Датчики количества и концентрации

Национальный технический университет Украины

«Киевский политехнический институт»

Факультет электроники

Кафедра микроэлектроники

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

по курсу «Основы сенсорики»

Тема:

«Датчики количества и концентрации»

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

студент гр. ДП-92

Воротягин И. С.

 

 

 

 

 

 

 

 

Киев 2012

Содержание

 

1.    Вступление;

2.    Датчики на  основе твёрдых электролитов;

3. Датчики, основанные на изменении импеданса;
4. Каталитические датчики;
5. Катарометры;
6. Парамагнитные датчики;
7. Выводы;
8. Список литературы.

 

Сенсоры количества и концентрации используются, прежде всего, для измерения влажности воздуха и анализа газового состава, измерения доли определённого газа в газовой смеси, и т. д. Такие датчики имеют широкое применение как в повседневной жизни, так и в промышленности, медицине, системах пожарной безопасности, экологии и научных исследованиях. В 2010-м году объём продаж портативных газоанализаторов на европейских рынках составил $283,9 млн. при росте рынка около 8,5%.

В зависимости от типа, конструкции и назначения, датчики концентрации могут определять само наличие искомого вещества, его абсолютную и относительную концентрации. Так, например, абсолютная влажность — это масса водяного пара в единице объёма воздуха, измеряемая в граммах на кубический метр, в то время, как относительная влажность — это отношение количества водяного пара в единице объёма воздука к максимальну количеству воды, которая может содержаться в данной единице объёма при той же температуре.

 

В датчиках концентрации газа кислород занимает особое место  в виду возможности точного и быстрого анализа этого газа. Измерители концентрации кислорода используются в химической промышленности, металлургии, сельском хозяйстве, пищевой промышленности, биологии, системах кондиционировании воздуха, контроля атмосферы в лаборатории, контроля процессов горения.

Применения  датчиков расширяется, стимулируя также  разработку новых датчиков для определения  концентрации таких газов как Cl₂, SO₂, HCl, H₂S, H₂ и т. п.

Возможна  следующая классификация датчиков газового состава:

а) электрохимические датчики на основе твёрдых электролитов;

б) электрические  датчики;

в) катарометры;

г) парамагнитные  датчики;

д) оптические датчики.

 

Датчики на основе твёрдых электролитов.

Помимо измерения  парциального давления кислорода эти  датчики, называемые потенциометрическими, используются для определения термодинамических величин и измерения активности кислорода, растворенного в металлах. Кислородный датчик является единственным измерительным устройством этого типа, который находит в настоящее время широкое промышленное применение. Кислородные датчики на основе твердых электролитов в настоящее время составляют более половины общего количества кислородных датчиков, которые поступают на западноевропейский рынок.

Датчики для анализа  других газов (SO₂, SO₃, СО₂, NO₂, Cl₂, S_X и т. д.) интенсивно разрабатываются в последнее время; некоторые из них находятся на ранних стадиях разработки.

• Физические принципы

Закон Нернста. Обычные газовые датчики на основе твердых электролитов можно схематически представить в виде концентрационного элемента (рис.3.1):

X₂(p_r), Me′/E.S./Me′′, X₂(p)

Здесь Me′ и Me′′ – два электронных проводника (предположительно химически инертные и одинаковой природы), контакты которых с твердым электролитом (E,S.) образуют электроды;

Электролит E.S – вещество, физически непроницаемое для газов и являющееся ионным проводником, содержащим ионы X^n–, X₂ – анализируемый газ (который может находиться в чистом виде, растворенным в газовой смеси, либо в равновесии с химической системой, образованной газами, жидкостями или твердыми веществами); р и p_r – парциальные давления этого газа по обе стороны электролита.

На каждом электроде  происходит реакция типа:

  

 

 

Рис. 3.1. Принципиальная схема датчика на основе твердого электролита.  

