ДАТЧИК ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ Российский патент 2009 года по МПК G01N27/12 

Изобретение относится к технике газового анализа и может быть использовано, например, для определения содержания бензола, гексана, циклогексанона, циклогексанола в области рабочей зоны для контроля лабораторных загрязнений.

Известны термокаталитические, оксидно-полупроводниковые, полупроводниковые и электрохимические сенсоры на основе полимерных материалов, имеющие высокую чувствительность к измеряемым веществам [1]. Термокаталитические и оксидно-полупроводниковые сенсоры имеют низкую селективность и требуют дополнительной энергии для нагрева чувствительного слоя. Сенсоры амперометрического типа нуждаются в подогреве рабочего слоя обычно до 600°С и при 24 или 5-12 вольтах и токе 0.4-2 А соответственно потребляют до 1000 мВт [1, 2].

Высокая температура, необходимая для работы их анализаторов, является существенным недостатком их эксплутационных характеристик.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является датчик для измерения влажности газов, включающий пьезокварцевую пластину с полимерной пленкой на основе капрона [3]. Это датчики влажности газов, содержащие чувствительный элемент, выполненный в виде кварцевой пластины с электродами, покрытыми слоем вязкого вещества, полученного из 1-10% раствора капрона в муравьиной кислоте [3-6]. Данный сорбент используется для фиксирования наличия водяных паров в области рабочей зоны. Измеряемой величиной является отношение ΔR/φ (где φ - влажность) Ом на % относительной влажности [3-6]. Он не обладает необходимой чувствительностью к парам указанных выше легколетучих растворителей.

В датчике применяются кварцевые резонаторы (КР) среза ДТ (xyl/-52) с соотношением ширины к длине l_m/l_o=0,38÷0,41 (l_о=1,559·10^-2 м, l_m=6,18·10^-3 м, толщина KP l_d=3,8·10^-4÷6,5·10^-4 м, плотность кварца ρ=2650 кг/м³, при толщине металлизированных электродов Δh≈2·10^-4 м). При таком срезе пьезоэлемент имеет колебания сдвига по контуру.

Целью изобретения является повышение селективной чувствительности датчика на основе кварцевого резонатора к присутствию паров органических растворителей (таблица 1) при помощи тонкого жидкокристаллического (ЖК) покрытия, находящегося в определенном фазовом состоянии, и уменьшение энергопотребления, свойственного амперометрическим датчикам.

Предложенный датчик состоит из жидкокристаллического сорбента, нанесенного (из 5% раствора хлороформа) на поверхность электродов пьезоэлектрической пластинки кварцевого резонатора слоем в 30·10^-6 м, тем самым образуя сенсорное устройство.

В качестве селективного сорбента взяты 4 полиморфных ЖК соединения: 4-н-амилфенилового эфира 4′-н-гексилокси-фенилциклогексан-2-карбоновой кислоты, (I); 4-н-амилфенилового эфира 4′-н-гептилокси-фенилциклогексан-2-карбоновой кислоты, (II); 4-н-амилфенилового эфира 4′-н-октилокси-фенилциклогексан-2-карбоновой кислоты, (III); 4-н-амилфенилового эфира 4′-н-нонилокси-фенилциклогексан-2-карбоновой кислоты, (IV); (фиг.1). Для предложенных сорбентов характерно несколько видов мезофаз при соответствующих температурах (ниже температуры кипения воды, таблица 2).

Мера диссипации колебательной энергии кварцевого резонатора (KP) с пленкой сорбента является величиной, определяющей взаимодействие ЖК пленки сорбента с парами органических растворителей, и зависит от их концентрации в области рабочей зоны.

Датчик включается на резонансной частоте в цепь автогенератора, в котором с помощью пьезоэлектрического эффекта мера диссипации колебательной энергии системы KP - сорбент преобразуется в изменение электрического сигнала переменного тока, удобного как для усиления узкополосным резонансным усилителем, так и для последующего измерения. Наличие паров органических растворителей в области рабочей зоны определяет изменение электрического сигнала переменного тока от датчика, фиксируемое по регистрирующему прибору (например, стрелочному амперметру). Пьезокварцевая пластина может иметь резонансную частоту в пределах 0,05-3 МГц. На Фиг.2 показан пример конструкции пьезоэлектрического сенсорного датчика лабораторных загрязнений.

