Датчик газоанализатора Советский патент 1985 года по МПК G01N27/02 

/ / 1 Изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано при измерении концентрации газа с помощью полупроводниковых чувствительных элементов (ЧЭ). Известно устройство для анализа газа с использованием полупроницаемой мембраны, содержащее камеру с мембраной, разделяющей потоки анализируемого газа и газаносителя. Анализируемый компонент газовой смеси диффундирует через мембрану и, смещиваясь с потоком газа-носителя, подается в камеру ЧЭ. Данное устройство за счет селективной проницаемости мембраны позволяет избирательно анализировать требуемые компоненты газовой смеси 1. Недостатком такого устройства является то, что результат измерения существенно зависит от коэффициента разбавления, который, в свою очередь зависит от расхода газаносителя и разности парциальных давлений газа по обе стороны мембраны. Это требует поддерживания в процессе измерений значения данных параметров на постоянном уровне. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является датчик газоанализатора, содержащий камеру, одна из стенок которой выполнена в виде селективно проницаемой для анализируемого компонента мембраны, и полупроводниковый чувствительный элемент, размещенный в камере 2. Применение фильтра с избирательной проницаемостью к заданному компоненту позволяет обеспечить высокую селективность такого детектора. Однако при этом он обладает больщой инерционностью, так как процесс проникновения анализируемого компонента через мембрану к ЧЭ носит диффузионный характер и согласно законам диффузии Фика скорость его определяется величиной градиента концентрации. В начальный период времени после помещения детектора в анализируемую среду градиент максимален, однако по мере проникновения анализируемого компонента через фильтр в камеру ЧЭ он уменьшается и потребуется значительный период времени для достижения динамического равновесия, при котором мож но произвести измерение выходного параметра ЧЭ. Кроме того, такой детектор обладает ограниченным диапазоном измеряемых концентраций. Целью изобретения является повыщение быстродействия и расширение пределов измерений датчиков газоанализатора. Поставленная цель достигается тем, что в датчике газоанализатора, содержащем камеру, одна из стенок которой выполнена в виде селективно проницаемой для анализируемого компонента мембраной, и полупроводниковый чувствительный элемент, размещенный в камере, в последней на стенке. 11 3 противоположной стенке с мембраной, помещен сорбент, поглощающий анализируемый компонент, а чувствительный элемент закреплен в камере на направляющей втулке с возможностью перемещения по ней между сорбентом и мембраной. Наличие в камере с ЧЭ сорбента позволяет определить концентрацию анализируемого компонента в контролируемой среде по величине его концентрации в выбранной точке камеры, где создается поток анализируемого компонента и устанавливается стационарное поле его концентраций. Повышение быстродействия достигается за счет того, что для установления поля концентраций при наличии сорбента требуется меньшее время, чем для установления полного динамического равновесия между концентрациями в контролируемой среде и в камере в случае отсутствия в ней сорбента. За счет того, что в камере создается поле концентраций и ЧЭ имеют возможность перемещаться в нем, стало возможным расширение диапазона измеряемых концентраций. На чертеже изображено предлагаемое устройство. В камере 1, имеющей стенку, выполненную в виде селективно проницаемой для анализируемого компонента мембраны 2, -расположен полупроводниковый ЧЭ 3, имеющий возможность перемещаться по направляющей втулке 4 в направлении между мембраной 2 и слоем сорбента 5, который помещен на противоположной к мембране стенке камеры. Устройство работает следующим образом. При появлении в контролируемой среде анализируемого компонента начинается его диффузия сквозь селективную мембрану 2 в камеру 1 с ЧЭЗ. По истечении определенного периода времени в камере устанавливается стационарное поле концентраций, которое при стабильности температуры и диффузионных характеристик мембраны определяется только концентрацией анализируемого компонента в контролируемой среде. Непосредственно за мембраной ко щентрация максимальна, а по мере приближения к сорбенту убывает. За счет этого путем перемещения ЧЭ в направлении от мембраны к сорбенту обеспечивается расширение пределов измерений предлагаемого датчика. В качестве примера экспериментально исследуют предлагаемый датчик газоанализатора с оксинометаллическим (49-50% ZnO -f 50-51 % SnO) полупроводниковым ЧЭ, палладиевой мембраной и гидридом типа FeTiHj, в качестве сорбента. При помещении датчика в среду, содержащую 1% по объему водорода, проводимость ЧЭ увеличивается и достигает своего стабильного значения за 20-25 мин.

Технические преимущества предлагаемого изобретения заключаются в том, что в результате помещения в камеру с ЧЭ сорбента в ней создается постоянное во времени поле концентраций, зависящее от измеряемой концентрации анализируемого компонента. В случае использования датчика без сорбента в камере с ЧЭ поле концентрации также существляется, однако оно не постоянно во времени, так как с течением времени концентрации компонента в камере постоянно нарастает, а градиент концентрации уменьшается. Измерение концентрации в этом случае можно произвести только после установления равновесия между концентрацией анализируемого компонента в контролируемой среде и в камере с ЧЭ. Для этого

необходим значительно больщий период времени, чем для установления стационарного поля концентраций при наличии сорбента. Кроме того, возможность перемещения ЧЭ в уотановивщемся в камере стационарном поле концентраций дает возможность расширить предел измерений датчика.

В результате использования предлагаемого изобретения возможно повышение быстродействия газоанализаторов с полупроводниковыми ЧЭ в 2-3 раза, а также расширение предела измеряемых концентраций, что позволяет обеспечить быстрое и надежное измерение контролируемого компонента, что особенно важно для обнаружения и измерения концентрации взрывоопасных и токсичных газов.

ДАТЧИК ГАЗОАНАЛИЗАТОРА, содержащий камеру, одна из стенок которой выполнена в виде селективно проницаемой для анализируемого компонента мембраны, и полупроводниковый чувствительный элемент, размещенный в камере, отличающийся тем, что, с целью повыщения быстродействия и расширения пределов измерений, в камере на стенке, противоположной стенке с мембраной, помещен сорбент, поглощающий анализируемый компонент, а чувствительный элемент закреплен в камере на направляющей втулке с возможностью перемещения по ней между сорбентом и мембраной.