 

В идеальном случае этот элемент создает разность потенциалов, или ЭДС, E_th, между проводниками Me′ и Me′′ подчиняющуюся закону Нернста:

                                                                                            (1)

где      R – универсальная газовая постоянная (R = 8,31 Дж·моль^-1·К^-1);           

 F – постоянная Фарадея (96500 Кл);          

 n – число электронов, участвующих в реакции (1);          

 Т – абсолютная температура элемента.

Подставляя в выражение  значения постоянных, получаем:

                                                            (2)

Зная температуру Т и парциальное давление p_r вблизи электрода сравнения, можно найти неизвестное парциальное давление кислорода p из измерения величины E_th , составляющей обычно от нескольких десятков до сотен милливольт.

• Составляющие части датчика.

Твердый электролит. При выборе подходящих твердых электролитов следует руководствоваться некоторыми критериями, иногда весьма противоречивыми.

Теоретически полная электропроводность электролита не является ограничивающим фактором. Однако она должна быть достаточно высокой, чтобы полное сопротивление датчика  оставалось пренебрежимо малым по сравнению  со входным импедансом используемых измерительных приборов; предполагается, что верхний предел сопротивления электролита составляет 1 МОм. Это сопротивление зависит от природы электролита и его состава. Оно обычно уменьшается при повышении температуры или уменьшении толщины слоя электролита (тонкопленочный вариант).

Другой важной характеристикой  является величина электронной проводимости материала, которая никогда не равна  нулю. Закон Нернста применим на практике только в том случае, если электронный вклад в проводимость электролита (характеризуемый обычно числом переноса) пренебрежимо мал. Влияние электронной проводимости электролита на функционирование газового датчика описано ниже.

Твердый электролит должен также удовлетворять ряду требований неэлектрохимической природы, таких, как:

–       физико-химическая стабильность (термическая стабильность, отсутствие фазовых превращений в твердом состоянии);

–       удовлетворительные механические характеристики (в особенности, достаточная прочность);

–       совместимость с другими частями датчика по коэффициенту расширения;

–       химическая инертность по отношению к различным газам и другим контактирующим материалам.

Электрод сравнения. В качестве системы сравнения, предназначенной для того, чтобы выявить химический потенциал окисленных и восстановленных частиц, может использоваться газ (чистый, с инертным разбавителем или получаемый в результате разложения твердой фазы), смесь газов или смесь твердых веществ. Примерами могут служить:

–       газовая смесь известного состава (O₂,воздух, H₂/H₂O, CO/CO₂ и т.д.);

–       газ, образующийся в результате разложения твердого вещества, например (MgSO₄(тв.) = MgO(тв.) + SO₃

–       система металл/металлическое соединение (Cu/Cu₂O,Ni/NiO, Ag/AgCl);

–       электрод сравнения, основанный на использовании ионов, растворенных в электролите. Наиболее известным примером может служить электрод Ag/Ag⁺, в котором активность ионов серебра фиксируется путем растворения сульфата серебра в сульфате калия.

Система сравнения выбирается таким образом, чтобы поддерживать равновесные с точки зрения термодинамики условия использования; она должна быть малочувствительной к возможным отклонениям условий. В этом отношении системы Fe/FeO или Cu/Cu₂O превосходят по своим характеристикам систему Ni/NiO.

В случае кислородных  датчиков использование воздуха в качестве системы сравнения имеет ряд преимуществ. Кислород при высоких температурах ведет себя практически как идеальный газ, и состав воздуха (20,95% O₂ по объему) не зависит от температуры элемента, если в нем поддерживается хотя бы слабая циркуляция воздуха. Однако давление кислорода, содержащегося в воздухе, в некоторых случаях может оказаться слишком высоким для обеспечения нормального функционирования датчика. Кроме того, необходимость контакта с окружающим воздухом иногда делает затруднительным измерение непосредственно в рабочем объеме. В этих случаях приходится использовать соответствующую систему сравнения металл/оксид металла, как в случае датчиков с внутренним электродом сравнения.

Измерительный электрод. Проводник Me, из которого изготавливается измерительный электрод, должен обладать заметной электронной проводимостью. Он должен быть химически стойким по отношению к электролиту и анализируемому газу. Кроме того, выбранный материал должен обладать хорошим каталитическими свойствами по отношению к электродной реакции (1); это важно для достижения высокой чувствительности и приемлемой постоянной времени запаздывания.