Датчик (Фиг.2) состоит из пьезопластины 1, металлических электродов 2 и сенсорного слоя 3, подогрев ячейки 4 не более чем до 70°С.

При подведении к электродам 2 высокочастотного напряжения резонансной частоты пьезокварцевая пластина 1 возбуждается и совершает механические колебания, которые передаются сенсорному веществу.

Для электрической цепи сенсорный датчик представляет собой эквивалентное сопротивление, величина которого будет изменяться при увеличении или уменьшении внутреннего трения сенсорного вещества в результате взаимодействия ЖК-пленки сорбента с парами органических растворителей.

Использование пьезокварцевой пластины позволяет обойтись без модулирующих устройств и источников стабилизированного постоянного напряжения, а также без сложных электрических усилителей.

Для численного представления чувствительности датчика к различной концентрации паров растворителей используется формула (1) относительного изменения сопротивления, где R₀ или R - значение сопротивления или потерь электрического сигнала, проходящего через колебательную систему чистого КР; R_Т - текущее значение сопротивления или потерь электрического сигнала, проходящего через колебательную систему КР - пленка в среде с определенной концентрацией паров легколетучих соединений; ΔR - разность R₀-R_T.

В таблице 3 приведены значения концентрации паров растворителей для диаграмм на Фиг.3-6. В таблице 4 приведены значения минимальной чувствительности (на единицу потерь) датчика к определенной концентрации паров растворителей. Для различных фаз сенсорного ЖК покрытия датчика существует значение максимальной концентрации паров растворителей, при которой измерения перестают быть достоверными (табл.5).

Пример. Жидкокристаллическое соединение I (таблица 2, Фиг.1) наносят на поверхность КР (Фиг.2). В присутствии паров одного из растворителей (таблица 1) датчик имеет следующий отклик (Фиг.3 и таблица 6). При этом его чувствительность к парам исследованных растворителей указана в таблице 4. Максимальный различимый уровень концентрации приведен в таблице 4. Для соединений II-IV измерения проводятся аналогично, значения характеристик чувствительности приведены в тех же таблицах (4-6) и на Фиг.3-6. В предлагаемом нами датчике на основе КР были решены следующие технические задачи:

- датчик имеет достаточное быстродействие ~1 с;

- датчик малогабаритен ~1-2 см;

- датчик рассеивает при измерении мощность ~1 нВт;

- имеет чувствительность ~10 мг/м³.

ЛИТЕРАТУРА

1. Каталог продукции фирмы Figaro (wwvv.figarosensor.com).

2. Савченко В.Е. Устройство для измерения влажности газов, а.с. 131926. Бюл. 1960. №18.

3. Савченко В.Е. Устройство для измерения относительной влажности газов А.c. 168501. Бюл. 1965. №4.

4. Савченко В.Е. Грибова Л.К. Способ изготовления пьезокварцевого датчика влажности газов, патент №2035731. Бюл. 1995. №14.

5. Савченко В.Е. Датчик влажности газов, а.с. 230464. Бюл. 1968. №34.

6. Виглеб Г. Датчики. Устройство и применение. М.: 1989. С.196.

Таблица 1
Таблица названий легко летучих соединений № Название аналита Р насыщенных паров, мм рт.ст. 1a Циклогексанол 1,2 2а Циклогексанон 4,4 3а Гексан 120 4а Бензол 78,4 Таблица 2
Температуры фазовых переходов соединений IV-VII № Cr Т_фп S_m Т_фп N Т_фп I I • 39.3°С • 54.2°С • 66.1°с • II • 34.8°С • 61.8°С • 64.7°С • III • 43.9°С • 63.3°С • 65.3°С • IV • 55.1°С • - - 66.1°С •

Таблица 3
Таблица содержания паров летучих соединений в исследуемой области Название аналита Концентрация кг/м³ Расчетная масса паров в ячейке кг Р насыщенных паров, мм рт. ст. Циклогексанон 2,47·10^-5 1,37·10^-8 4,4 Гексан 1,61·10^-2 8,94·10^-6 120 Бензол 6,25·10^-3 3,46·10^-6 78,4 Циклогексанол 1,78·10^-6 1·10^-9 1,2

