WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 ||

Измерения в динамическом режиме напуска на ПАВ сенсорном элементе без чувствительного покрытия. Поток газов создавался мембранным насосом и контролировался блоком регулятора расхода газов (РРГ). Блок РРГ калибруется отдельно для каждого газа, однако калибровки по фреону для него нет, поэтому для обеспечения адекватных воздушных потоков применялся метод вытеснения фреона воздухом. В качестве буферной ёмкости использовалась вакуумная пипетка объёмом 1.4 литра, обычно применяемая в гидрометеорологии для отбора проб воздуха, представляющая собой стеклянную ёмкость с двумя вакуумными кранами. Схема измерения представлена на рис. 7. Скорость воздушного потока в ячейке контролировалось ротаметром РМ 0.063ГУЗ, включённым последовательно с ячейкой.

Буферная ёмкость наполнялась фреоном в необходимой концентрации. Затем воздушный поток коммутировался через буферную ёмкость, фреон из неё вытеснялся и проходил через термостат и ячейку с ПАВ сенсором. Особенностью данного метода является малое размывание переднего и большое размывание заднего фронтов концентрации фреона в воздухе.

Температура стабилизации газового потока, подаваемого в ячейку, составляла 20°С. Стабилизация осуществлялась с помощью жидкостного термостата UTU-.7 Уровень долговременных шумов в динамическом режиме напуска составил ± 12 Гц, что практически не отличается от измерений в статическом режиме, а уровень кратковременных шумов составил ± 3 Гц, что меньше таких же шумов в статическом режиме. Получение зависимости изменения частоты от объёмной концентрации фреона в воздушном потоке производилось ступенчатым понижением концентрации фреона в буферной ёмкости (рис.8).

На кинетических кривых изменения ПАВ частоты во время напуска фреоно-воздушных смесей наблюдаются резкий рост частоты в моменты попадания фреона на поверхность кварца и более медленный выход частоты на стационарное значение, соответствующий концентрации фреона в воздухе (рис. 8). Поскольку в течеискании важна такая характеристика сенсорного датчика, как время срабатывания, в качестве возможного аналитического сигнала были рассмотрены две величины: разность между стационарной частотой в чистом воздушном потоке и частотой в релаксационном максимуме и величина первой производной этого изменения частоты (Гц/с). Первая зависимость (рис. 9а) хорошо аппроксимируется линейной функцией с коэффициентом корреляции – 0.999. Вторая зависимость (рис. 9б) описывается параболой с коэффициентом корреляции – 0.9999. В принципе, для целей течеискания с помощью микропроцессорной обработки и перевода в цифровой сигнал по-видимому, могут быть использованы как первая, так и вторая зависимости. Однако расчет первой производной позволяет быстрее выделить аналитический сигнал, поэтому эта характеристика предпочтительнее.

Рис. 9а.

Рис. 9б.

Для создания адекватной течи была собрана следующая установка: над сенсорным элементом жёстко закреплялся микрошприц, имеющий капилляр диаметром 0.2 мм, из которого удалялся шток. Расстояние от капилляра до поверхности кварца составляло 1 мм, и контролировалось по микрометру. В этот шприц вводился второй, в который предварительно набирался фреон. Объём шприцов составлял 10 мкл.

Порядок эксперимента: перед измерениями снималась долговременная и кратковременная стабильность. После этого на ячейку делалось несколько напусков воздуха. Частота ПАВ сенсора непрерывно контролировалась и записывалась в журнал. После проведений несколько напусков воздуха проводились напуски фреона. Однако здесь добавлялось одно действие: после напуска закреплённый шприц промывался воздухом.

При напуске воздуха на кривой изменения ПАВ частоты наблюдается кратковременный скачок с последующим спадом, что объясняется влиянием динамического давления на ПАВ сенсорный элемент (рис. 10а). При напуске фреона такого скачка нет (рис. 10б), что объясняется наложением двух фактов, приводящим к компенсации влияния динамического давления и влияния фреона на частоту ПАВ сенсорного элемента. При вычитании второй кривой из первой, моделирующей работу дифференциальной схемы с двумя ПАВ сенсорными элементами, на один из которых подаётся чистый воздух, а на второй – воздух, содержащий фреон, наблюдается экстремум, связанный с выделением вклада, вносимого фреоном в аналитический отклик (рис. 10в). Уровень сигнала составляет 10 Гц, в то время как уровень шума – 4 Гц, что даёт соотношение сигнал/шум 1/2,5. Это вполне соответствует современным требованиям, предъявляемым к ПАВ элементам. Для проверки воспроизводимости эксперимент повторили 4 раза. Из графика видно, что время срабатывания составило с учетом постоянной времени измерений менее 2 сек.

Отсюда можно сделать вывод, что для дальнейшего повышения чувствительности ПАВ сенсора в качестве датчика течеискателя фреона-134а необходимо применение дифференциальной схемы измерений.

