WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 1997, том 67, № 5 03;08;12 Термокондуктометрическое детектирование газов и газовых потоков с помощью линий задержки на поверхностных акустических волнах © В.И. Анисимкин1, С.А. Максимов2, М. Пенза3, Л. Васанелли4 1 Институт радиотехники и электроники РАН, 103907 Москва, Россия 2 Московский физико-технический институт, 141700 г. Долгопрудный, Московская область, Россия 3 Исследовательский центр электронных материалов, Бриндизи, Италия 4 Институт электронных материалов, СНИ и университет Лече, Италия (Поступило в Редакцию 21 сентября 1995 г. ) Линии задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ), не содержащие газочувствительных покрытий, применены в качестве термодатчиков для термокондуктометрической регистрации газов и газовых потоков. В линейном приближении проанализирована вынужденная конвекция 13 газов в пренебрежении их взаимодействием с окружающей средой. Детектирование H2, He, Ar, CH4, NH3, N2, O2 проведено с использованием линий задержки на кварце, LiNbO3, Bi12GeO20, Bi12SiO20 на частотах f = 21-263 МГц, при температурах T = 25-165C. Измерены зависимости ПАВ ”отклика” от концентрации газов n, скорости потока U, температурного коэффициента скорости ПАВ (ТКС) и рабочей температуры Tp.

Продемонстрирована возможность управления величиной газового ”отклика” и обеспечения селективности выбором ТКС и Tp. Пороговые концентрации газов составили 0.35 % для CH4 и 0.1 %для H2 и NH3 в азоте.

Получена линейность ”отклика” в диапазоне U = 20-200 мл/мин.

Введение Здесь L — длина пластины;, µ, Cp и — соответственно теплопроводность, динамическая вязкость, удельная теплоемкость и плотность газа. Поскольку число ПрандБлагодаря своей высокой температурной чувствительтля, стоящее в 1-й круглой скобке выражения (1), приности ПАВ устройства пригодны для температурных мерно одинаково для разных газов [5], то зависимость измерений других физических параметров, таких как величины -hf /hf от газовых постоянных может быть скорость газовых и жидкостных потоков, точка росы и представлена в линейном приближении в виде т. д. [1,2].

В настоящей работе линии задержки на ПАВ, не -hf /hf = -/-0.5(U/U)-0.5(/-µ/µ).

содержащие газочувствительных покрытий, применены (2) для измерения концентрации газов и скорости газовых Из (2) видно, что изменения плотности и вязкопотоков. Проанализированы характеристики такого спости окружающей среды при инжекции газа приводят соба детектирования и испытаны лабораторные макеты к противоположным эффектам. Кроме того, величины датчиков на инертные (He, Ar, N2) и другие (H2, СН4, -hf /hf и, следовательно, T являются положительNH3) газы.

ными (нагревание подложки) для отрицательных и U (например, при инжекции Ar в воздух и при уменьшении скорости потока), тогда как обе эти величины Теоретический анализ становятся отрицательными (охлаждение подложки) для положительных и U (например, при инжекции He ПАВ устройство, помещеннное в ламинарный газов воздух и при увеличении скорости потока).

вый поток и нагретое выше окружающей среды, может Анализ выражения (2) для газов из таблицы по отрассматриваться как плоская пластина, подключеннная к ношению к воздуху показывает, что их можно разбить постоянному тепловому источнику. Изменение темперана 3 группы: 1) H2, He, Ar, CH4, для которых модуль туры пластины T вследствие изменения теплопровод|-hf /hf | велик, член 0.5(/ - µ/µ) мал и вклад ности окружающей среды и/или скорости газового величины / в величину |-hf/hf | доминирующий;

потока U регистрируется на выходе линии задержки такие газы могут быть проидентифицированы только как изменение фазы ПАВ сигнала.

