WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |
  • Зависимости изменения от давления газов, полученные в вакууме в интервале давлений до 1 атмосферы 12 индивидуальных газов, включая воздух, которые описываются линейными функциями.
  • Функциональная зависимость величины ПАВ-сенсорной чувствительности от физических параметров углеводородных газов – метан, этан, пропан, изобутан.
  • Фазовые диаграммы для псевдобинарных смесей воздух-фреон-134а, воздух-метан, воздух-пропан, построенные в координатах: [величина ПАВ-сенсорной чувствительности, Гц/Па] – [физический параметр смеси: усредненная молекулярная масса, плотность, вязкость, процентный (объемный) состав], которые описываются линейными функциями.
  • Предложение использовать в качестве аналитического сигнала ПАВ-сенсорного датчика течеискателя фреона-134а абсолютную величину релаксационного броска ПАВ-частоты (в Гц) и первую производную величины релаксационного броска ПАВ-частоты по времени в Гц/с.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и экспериментальные задачи исследований, изложена научная новизна и практическая значимость работы, указаны положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор работ по применению элементов на ПАВ в качестве датчиков газового анализа по конструкциям, по решаемым задачам, по используемым пьезоматериалам, по материалам чувствительных покрытий. Показаны проблемы, возникающие при разработке таких датчиков. Показаны преимущества ПАВ датчиков перед другими видами датчиков. Рассмотрены проблемы материалов чувствительных покрытий химических сенсоров. Показано отсутствие в литературе разработок ПАВ сенсоров в задачах течеискания.

Существуют две технологии применения сенсоров на ПАВ – сенсоры с чувствительным покрытием и сенсоры без чувствительного покрытия. Чувствительное покрытие используется для придания селективности сенсору за счет специфических химических взаимодействий материала чувствительного покрытия с определяемым компонентом, что позволяет изготавливать сенсоры на отдельные компоненты. Тем не менее, в литературе не описаны сенсоры, построенные на основе функциональных полимеров, которые, в отличие от традиционных химических материалов, например золь-гель технологии, имеют более высокую стабильность сенсорных характеристик за счет прочного удерживания молекул аналитических реагентов в полимерной матрице с помощью химических связей. Сенсоры без чувствительного покрытия не имеют селективности и поэтому применяются в комплексе с разделительной системой, например, с хроматографической колонкой. Тем не менее, впервые возникла идея применить такой сенсор без разделительной системы в качестве неселективного датчика течеискателя.

Во второй главе описываются результаты, полученные на ПАВ элементе с чувствительными покрытиями, и дается их обсуждение.

Образец для измерения. ПАВ-сенсорный элемент представляет собой монокристалл кварца АТ-среза размерами 14 х 8 х 0.5 мм с двумя ВШП из алюминия, один из которых является передающим, а второй - принимающим преобразователями; края кристалла нагружены абсорбционной резиной, кристалл помещается в корпус стандартной микросхемы; между корпусом и кристаллом находился тонкий слой абсорбционной резины (рис.1).

Газы: водород, гелий, оксид и диоксид углерода, аргон, кислород и азот взяты из стандартных ГОСТированных баллонов без дополнительной очистки и осушки; углеводороды: метан, этан, пропан и изобутан особой чистоты предоставлены лабораторией хроматографии НИИХимии ННГУ и имеют ТУ 6-09-2454-85. Воздух для напуска в ячейку предварительно очищался противогазным фильтром марки “М” и промышленным фильтром ФВ-1.6. Для получения зависимости ПАВ-частоты от давления воздуха использовался баллон с искусственным воздухом, приготовленным из азота (79%) и кислорода (21%).

Измерительная система, состояла из ВЧ-усилителя, разработанного в ННИПИ “КВАРЦ”, в цепь обратной связи которого включен ПАВ-элемент в конструкции линии задержки, электронно-счетного частотомера Ч3-54, блока питания ВЧ-усилителя – Б5-47 и цифрового вольтметра В7-22А, игравшего роль индикатора питающего напряжения.