Для проведения лабораторных испытаний была изготовлена дифференциальная ячейка следующей конструкции (Рис. 11). Два сенсорных элемента в конструкции линии задержки были помещены в корпус. Высокочастотные выходы с каждой линии задержки были соединены через диодно-кольцевой смеситель частот, результирующая разностная частота контролировалась частотомером. На дифференциальной ячейке были проведены такие же измерения на имитации течи, как и на одинарной ячейке. Результаты показали, что порог срабатывания датчика течеискателя на ПАВ в конструкции двойной линии задержки ниже, чем у датчика в конструкции одинарной линии задержки. Были проведены сравнительные испытания с промышленным течесикателем Mastercool 55100 ионизационного типа. В результате испытания выяснилось, что чувствительность макета течесискателя как минимум на порядок выше, чем у промышленного течеискателя Mastercool.

В заключение приведены данные по чувствительности дифференциального ПАВ-элемента в потоке фреона-134а, полученные на «Течи», любезно предоставленной нам специалистами ВГУП НИИ Вакуумной техники им.С.А.Векшинского (рис. 12).

Как видно из приведенных данных для течи около 3.5 г/год, что соответствует расчетному значению 0.025 мкл/с, наблюдается многократно воспроизводимый отклик около 350 Гц в течение 2 секунд с последующей релаксацией дифференциальной ПАВ-частоты до исходного значения, соответствующего чистому воздуху. Этот факт указывает на то, что, во-первых, действительная чувствительность ПАВ-элемента в конструкции двойной линии задержки значительно превосходит те величины, которые указаны нами для условий моделирования течи с помощью микрошприцев, а во-вторых, на то, что исходя из полученного соотношения сигнал/шум 17,5/1, ПАВ-сенсорный датчик имеет значительный резерв по чувствительности и поэтому твердотельный ПАВ-сенсорный датчик в конструкции дифференциальной схемы выделения аналитического сигнала может быть рассмотрен в качестве перспективного датчика течеискателя фреона-134а в воздух.

ВЫВОДЫ

  1. Проведены исследования по влиянию газов основных приоритетных загрязнителей атмосферного воздуха (ОПЗАВ – аммиака, сероводорода, диоксида серы, монооксида углерода) на ПАВ-частоту элемента в конструкции линии задержки с чувствительными покрытиями на основе тонких пленок функциональных полимеров двух классов с ионносвязанным катионом бриллиантового зеленого: полидиметилсилоксана (ПДМС) и сополимера полиалкилметакрилата со стиролсульфонатом (ПАМА–СС).
  2. Разработана методика измерений сенсорных характеристик сенсоров на ПАВ с чувствительными покрытиями, которая позволила выделить вклад в аналитический сигнал, обусловленный только хемосорбцией газов ОПЗАВ на катионах бриллиантового зеленого.
  3. По данным, полученным из проведенных измерений были построены изотермы сорбции газов ОПЗАВ и рассчитаны основные газоадсорбционные (константа равновесия) и газодиффузионные (коэффициент диффузии) характеристики чувствительных материалов сенсоров при сорбции в них газов ОПЗАВ. Установлено, что в области малых концентраций газов в воздухе изотермы описываются линейными функциями (изотермы Генри), а в области относительно больших концентраций изотермы описываются изотермой Ленгмюра, что характерно для процессов хемосорбции.
  4. Различие в газоадсорбционных свойствах полимерных материалов по отношению к различным газам ОПЗАВ, стало теоретическим основанием для возможности молекулярного распознавания газов ОПЗАВ с помощью мультисенсорной системы, состоящей из нескольких ПАВ сенсоров с различными чувствительными покрытиями. Установлена соразмерность откликов ПАВ сенсоров с различными чувствительными покрытиями по отношению к трем ОПЗАВ в мультисенсорной системе, что явилось теоретическим обоснованием возможности количественного анализа с помощью мультисенсорной системы.
  5. В результате проведёненных исследований по влиянию 12 низкомолекулярных газов и бинарных (псевдобинарных на основе воздуха) смесей в вакууме на ПАВ-частоту элемента в конструкции линии задержки без чувствительного покрытия найдено, что для ряда углеводородных газов метан, этан, пропан, бутан величина сенсорной чувствительности коррелирует с физическими параметрами газов с высокими коэффициентами корреляции.
  6. Установлено, что зависимости изменения ПАВ частоты от давления газов и бинарных и псевдобинарных с участием воздуха газовых смесей в вакууме описываются линейными функциями, что соответствует теории газовой нагрузки на ПАВ и свидетельствует о том, что основной механизм рассеяния энергии акустической волны Рэлея связан с рассеянием этой энергии в газовой фазе.
  7. Фазовые диаграммы метан-воздух, пропан-воздух и фреон-134а-воздух в координатах [величина ПАВ-сенсорной чувствительности, Гц/Па] – [физический параметр смеси] описываются линейными функциями, что указывает на то, что эти газы ведут себя как смеси идеальных газов, что является основанием для применения ПАВ датчика в качестве анализатора количественного состава этих смесей.
  8. Найдено, что величина релаксационного броска и первой производной релаксационного броска может быть использована в качестве аналитического сигнала в датчике течеискателя на ПАВ.
  9. Установлено, что наибольшая чувствительность датчика течеискателя на ПАВ достигается в режиме вычитания значений аналитического отклика, из чего был сделан вывод о необходимости двойной линии задержки.
  10. Создан лабораторный образец течеискателя на фреон-134а, проведены его лабораторные испытания. На основании испытания и конструкции создан промышленный образец.