за счет эффекта теплопроводности при условии, что Анализ источников тепловых потерь [2–5] показыватестируемый и калибровочный газ (воздух) обладает ет, что величина T пропорциональна относительноодинаковой скоростью распространения (U = 0), с му изменению коэффициента вынужденной конвекции другой стороны, конвективное действие газов 1-й груп-hf /hf, который определяется выражением [4] пы отличается как друг от друга, так и от воздуха;

2) N2, NH3, N2O, NO, CO, CO2, H2O, O2, для котоhf = 0.6795(µCp/)1/3(U/Iµ)1/2. (1) рых вклады всех составляющих в | -hf /hf |, кроме 120 В.И. Анисимкин, С.А. Максимов, М. Пенза, Л. Васанелли Физические параметры газов (при 20C) Тестируемое устройство помещалось в термоизолированную камеру, обеспечивающую температурную стаГаз, кг/м3 Cp, 103Дж/кг K, 10-2Вт/м K µ, 10-7кг/м c бильность ±0.5C в течение 5 ч. Прямой контакт между подложкой и камерой исключался. Между источником Сухой воздух 1.2928 0.992 2.41 181 газа и камерой размещался измеритель скорости газовых N2 1.2505 1.038 2.43 потоков (Lab–Box 1 Dimin 1204, Omicron Technologies), NH3 0.7714 2.244 2.18 позволяющий вырьировать скорости потоков с точноAr 1.7839 0.523 1.62 стью 5 мл/мин. Подложка в камере располагалась перH2 0.08988 14.273 16.84 пендикулярно газовому потоку и подогревалась плеHe 0.1785 5.238 14.15 ночным нагревателем (100/ ) от стабилизированного N2O 1.9775 0.946 1.51 источника (10 В, 0.1 А). Изменением электрического O2 1.42896 0.909 2.44 сопротивления нагревателя под действием газов и темCH4 0.7168 2.483 3.02 пературных колебаний можно было пренебречь ввиду их NO 1.3402 0.967 2.38 малости.

CO 1.25 1.038 2.32 CO2 1.9768 0.846 1.45 144.8 При измерении скорости газовых потоков тестируеCl2 3.22 0.519 0.72 мый газ со скоростью Uт.г = 0 подавался в камеру с покоящимся воздухом (Uв = 0).

При измерении концентраций газов их подача в камеру производилась после предварительной подачи калиброU/U, малы; эти газы нельзя проидентифицировать за вочного газа (N2) и с той же скоростью(Uт.г = Uк.г). До счет -эффекта, но их ”отклик” на движение газового начала измерений подложка разогревалась до рабочей потока (конвекцию) примерно таков, как для воздуха;

температуры и размещалась в потоке N2 в ожидании 3) Cl2, для которого все члены в (2) сравнимы между полной стабилизации фазы выходного сигнала ПАВ.

собой, и величина | -hf /hf | велика; этот газ не может Фаза ПАВ измерялась прибором НР 8753 C с быть проидентифицирован за счет -эффекта и, кроме точностью ±10 %. Уровень шума составлял порядка того, его конвективный ”отклик” отличен от такового = 2(/ = 2 ppm). Рабочая температура Tp для воздуха.

контролировалась на поверхности подложки термопарой.

Проведенные выше оценки выполнены для 20C (см. таблицу) и, разумеется, будут иметь иной характер для других температур.

Измерения скорости газовых потоков При анализе пренебрегалось каким-либо химическим взаимодействием тестируемого газа с окружающей среРезультаты измерений, представленные на рис. 2 и 3, дой, которое может привести к образованию новых демонстрируют зависимость ”отклика” ПАВ от скорости газообразных веществ. В этом случае выражение (2) потока U и теплопроводности тестируемого газа. Для должно быть применено к каждому из этих веществ в газов со значениями, близкими воздуху (N2, O2, сухой отдельности, а тестируемый газ может быть продетеквоздух), калибровочные кривые на рис. 2 близки друг тирован через их термокондукционное действие. Так, в другу. Для Ar, чья теплопроводность меньше, ”отклик”– наших экспериментах (см. ниже) при детектировании 0.1 %-ного NH3 в азоте ПАВ ”отклик” достигал заметной величины, тогда как, согласно (2), это невозможно даже для 100 %-ного NH3. Объяснение результата может быть связано со взаимодействием аммиака с водяными парами окружающей среды и образованием газов, дающий термокондукционный эффект заметной величины.

Экспериментальная методика Измерения проводились при температурах 20-165C, атмосферном давлении и частотах f = 21-263 МГц.

Использовались обычные линии задержки на ПАВ с подложками из AT, X-SiO2, YZ- и 128Y, X-LiNbO3. (001), 110 -Bi12GeO20Bi12SiO20 и пленочными нагревателями (рис. 1). Типичные размеры устройств 0.5 8 10 мм, Рис. 1. Термокондуктометрический газочувствительный элетестируемые газы — H2, He, Ar, CH4, NH3, N2, O2, N2, мент на ПАВ. 1 — встречно-штыревые преобразователи, сухой воздух, концентрации газов 0.1-100 %, скорости 2 — пьезоэлектрическая подложка, 3 — пленочный нагревапотоков 20-200 мл/мин.