Для выполнения напуска газов в динамическом режиме была собрана газовая система, показанная на рис. 2. В состав системы входит мембранный насос в качестве побудителя расхода воздуха, последовательно включенные фильтры – обеспыливающий ФВ-1.6 и фильтр противогазной коробки марки «М». Для регулирования потоков воздуха применяются электронные регуляторы расхода газов (РРГ), откалиброванные по аргону высокой чистоты. Для контроля прохождения газовых смесей через ячейку использовался ротаметр РМ-063 ГУЗ. Лабораторный воздух с помощью насоса подается в систему и проходит фильтры очистки. Для подачи микропотока ОПЗАВ в основной поток лабораторного воздуха подается газовая смесь ОПЗАВ с искусственным воздухом; скорость микропотока регулируется РРГ. Оба газовых потока смешиваются в смесителе и поступают в измерительную ячейку. Концентрация ОПЗАВ в суммарном потоке рассчитывается по известному правилу разбавления газовых потоков и, по-существу, задается скоростью микропотока ОПЗАВ. Такая система позволяет очень точно организовывать потоки газов и газовых смесей, проводить измерения в динамическом режиме.

ПАВ-частота и другие параметры элементов на ПАВ очень чувствительны к влиянию любых внешних воздействий, включая внешнее атмосферное давление. Известно соотношение, которое связывает изменение частоты ПАВ-элемента с изменениями физических параметров твердотельной области распространения ПАВ-волны, находящейся между встречно-штырьевыми преобразователями (ВШП), вызванными какими-либо внешними воздействиями на эту область:

F = + + K (1),

где m, С,,, – изменение массы, коэффициента упругости, вязкости, проводимости, диэлектрической константы области распространения ПАВ, СТ – электрическая емкость, Т – температура, К – константа. Поэтому предварительно измерили зависимость ПАВ частоты от скорости потока лабораторного воздуха. Как видно из рис. 3, всякий раз при изменении скорости потока ПАВ частота некоторое время выходит на стационарный режим. После выхода на стационарное значение ПАВ-частота сохраняет свое значение и дрейфует также как и в статическом режиме напуска воздуха. По стационарным значениям ПАВ частоты был построен график зависимости ПАВ-частоты от скорости потока воздуха, который затем был использован для корректировки результатов измерений, с целью устранить вклад изменения динамического давления. Такая методика позволила нам выделить вклад только хемосорбции молекул ОПЗАВ тонкими пленками полимеров.

Методика состояла из двух этапов: 1-й режим напуска (вспомогательный): измерение ПАВ-частоты сенсора в газовых потоках, названных модельными, т.к. они содержали искусственный воздух в основном потоке очищенного лабораторного воздуха; 2-й режим напуска (основной): измерение ПАВ-частоты сенсора в газовых потоках, содержащих искусственный воздух, в котором содержится постоянное количество одного из газов ОПЗАВ, контролируемых сенсором, в потоке лабораторного воздуха. Исходные концентрации газов ОПЗАВ в баллонах с искусственным воздухом приготавливались в статическом режиме. Концентрации ниже исходных получались динамическим смешением двух потоков: микропотока искусственного воздуха, содержащего постоянное заданное значение одного из газов ОПЗАВ и основного, постоянного во времени потока очищенного лабораторного воздуха. После напуска каждого из газов проводилась продувка образца чистым лабораторным воздухом. В качестве отклика ПАВ-сенсора использовалась величина разности двух стационарных ПАВ-частот: начальной ПАВ-частоты сенсора (F0) и стационарной ПАВ-частоты, полученной в потоке воздуха, содержащего ОПЗАВ (Fi): F = F0 Fi. Массив исходных данных для последующей математической обработки состоял из экспериментальных значений ПАВ-частоты, записанных с интервалом – одна экспериментальная точка в 20 секунд, т.е. любой 10-минутный интервал кинетической кривой изменения ПАВ-частоты содержит 30 экспериментальных значений частоты. Для построения зависимостей изменения отклика ПАВ-сенсора от концентрации газа в воздушном потоке без вычитания модельной смеси каждый 10-минутный участок кинетической кривой аппроксимировался функцией Y=X/(A+BX) (уравнение изотермы Ленгмюра) и для построения брались не экспериментальные значения частоты, а расчетные, полученные для конца 10-минутного интервала. Для построения зависимостей F от концентрации газа в воздушном потоке (C, мг/м3) использовалось 5 концентраций по каждому из газов. Для получения зависимостей изменения отклика ПАВ-сенсора от концентрации газа ОПЗАВ в воздушном потоке с учетом влияния воздуха на аналитический сигнал из кинетической кривой, полученной во 2-м режиме напуска, вычиталась кинетическая кривая, полученная в атмосфере модельной смеси в 1-м режиме напуска. Процедура вычитания заключалась в следующем: из каждого участка кинетической кривой, полученной во 2-м режиме напуска, вычитался аналогичный участок кинетической кривой, полученной в 1-м режиме напуска (модельная смесь), экстраполированный на тот же момент времени. На изотерме сорбции, полученной в прямом эксперименте без вычитания модельной смеси, ПАВ-частота снижается по мере роста концентрации ОПЗАВ в потоке воздуха. Такое снижение ПАВ-частоты характерно для чувствительных материалов, в которых происходит только физическая сорбция газов в полимерах и описывается выражением, полученным в 1984 году Вольтьеном и Cноу:

