинаковыми скоростями газовых потоков при нулевом отсчете (поток проходит через поглощающий фильтр) и при сорбции определяемого вещества покрытием электродов сенсора (поток не проходит через поглощающий фильтр). Величина этой погрешности может быть значительной для некоторых видов сорбирующих покрытий.

Часть указанных недостатков устранена в анализаторе паров и газов [А.Н. Могилевский, А.А. Гречников, А.Д. Майоров. Анализатор паров и газов. Патент РФ N 2117275, Б.И., 1998, N 22], являющемся наиболее близким к предлагаемому техническому решению. Анализатор содержит газовый тракт, состоящий из последовательно соединенных поглощающего фильтра с сорбентом, селективным по отношению к определяемому веществу, переключателя газовых потоков, камеры с установленным в ней пьезорезонансным сенсором и побудителя расхода, измерительное устройство и блок управления. Измерительное устройство содержит измерительный генератор, соединенный с пьезорезонансным сенсором (кварцевым резонатором с сорбционным покрытием на электродах), и блок измерения изменения частоты, соединенный с выходом измерительного генератора. Переключатель газовых потоков выполнен в виде электромагнитного газового клапана. Выходы блока управления соединены со входами управления побудителя расхода, переключателя газовых потоков и измерительного устройства.

При работе известного анализатора смесь паров определяемого вещества с воздухом подводится побудителем расхода к сенсору сначала через поглощающий фильтр и нормально открытый вход газового клапана. Проводится измерение частоты измерительного генератора (или, если блок измерения изменения частоты содержит опорный генератор, - разности частот измерительного и опорного генераторов). Т.к. пары определяемого вещества полностью задержаны поглощающим фильтром, то измеренное значение частоты измерительного генератора соответствует собственной частоте пьезорезонансного сенсора в очищенном от определяемого вещества воздухе ("нулевой отсчет"). Далее по команде блока управления включается газовый клапан и через открывшийся (нормально закрытый) вход клапана измеряемая смесь подводится непосредственно к сенсору. В результате сорбционного взаимодействия определяемого вещества с покрытием электродов сенсора собственная частота последнего изменяется. Соответственно изменяется частота измерительного генератора (или разность частот измерительного и опорного генераторов). Содержание определяемого вещества оценивается по величине этого изменения.

Анализатор-прототип обладает лучшей селективностью, чем анализатор вышеописанный, за счет применения в поглощающем фильтре сорбента, селективного по отношению к определяемому веществу. Кроме того, он не нуждается в ручном управлении в процессе измерения, т.к. для переключения газовых потоков применен электромагнитный газовый клапан. Недостатками известного анализатора являются (так же как у аналога) погрешности измерения, связанные с остатком предыдущей пробы в тракте переключателя газовых потоков (газовом клапане) и неодинаковыми скоростями газовых потоков при нулевом отсчете и при сорбции определяемого вещества покрытием электродов сенсора. Дополнительным недостатком известного анализатора является малый срок службы газового клапана в тех случаях, когда анализатор используется для определения содержания паров агрессивных веществ в атмосфере (например, паров несимметричного диметилгидразина).

Задачей, решаемой в настоящем изобретении, является повышение точности измерения содержания паров и газов пьезорезонансным анализатором, а также увеличение его срока службы.

Поставленная задача решается тем, что в пьезорезонансный анализатор паров и газов, содержащий газовый тракт, состоящий из последовательно соединенных поглощающего фильтра с селективным сорбентом, камеры с установленным в ней пьезорезонансным сенсором в виде кварцевого резонатора с сорбционным покрытием на электродах и побудителя расхода, измерительное устройство, состоящее из измерительного генератора и блока измерения изменения частоты, и блок управления, дополнительно введен второй побудитель расхода, соединенный со входом поглощающего фильтра, при этом резонатор соединен с измерительным генератором, выход которого соединен со входом блока измерения изменения частоты, а выходы блока управления соединены со входами управления побудителя расхода и блока измерения изменения частоты. Вход управления второго побудителя также соединен с соответствующим выходом блока управления.