Обычно используются измерительные электроды из платины, иногда – из серебра. Их изготавливают  путем осаждения пленок, вакуумного испарения или катодного распыления. Для изготовления электродов галогенных датчиков применяют графит, стеклоуглерод или диоксид рутения.

• Характеристики датчиков

Метрологические характеристики. Хотя рассматриваемые здесь метрологические характеристики относятся к кислородным датчикам, их можно легко перенести и на другие твердо-электролитные датчики.

Датчики на основе твердых  электролитов являются активными датчиками  газового состава; необходимо только контролировать температуру датчика при его  установке в ответвление линии.

Сигнал датчика обычно сильно зависит от анализируемого газа (главным образом, в высокотемпературных  условиях). Закон Нернста, на основе которого работают эти датчики, является не эмпирическим законом, а теоретическим. Если давление сравнения р_r известно точно, то какой-либо градуировки не требуется.

Выходное напряжение датчика имеет порядок нескольких сотен милливольт. Точность измерений  довольно высокая (±0,1 мВ), и датчик можно использовать непосредственно в системах автоматического контроля. ЭДС датчика изменяется пропорционально логарифму давления анализируемого газа. Погрешность в измерении этой ЭДС приводит к ошибке в измеряемом давлении, не зависящей от этого давления.

Время установления t показаний датчиков зависит от каталитических свойств вещества электрода и электролита. состава газа, температуры и иногда от геометрии элемента. Постоянная времени (t_r, 5%) кислородных датчиков имеет порядок секунд, если парциальное давление кислорода в газе превышает 1 Па: для смесей CO/CO₂ и H₂O/H составляет несколько минут, если давление кислорода ниже 0,1 Па. При вакуумировании время установления получается значительно ниже, чем когда такое же парциальное давление кислорода устанавливается путем разбавления в инертном газе.

ЭДС элемента изменяется линейно с температурой, поэтому последнюю необходимо поддерживать постоянной и измерять с достаточной точностью (± 1 °С).

Технологические характеристики. Поскольку импеданс датчиков при обычных температурах использования довольно высок, часто приходится производить измерение с помощью милливольтметра с высоким входным импедансом (10¹⁰ ÷ 10¹² Ом).

Твердые электролиты  чувствительны к термическим  ударам. Миниатюризация датчика позволяет  смягчить этот недостаток. Используемые обычно твердые электролиты обнаруживают заметную проводимость только при высокой температуре; температура функционирования большинства датчиков превышает +500 °C. Из-за реакций окисления, происходящих при этой температуре, количественный анализ кислорода невозможен в присутствии газов-восстановителей. Тем не менее, кислородные датчики используют для контроля за работой двигателей внутреннего сгорания, хотя выхлопные газы и не являются равновесными. Этим условиям отвечает более сложное эмпирическое соотношение между ЭДС источника и составом выхлопных газов, позволяющее произвести необходимую регулировку двигателя.

Тот же самый кислородный  датчик может быть использован без  внесения каких-либо модификаций для  анализа кислорода, растворенного  в инертном газе или находящегося в вакуумированном сосуде (10^–2 Па <  p(O₂) < 10⁵ Па), а также анализа газовых смесей СО/СО₂ или Н₂/Н₂О (10^–22 Па < p(O₂) < 10^–6 Па). Кроме того, для анализа смесей Н₂/Н₂O можно использовать галогенный датчик.

В случае газовых равновесии CO₂ /CO или Н₂О/Н₂ результат измерений парциальных давлений не зависит от степени разбавления анализируемой смеси в инертном газе. Это свойство может быть использовано для анализа смесей Н₂О/Н₂: разбавление смеси аргоном исключает конденсацию на холодных участках установки.

Анализ погрешностей. Погрешности, вызванные неточностью измерения различных экспериментальных параметров. Ошибка в 0,1 мВ при измерении ЭДС датчика соответствует погрешности в парциальном давлении кислорода около 0,5%.