, (2)

где F-изменение частоты, Гц; k- константа 1.349 10-7 м2 с кг-1; F0- начальное значение резонансной частоты в отсутствие газовой нагрузки, Гц; h толщина пленки, м; - плотность полимера, кг м-3. Это выражение пренебрегает изменением вязко-эластических констант полимерного материала в результате сорбции газа, которое известно как эффект газового набухания полимера.

После вычитания отклика ПАВ-сенсора, полученного в потоках модельной смеси, не содержащих ОПЗАВ, получается изотерма, согласно которой ПАВ-частота возрастает с ростом концентрации ОПЗАВ в потоке лабораторного воздуха. Данный отклик соответствует выражению, полученному Вольтьеном и Сноу, в котором учитывается изменение вязко-эластических констант полимерного материала в результате сорбции газа

, (3)

где и - константы Ламэ, которые выражаются через модуль упругости (Е) и коэффициент Пуассона (). В нашем случае второй член данного соотношения превалирует над первым и соответствует физической и хемосорбции молекул газов ОПЗАВ в пленке ПДМС. Не смотря на то, что основной задачей работы была разработка химического сенсора, можно отметить еще один побочный эффект применения ПАВ сенсора. Величина m в уравнении (3) – изменение массы, позволяет использовать ПАВ сенсор в качестве микровесов, измеряющих изменение массы полимерного покрытия. Рассчитанная точность таких весов составила ±0.1 нг.

Таблица 1. Параметры линейного уравнения, описывающего изменение ПАВ-частоты от давления различных газов: (F, Гц) = Af (P, Па) + Bf

 

СО

H2S

SO2

NH3

ПАМА-01

А = 0.026

B = -13

R = 0.914

А = 0.192

B = 36

R = 0.83

А = 0.049

B = 0

R = 0.823

А = 0.055

B = 14

R = 0.715

ПАМА-02

А = 0.014

B = -24

R = 0.60

А = -0.026

B = 54

R = 0.074

А = 0.024

B = -22

R = 0.397

А = 0.077

B = 19

R = 0.166

ПАМА-03

А = 0.025

B = -7

R = 0.977

А = 0.008

B = 5

R = 0.502

А = 0.37

B = -6

R = 0.958

А = 0.325

B = -20

R = 0.926

ПДМС-01

А = 0.013

B = 40

R = 0.212

А = -0.036

B = 1

R = 0.998

А = 0.15

B = 6

R = 0.981

А = 0.441

B = -7

R = 0.994

ПДМС-02

А = 0.122

B = 1

R = 0.97

А = -0.092

B = 4

R = 0.985

А = 0.53

B = -14

R = 0.989

А = 1.05

B = -21

R = 0.899

ПДМС-03

А = -0.067

B = 3

R = 0.978

А = 0.181

B = 48

R = 0.936

А = 0.299

B = 53

R = 0.990

А = 2.23

B = -83

R =0.990

Таким образом, разработанная методика позволяет выделить аналитический сигнал ПАВ-сенсора, соответствующий физической и хемосорбции только молекул газов ОПЗАВ в пленке ПДМС на фоне сорбции молекул нормального воздушного состава, не содержащего ОПЗАВ.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»