В анализаторе предпочтительно использовать побудители расхода вентиляторного типа, что обеспечивает свободное прохождение через них газовых потоков при неработающем побудителе, причем лопасти вентиляторов выполнены из инертных материалов.

На чертеже изображена блок-схема пьезорезонансного анализатора паров и газов.

Пьезорезонансный сенсор 1 (кварцевый резонатор с сорбционным покрытием на электродах) установлен в камере 2 и подключен к измерительному генератору 3. С одной стороны камера 2 соединена с поглощающим фильтром 4, содержащим сорбент, селективный по отношению к определяемому веществу, с другой стороны - с побудителем расхода 5 вентиляторного типа с лопастями из инертного материала. Вход поглощающего фильтра 4 соединен с вторым побудителем расхода 6, конструкция которого однотипна с побудителем расхода 5. Выход измерительного генератора 3 соединен со входом блока измерения изменения частоты 7. Блок управления 8 соединен со входами управления побудителей расхода 5 и 6 и блока измерения изменения частоты 7. Стрелки на чертеже над изображением побудителей расхода 5 и 6 указывают направления движения газовых потоков при работе соответствующего побудителя расхода.

Работа анализатора происходит следующим образом. На первом этапе по команде блока управления 8 включается побудитель расхода 5. Анализируемая смесь (пары определяемого вещества в воздухе) проходит через неработающий побудитель расхода 6, поглощающий фильтр 4, камеру 2 с установленным в ней пьезорезонансным сенсором 1 и через побудитель расхода 5 выбрасывается в атмосферу. Пары определяемого вещества задерживаются поглощающим фильтром 4, и в камеру 2 с пьезорезонансным сенсором 1 поступает очищенный от определяемого вещества воздух. По команде блока управления 8 блок измерения изменения частоты 7 производит измерение частоты генератора 3, соответствующей собственной частоте пьезорезонансного сенсора 1 в отсутствии паров определяемого вещества.

На втором этапе по команде блока управления 8 выключается побудитель расхода 5 и включается побудитель расхода 6. В этом случае газовый поток (анализируемая смесь) движется через анализатор в обратном направлении: через неработающий побудитель расхода 5, камеру 2 с установленным в ней пьезорезонансным сенсором 1, поглощающий фильтр 4 и через побудитель расхода 6 выбрасываются в атмосферу. При прохождении газового потока через камеру 2 пары определяемого вещества частично сорбируются покрытием электродов пьезорезонансного сенсора 1, что приводит к изменению (в большинстве случаев - к уменьшению) его собственной частоты и, соответственно, к изменению частоты измерительного генератора 3. По команде блока управления 8 блок измерения изменения частоты 7 производит второе измерение частоты генератора 3 и вычисляет разность частот при обоих измерениях, т.е. изменение собственной частоты пьезорезонансного сенсора 1 в результате сорбции определяемого вещества.

На заключительном этапе работы анализатора блок управления 8 выключает побудитель расхода 6 и включает побудитель расхода 5. Происходят очистка (продувка) камеры 2 от остатков паров определяемого вещества и десорбция его с покрытия электродов пьезорезонансного сенсора 1. По завершении этих процессов блок управления 8 выключает побудитель расхода 5.

Макетный образец пьезорезонансного анализатора испытывался при определении содержания в атмосфере паров несимметричного диметилгидразина (НДМГ), являющегося активным компонентом жидкого топлива и сильным восстановителем. В качестве сенсора применялся открытый кварцевый резонатор (срез AT) с резонансной частотой 16.5 МГц и сорбирующим покрытием на основе комплекса поли[-М-2-бутоксикарбонилэтил]этиленимина (ПБКЭЭИ) с хлоридом меди(II) состава CuCl₂•4ПБКЭЭИ. В поглощающем фильтре применен пятиводный сульфат меди CuSO₄ • 5H₂O. Блок измерения изменения частоты 7 содержал опорный кварцевый генератор, преобразователь частот измерительного и опорного генератора (смеситель) и измеритель разностной частоты на основе реверсивного счетчика импульсов. Блок управления 8 выполнен на однокристальной микроЭВМ с внешним запоминающим устройством.

