Способ измерения концентрации газаС пОМОщью пОлупРОВОдНиКОВОгО чуВСТВи-ТЕльНОгО элЕМЕНТА Советский патент 1981 года по МПК G01N27/02 

ках подсоединения электродов схемы нзы&рения проводимости чувствительного элемента как в атмосфере сравнительного, так и анализируемого газа. Величина этого напряжения изменяется в процессе адсорбции газа и приводит к возникновению дополнительной погрешности при нзмереиии проводимости полунроводннкового чувствительного слоя. Цель изобретения - новышение точности измереиия концентраций исследуемого газа. Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения концептрации газа с помощью полунроводникового чувствительного элемента с двумя электродами, заключающемся в нагревании чувствительного слоя, расноложениого между электродами, путем ироиускання электрнческого тока через каждый электрод, последовательной подаче сравнительной и анализируемой среды к поверхпости чувствительного элемента, нагретой до температуры хемосорбции анализируемого газа, и измерении изменения проводимости чувствительного слоя между электродами, ио которому о концентрации анализируемого газа, ири подаче сравнительной среды к цоверхности чувствительного элемента, не изменяя температуры нагревания чувствительного слоя, регулируют токн, протекающие через каждый электрод, до получения равенства потенциалов в точках измерения ироводимости чувстпительного слоя. На фиг. 1 изображено устройство, реализующее предлагаемый способ; на фиг. 2 - эквивалентная электрическая схема устройства. Устройство содержнт металлоокисный полупроводниковый газочувствительный слой 1, контактирующие с ним нагревательные электроды 2 и 3, иодключенные к одноименным полюсам источников 4 и 5 тока нагрева, схему измереиия проводимости 6, включенную между выводами нагревательных электродов. Благодаря прохождению тока ио электродам 2 и 3 металлоокисный слой 1 разогревается до температуры, обеспечивающей наибольшую скорость хемосорбционных процессов исследуемого газа с поверхностью полупроводникового чувствительиого элемента. При коитакте исследуемого газа с иоверхностью полупроводникового газочувствительного слоя его проводимость изменяется пропорционально концентрации газа. Это фиксируется схемой измерения. Вследствие наличия двух независимых между собой источников 4 и 5 ири протекании по ним тока ироисходит взаимная компенсация возникающих в полупроводнике распределенных потенциалов. Однако из-за неоднородности проводимости иолупроводника и неоднородности контакта электродов с полупроводниковым элементом полная компенсация распределенного потенциала достигается с помощью регулировки напряжений источников тока иагрева. При этом умеиьшеиис потенциала источника 4 компенсируется соответствующим увеличением потенциала источника 5, для того чтобы суммарная моидшсть, нодводимая для нагревания чувствительного слоя до заданной температуры, оставалось неизменной. На входе схемы измерения проводимости устанавливается напряжение, равное нулю - t/Bx 0. Операция устаиовки нуля проводится в атмосфере «чистого воздуха, т. е. ирн иодаче сравнительного газа к чувствительиому элементу. Процесс комненсации распределенного иотсициала поясняется с помощью схемы устройства, нриведенной на фиг. 2. Устройство включает также сопротивления 7 и 8 нагревательных электродов, межэлектродные сопротивлепия 9 и 10 полупроводникового чувствительного слоя относительно разных выводов нагревательных электродов, источник И напряжения измерительмой цени и регистрирующее устройство 12. Подключеиие схемы измерения б между электродами, имеющими paBiibie потенциалы независимых источников 4 и 5, позволяет получить напряженне на входе схемы при отсутствии измеряемого газа равиым «пулю, благодаря тому, что за счет изменения токов, иропускаемых через оба пагревательпых электрода, меж.