Датчик для изменения концентрации газов Советский патент 1984 года по МПК G01N29/00 

о ел

X)

11 Пгобретение относится к неразруша ющему контролю и может быть использо вано для газового анализа и контроля концентрации различных газов по скорости распространения ультразвуковых волн. Известен датчик для измерения кон центрации водорода, содержащий подложку, входной и выходной преобразователи поверхностных акустических волн и пленку, чувствительную к водороду ij . Недостатком данного датчика является его температурная нестабильност вследствие значительного влияния изм нений температуры на скорость распро странения поверхностных акустических волн (ПАВ), Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемо му результату является датчик для из менения концентрации газов, содержащий подложку, излучатели и приемники поверхностной акустической волны, об разующие измерительные и компенсирующие тракты, и газочувствительные пленки, расположенные между излучателями и приемниками измерительных трактов 2J . Однако известный датчик имеет ограниченные точность и чувствительность измерений из-за незначительной длины газочувствительной пленки, влияния друг на друга .измерительного и компенсирующего трактов, различия условий распространения поверхностных акустических волн вследствие температурных и механических градиентов в подложке. Цель изобретения - повьшгение чувствительности и точности датчика при одновременном снижении его габаритов Указанная цель достигается тем, что в датчике для измерения концентрации газов, содержащем подложку, излучатели и приемники поверхностной акустической волны, образующие измерительные и компенсирующие тракты, и газочувствительные пленки, располо женные между излучателями и приемниками измерительных трактов, рабочая поверхность подложки выполнена в виде идентичных прямоугольных гребенча тых структур, на которых размещены газочувствительные пленки. На фиг, 1 представлен вариант датчика для измерения двух компонентов газов одним датчиком; на фиг.2 3то же, с удлиненным трактом распространения ПАВ, Позициями на фиг, 1 приведены схемы возбуждения ПАВ на основе; б преобразования объемных волн в ПАВ системой пазов; в - возбуждения изгибной моды прямоугольной гребенчатой структуры с помощью пьезопреобразователя, закрепленного на боковой стенке гребня; г - возбуждения ПАВ краевым преобразователем; д - возбуждения с помощью встречно-штыревых преобразователей (ВШП) ПАВ с использованием для подложки из непьезоэлектрического материала пьезоэлектрической пленки. Позициями на фиг. 2 обозначены варианты размещений газочувствительной пленки: б - только на верхнкно поверхность гребенчатой структуры; в - на верхнюю и боковые поверхности гребенчатой структуры; г-на верхнюю и всю боковую поверхности гребенчатой структуры при нанесении вязких и жидких пленок. Датчик ,для измерения концентрации газов содержит подложку 1, на поверхности которой путем ее локальной деформации выполнены гребенчатые структуры 2-5, прямоугольные в поперечном сечении, на каждой из которых размещены соответствующие входные 6-9 и выходные 10-13 преобразователи ЦАВ, На поверхность гребенчатой структуры 3 между входным 7 и выходным 11 преобразователями, ПАВ нанесена пленка 14 вещества, избирательно чувствительного к одной из измеряемых компонент газов. Аналогичным образом на поверхность гребенчатой структуры 5 нанесена пленка 15, избирательно чувствительная к другой компоненте. Гребенчатая структура 2, предст вляющая собой с соответствующими преобразователями 6 и 10 компенсирующий тракт, наряду с гребенчатой структурой 3, покрытой газопоглощающей пленкой 14 и представляющей собой вместе с преобразователями 7 и 11 измерительный тракт, образуют пару компенсирующий-измерительный тракты, предназначенную для измерения концентрации одной из компонент газа. Аналогично пара компенсирующий-измерительный тракты на соответствующих гребенчатых структурах 4 и 5 используется для измерения концентрации другой компоненты газа. Путем включения каждого из

трактов в цепь обратной связи соответствующих усилителей 16-19 образованы ПАВ-генераторы. Выходные сигналы генераторов каждой из пар измерительныйкомпенсирующий тракты подаются на соответствутощие смесители 20 и 21, выходы которых подключены к фильтрам 22 и 23 нижних частот (ФНЧ).

Датчик для измерения концентрации газов работает следующим образом,

Возбужденные входными преобразователями 6-9 ПАВ канализируются соответствующими гребенчатыми структурами 2-5 и затем принимаются соответствующими выходными преобразователями 10-13. При наличии в составе газа, подаваемого к поверхности подложки с вьтолненными на ней гребенчатыми структурами, компоненты, к которой селективно чувствительна газопоглощающая пленка, нанесенная на поверхность гребенчатой структуры одного из измерительных трактов, например пленка 14 на поверхности гpeбeнчatoй структуры 3, происходит адсорбция анализируемой компоненты на пленке 14 что приводит к изменению как плотности, так и упругих свойств пленки 14. Эти изменения, в свою очередь, приводят к изменению скорости канализируемых гребенчатых структур 3 измерительного тракта ПАВ. Изменение скорости канализируемых гребенчатой структурой ПАВ контролируется либо как изменение фазового сдвига ПАВ на выходе соответствующего траклибо как изменение частоты

та,

при условии, что соответствующая гребенчатая структура включена в качестве частотозадающего элемента обратной связи в контур ПАВ-генератора.

Использование датчика в частном включении является предпочтительным вследствие высокой чувствительности, простоты и совместимости с цифровыми системами обработки. В этом случае в течение времени адсорбции изменение скорости канализируемых гребнем ПАВ приводит к изменению частоты ПАВ-генератора с начальной частоты до некоторой установившейся величины. Разность частоты между ПАВ-генераторами на компенсирующем 2 и измерительном 3 гребнях контролируется путем смешивания их вьщодных сигналов в смесителе 20 и выделения разностной частоты с помощью ФНЧ 22.

Измерение концентрации другой компоненты газовой смеси производится аналогично с помощью размещенной на подло жке 1 другой пары измерительныйкомпенсирующий тракты на гребенчатых структурах 4-5, в которой поверхность гребенчатой структуры 5 покрыта пленкой, избирательно чувствительной к другой анализируемой компоненте газа.

Таким образом, применение датчика для измерения концентрации газов позволяет значительно повысить чувствительность и точность измерений при небольших его габарита, что связано с исключением эффектов уширения пучка ПАВ и перекрытия ПАВ в измерительных и компенсирующих трактах, устранением температурных и механических градиентов за счет выполнения одной стороны подложки в виде идентичньпс прямоугольных гребенчатых структур. / 10 3 11 t 13

О

LiZ.i

ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВ, содержащий подложку, излучатели и приемники поверхностной акустической волны, образующие измерительные и компенсирующие тракты, и газочувствительные пленки, расположенные между излучателями и приемниками измерительных трактов, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и точности датчика при одновременном снижении . его габаритов, рабочая поверхность подложки выполнена в виде идентичных прямоугольных гребенчатых структур, на которых размещены га очувствительные пленки. СО с