В табл. 1 приведена концентрационная характеристика анализатора паров НДМГ. Обозначения:
C_х - концентрация паров НДМГ, мг/м³;
Δf - отклик анализатора (изменение частоты измерительного генератора) при времени измерения 1 мин, Гц;
S = Δf/C_x - чувствительность анализатора, Гц (мг/м³).

Данные табл. 1 получены при изменении концентрации паров НДМГ от малых значений к большим и обратно. Практически постоянная величина чувствительности S анализатора говорит о линейности концентрационной характеристики и об отсутствии влияния предыдущей пробы.

В табл. 2 приведены дополнительные данные о влиянии предыдущей пробы на измерение концентрации паров НДМГ, равной 3 мг/м³. Условия измерения аналогичны табл. 1.

Данные табл. 2 подтверждают отсутствие влияния предыдущей пробы на результаты измерений. Испытания макета анализатора при определении содержания паров НДМГ в течение более 10 месяцев показали отсутствие коррозионных эффектов в газовом тракте.

Для более детального сопоставления с прототипом предложенного анализатора из его основных узлов (побудитель расхода, поглощающий фильтр, камера, пьезорезонансный сенсор, измерительный генератор и т.д.) был собран макет анализатора по схеме прототипа. В качестве переключателя газовых потоков был использован серийный электромагнитный газовый клапан.

В табл. 3 приведены данные, полученные при измерениях на макете прототипа, выполненных по методике табл. 2.

Величина отклика анализатора-прототипа возрастает в 1.2 раза, если предыдущая проба превышала измеряемую концентрацию в 10 раз, и в 2.7 раза, если превышение достигало 100 раз. Отмечена также значительная коррозия газового клапана, ограничивающая его срок службы 5-20 неделями (в зависимости от концентрации паров НДМГ). Погрешность, связанная с неодинаковыми скоростями газовых потоков при нулевом отсчете и при сорбции определяемого вещества, составила до 7%. Для предложенного анализатора эта погрешность практически равна нулю.

Результаты испытаний позволяют сделать вывод, что предложенный анализатор по сравнению с прототипом имеет меньшую погрешность определения, а при определении содержания агрессивных паров - больший срок службы.

Изобретение может быть использовано для контроля содержания загрязнителей атмосферы. Пьезорезонансный анализатор паров и газов включает газовый тракт, состоящий из поглощающего фильтра с сорбентом, камеры с пьезорезонансным сенсором и побудителя расхода, измерительное устройство, состоящее из измерительного генератора, блока измерения изменения частоты. Дополнительно содержит второй побудитель расхода, соединенный со входом поглощающего фильтра, при этом вход управления второго побудителя расхода соединен с соответствующим выходом блока управления. Предпочтительно установить в анализаторе побудители расхода вентиляторного типа, причем лопасти вентиляторов выполнить из инертных материалов. Устройство повышает точность измерений и имеет большой срок службы при анализе агрессивных сред. 1 з.п. ф-лы, 3 табл., 1 ил.

1. Пьезорезонансный анализатор паров и газов, содержащий газовый тракт, состоящий из последовательно соединенных поглощающего фильтра с сорбентом, камеры с установленным в ней пьезорезонансным сенсором в виде кварцевого резонатора с сорбционным покрытием на электродах и побудителя расхода, измерительное устройство, состоящее из измерительного генератора и блока измерения изменения частоты, при этом резонатор соединен с измерительным генератором, выход которого соединен со входом блока измерения изменения частоты, и блок управления, выходы которого соединены со входами управления побудителя расхода и блока измерения изменения частоты, отличающийся тем, что анализатор дополнительно содержит второй побудитель расхода, соединенный со входом поглощающего фильтра, при этом вход управления второго побудителя расхода соединен с соответствующим выходом блока управления. 2. Анализатор паров и газов по п.1, отличающийся тем, что в нем установлены побудители расхода вентиляторного типа, причем лопасти вентиляторов выполнены из инертных материалов.