Таблица 4
Максимальная концентрация (кг/м³) работы датчика с пленкой ЖК в различных фазах соединения I II III IV растворители Sm N I Sm N I Sm N I Sm I Циклогек-нол 4·10^-5 5,6·10^-5 5·10^-5 8,5·10^-5 4,·10^-5 4,4·10^-5 0,0003 4,6·10^-5 5,4·10^-5 0,00025 0,00036 Циклогек-нон 0,028 0,036 0,03 0,085 0,027 0,029 0,094 0,024 0,026 0,052 0,033 гексан 0,026 0,012 0,01 0,019 0,011 0,012 0,034 0,01 0,009 0,016 0,011 бензол 1·10^-5 3,5·10^-6 3·10^-6 6·10^-6 3·10^-6 3·10^-6 1,5·10^-5 3·10^-6 3·10^-6 4·10^-6 3·10^-6

Таблица 5
Минимальная чувствительность датчика к концентрации, кг/м³ соединения I II III IV растворители Sm N I Sm N I Sm N I Sm I Циклогек-нол 6,5·10^-5 9·10^-9 8,3·10^-9 1,5·10^-8 7·10^-9 7,4·10^-9 4,7·10^-8 7,7·10^-9 9·10^-9 4,2·10^-8 6·10^-8 Циклогек-нон 4,6·10^-6 6·10^-6 4,9·10^-6 1,4·10^-5 4,5·10^-6 4,8·10^-6 1,6·10^-5 4·10^-6 4,6·10^-6 8,7·10^-6 5,5·10^-6 гексан 4,4·10^-6 2·10^-6 1,7·10^-6 3·10^-6 1,9·10^-6 1,9·10^-6 5,8·10^-6 1,7·10^-6 1,5·10^-6 2,7·10^-6 1,8·10^-6 бензол 1,7·10^-9 6·10^-10 5·10^-10 1·10^-9 5·10^-10 5·10^-10 2,5·10^-9 4,7·10^-10 5,4·10^-10 6·10^-10 5·10^-10 Таблица 6
Относительное изменение энергетических потерь (ΔR/R), возникающее присутствием паров различных соединений   Sm N I   Sm N I   Sm N I   Sm I I 8,34 6,43 6,97 II 4,05 6,10 7,17 III 3,79 7,87 8,03 IV 3,88 3,07 1а+II 7,83 6,53 7,50 1а+II 4,68 7,52 7,15 1a+III 2,82 6,91 6,18 1a+IV 2,72 2,51 2а+II 4,38 7,17 8,17 2а+II 4,09 8,53 8,09 2а+III 3,69 8,61 8,11 2a+/V 4,26 5,62 3а+II 3,73 7,17 8,00 3а+II 5,08 7,23 6,97 3а+III 3,83 8,32 9,00 За+IV 4,81 6,21

Изобретение может быть использовано для определения содержания бензола, гексана, циклогексанона, циклогексанола в области рабочей зоны для контроля лабораторных загрязнений. Датчик для определения лабораторных загрязнений выполнен на основе кварцевого резонатора с мезогенным полиморфным покрытием, находящимся в жидкокристаллическом состоянии. В качестве покрытия кварцевого резонатора используется: 4-н-амилфенилового эфира 4'-н-гексилокси-фенилциклогексан-2-карбоновой кислоты; 4-н-амилфенилового эфира 4'-н-гептилокси-фенилциклогексан-2-карбоновой кислоты; 4-н-амилфенилового эфира 4'-н-октилокси-фенилциклогексан-2-карбоновой кислоты; 4-н-амилфенилового эфира 4'-н-нонилокси-фенилциклогексан-2-карбоновой кислоты. Изобретение обеспечивает повышение селективной чувствительности датчика на основе кварцевого резонатора к присутствию паров органических растворителей и уменьшение энергопотребления. 6 табл., 6 ил.

Датчик на основе кварцевого резонатора для определения загрязнений в рабочей зоне, отличающийся тем, что для расширения области чувствительности к парам органических соединений использовано мезогенное полиморфное покрытие кварцевого резонатора, находящееся в жидкокристаллическом состоянии, где в качестве покрытия кварцевого резонатора используются 4-н-амилфенилового эфира 4'-н-гексилокси-фенилциклогексан-2-карбоновой кислоты; 4-н-амилфенилового эфира 4'-н-гептилокси-фенилциклогексан-2-карбоновой кислоты; 4-н-амилфенилового эфира 4'-н-октилокеи-фенилциклогексан-2-карбоновой кислоты; 4-н-амилфенилового эфира 4'-н-нонилокси-фенилциклогексан-2-карбоновой кислоты.