Список публикаций

  1. Сажин С.Г., Соборовер Э.И., Бессонов С.Г. Разработка сенсорного датчика фреона-134а для автоматизации контроля утечек на технологическом оборудовании // Труды НГТУ Химическая и пищевая промышленность: современные задачи техники, технологии, автоматизации, экономики. Том.45. Нижний Новгород. 2004. С. 177 – 180.
  2. Соборовер Э.И., Зяблов В.Л., Бессонов С.Г. Элемент на поверхностно-акустических волнах без чувствительного покрытия как анализатор газов и газовых смесей. Ч.3. Сверхлегкие газы: водород и гелий; датчик горизонтальных углов // Датчики и системы. 2005. № 3. С.47-54.
  3. Соборовер Э.И., Бессонов С.Г., Абашкин А.Ю., Прусакова И.И. Элемент на поверхностно-акустических волнах без чувствительного покрытия как анализатор газов и газовых смесей. Ч.5. Сенсорный датчик для течеискателя фреона-134а. результаты, полученные на одинарной линии задержки // Датчики и системы. 2005. № 11. С.37-43.
  4. Соборовер Э.И., Бессонов С.Г., Абашкин А.Ю., Элемент на поверхностно-акустических волнах без чувствительного покрытия как анализатор газов и газовых смесей. Ч.6. Сенсорный датчик для течеискателя фреона-134а. результаты, полученные на двойной линии задержки // Датчики и системы. 2006. № 4. С.18-23.
  5. Бессонов С.Г., Сажин С.Г., Соборовер Э.И. Сенсор хладонов в воздухе на поверхностно-акустических волнах // Тезисы докл. III Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки» 26-27 мая 2004 г. Нижний Новгород, Нижегородский Государственный технический Университет 2004. С.355.
  6. Бессонов С.Г., Сажин С.Г., Соборовер Э.И. Сенсор фреона-134а на поверхностно-акустических волнах // Тезисы докл. IV Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки» 26-27 мая 2005 г. Нижний Новгород, Нижегородский Государственный технический Университет 2005. С.245.
  7. Сажин С.Г., Соборовер Э.И., Бессонов С.Г., Абашкин А.Ю. Разработка сенсорного датчика течеискателя на фреон-134А // 4-я Международная выставка и конференция “Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности” Тезисы конф./ 17-18 мая 2005 г. Москва. С.27.
  8. Абашкин А.Ю., Бессонов С.Г., Соборовер Э.И., Сажин С.Г. Дифференциальный сенсорный элемент на поверхностно-акустических волнах без чувствительного покрытия в качестве датчика течеискателя фреона-134А // Х1 Нижегородская сессия молодых ученых. Технические науки: Материалы докладов. Нижний Новгород: Изд-во Гладкова О.В. 2006. С.149.
  9. Бессонов С.Г., Соборовер Э.И. тонкие пленки функциональных полимеров в сенсорах на пав для атмосферного мониторинга // INTERMATIC – 2006 // Материалы Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного проборостроения», 24-28 октября 2006 г., г.Москва. – М.: МИРЭА, 2006, часть 3. С.36-39.
  10. Орлов Е.С., Бессонов С.Г., Соборовер Э.И. химический сенсор на поверхностно-акустических волнах в конструкции двойной линии задержки без чувствительного покрытия // INTERMATIC – 2006. // Материалы Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения», 24-28 октября 2006 г., г.Москва. – М.: МИРЭА, 2006, часть 2. С.126-129.
  11. Бессонов С.Г. Разработка датчика газоанализатора основных приоритетных загрязнителей окружающей среды // Материалы Всероссийской конференции аспирантов и студентов по приоритетному направлению “Рациональное природопользование” 18-22 сентября 2006 г., г.Ярославль 2006 с.28-32.
  12. Бессонов С.Г. Разработка датчика газоанализатора основных приоритетных загрязнителей окружающей среды // Тезисы докладов федеральной школы-конференции по инновационному малому предпринимательству в приоритетных направлениях науки и высоких технологий 9-13 октября 2006 г.
    Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 ||






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