ау ними образуются эквипотенциальные точки 13, 14 и 15, 16. П р и м е р. Коицеитрацию газа, содержащего до 0,01 об. % окиси углерода (СО) в воздухе, измеряют с помощью полупроводникового газочувствительиого элемеита, изготовленного из окиси олова (SnO2). Первоначально в атмосфере чнстого воздуха, принятого за сравнительный газ, полупроводниковый чувствительный слой 1 разогревается электродами 2 и 3 до температуры порядка 400°С, обеспечивающей наибольшую скорость хемосорбциоииого взаимодействия анализируемого газа с поверхностью чувствительного слоя. Чувствительиый слой разогревается подключением электродов 2 и 3 к источникам 4 и 5 тока иагрева с напряжением, равным 1,0 В, при этом потребление тока по каждому нагревательному электроду составляет 0,5 А. Затем определяют суммарную электрическую мощность, затраченную на нагревание чувствительного слоя (Pv ). Измеряют падение наиряжепий между электродами, соединенными с одноименными полюсами источников 4 и 5, например, точками 15 и 16 и обеспечивают разность потенциалов, равную нулю (t/15,16 f/13, li), регулируя величины напряжений источников 4 и 5 так, чтобы суммарное количество электрической эиергии, подводимой к обоим электродам, оставалось неизменной (Pv; Const). Образуются эквипотенциальные точки 15, 16 и 13, 14 и никакие относительные изменения сопротивлеиий 9 и 10, вызванные неравномерностью адсорбции анализируемого газа на поверхности чувствительного слоя, не приводят к возникновению между ними наразитиого напряжения, которое обуславливает ногрешность измерения проводимости чувствительного слоя. Затем между эквипотенциальными точками 15 и 16 измеряют проводимость чувствительного слоя, соответствующую сравнительному газу, подключив между ними схему измерения 6. Далее в атмосфере анализируемого газа (0,01 об. % СО в воздухе) измеряют приращение проводимости чувствительного слоя, соответствующее определяемой концентрации анализируемого газа. При анализе обнаружено изменеиие сопротивления чувствительного слоя под действием адсорбции на его поверхности анализируемого таза в среднем на 50% от первоначального значения его сопротивлений в атмосфере чистого воздуха, причем изменение соиротивления 9 отличается от сопротивления 10 на 20%. Рассмотрим теперь случай, когда проводимость измеряется между точками, которые не эквипотенциальны. Потенциал в точке 15 равен 1,0 В, а в точке 16 на 10% больше и равен 1,1 В, т. е. Lls.ie 0,1 В. Под действием адсорбции анализируемого газа изменяется сопротивление 10 по сравнению с изменением сопротивления 9 иа 20%. Это вызывает изменение потенциала в точках 15 и 16 также на 20% н составит Д{У15,16 0,1-0,2 0,02В 20 мВ. Этот потенциал поступает на вход схемы измерения нроводимости, определяет погрещность измерения в зависимости от велпчины напряжения Un источника И в схеме измерения 6. Так, например, если Цц 1,0 В, погрешность измерения составляет 2%, t/ii 10 В, погрешность измерения - 0,2% t/,1 : 100 В, погрешность измерения - 0,02%. Для наиболее приемлемых значений напряжения ( - 10 В дополнительная погрешность измерення ироводимости чувствительного слоя составляет от 0,2% до 1% что снижает точность определения концентрации газа. Использование предлагаемого способа газового анализа позволяет повысить определения коицеитрации анализируемого газа, вследствие компенсации распределенного потенциала в полупроводниковом чувствительном элементе, за счет получения равных потенциалов в точках измерения проводимости чувствительиого слоя между электродами. Формула изобретения Способ измерения коицентрации газа с помощью полупроводникового чувствительпого элемента с двумя электродами, заключающийся в нагревании чувствительного слоя, расположенного между электродами, путем пропускания электрического тока через каждый электрод, последовательной подаче сравнительной и анализируемой среды к иоверхности чувствительного элемента, нагретой до температуры хемосорбции анализируемого газа, и измерении изменения проводимости чувствительного слоя между электродамп, по которому судят о концентрации аналпзнруемого газа, отличаю щ и и с я тем, что, с целью повышения точностн измерения, прн подаче сравнительной среды к поверхности чувствительного элемента, не нзменяя температуры нагревания чувствительного слоя, регулируют токи, протекающие через каждый электрод, до получения равепства потенциалов в точках измерення проводпмости чувствительного слоя. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент ФРГ Aib 2007937, кл. G GIN 27/16, опубл. 1975. 2.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2427937/25, кл. G 01N 27/12, 1976.

P-i-, / -M

AI

W/