тель, 4 — алюминиевые электроды.

Журнал технической физики, 1997, том 67, № Термокондуктометрическое детектирование газов и газовых потоков... Измерения концентрации газов Эксперименты показали, что чувствительность термокондуктометрических детекторов газов на ПАВ зависит от различия в теплопроводности калибровочного к.г и тестируемого т.г газов () (рис. 6), материала и/или кристаллографического среза подложки (через ТКС) (рис. 7), рабочей температуры Tp и концентрации газа n (рис. 8). Для всех рассмотренных нами случаев она не зависит от скорости подачи газов при условии, что тестируемый и калибровочный газы подаются в камеру с одинаковой скоростью.

В отличие от термокондуктометрических датчиков обычного типа [6,7] устройства на ПАВ позволяют увеличивать, уменьшать, занулять или менять знак ”отРис. 2. Зависимость ПАВ ”отклика” / от скорости клика”, т. е. управлять его величиной и знаком за счет газового потока U. Подложка — 128 YX-LiNBO3, Tp = 120C;

дополнительного параметра ТКС. Это же свойство дает • —N2, — сухой воздух, —O2, —Ar.

возможность чисто акустическим путем обеспечить для некоторых газов селективность одного из них по отноРис. 3. Временные характеристики ”отклика” ПАВ на дей ствие потоков различных газов. Подложка — 128 YX-LiNbO3, Tp = 120C; 1 —N2, 2 —N2, 3 —Ar, 4 —Ar; U, мл/мин:

1 — 210, 2 — 115, 3 — 160, 4 — 70.

Рис. 4. Температурная зависимость ”отклика” ПАВ на действие потока сухого воздуха. Подложка — 128 YX-LiNbO3, U = 50 мл/мин.

ПАВ существенно отличается: он отрицателен для малых и положителен для больших U. Различие между величиной ”отклика” для Ar и других газов не зависит от скорости их подачи U, что видно из параллельности всех кривых на рис. 2.

С другой стороны, форма ПАВ ”отклика” для Ar от U зависит (рис. 3). Для U < 100 мл/мин конвекционное охлаждение подложки (2-й член в выражении (2)) меньше ее нагрева за счет уменьшения теплопроводности окружающего воздуха при введении Ar (1-й член в (2)).

Поэтому при малых скоростях U температура подложки увеличивается, ”отклик” имеет отрицательный знак (рис. 3). При U > 150 мл/мин конвекционная составляющая становится доминирующей, подложка охлаждается и ПАВ ”отклик” меняет знак на положительный.

”Отклик” ПАВ для всех рассмотренных газов линеен в Рис. 5. Зависимость ”отклика” ПАВ от скорости потока диапазоне скоростей U = 20-200 мл/мин. Его величина кислорода для различных материалов подложек (Tp = 120C).

растет с ростом рабочей температуры Tp (рис. 4) и 1 — (001), 110 -Bi12SiO20, 2 — YZ-LiNbO3, 3 — величины ТКС (рис. 5).

YX-LiNbO3, 4 — ST -SiO2.

Журнал технической физики, 1997, том 67, № 122 В.И. Анисимкин, С.А. Максимов, М. Пенза, Л. Васанелли обеспечивая ненулевые значения ТКС и ПАВ ”отклика”.

Температурная зависимость селективности для данного примера представлена на рис. 10.

Выводы Экспериментальные результаты настоящей работы демонстрируют возможность регистрации газов за счет их теплопроводности с помощью линий задержки на ПАВ, не содержащих газочувствительных покрытий. Как и для обычных термокондуктометрических датчиков, сигнал акустического элемента определяется изменением теплопроводности газовой смеси, поэтому применение Рис. 6. Зависимость ”отклика” ПАВ / и изменения датчика ограничено только анализом бинарных смесей температуры подложки T от различия между теплопроводностью калибровочного (к.г) и тестируемого (т.г) газов. заранее известных газов. Однако ”отклик” ПАВ элемента Подложка — 128 YX-LiNbO3, Tp = 120C; калибровочный может дополнительно управляться величиной и знаком газ — 100 %-ный N2, тестируемые газы: 1 — 100 %-ный Ar, ТКС, обеспечивая большую гибкость при формировании 2 — 100 %-ный O2, 3 — 100 %-ный He. Калибровочный выходного сигнала. В отличие от датчиков газов на ПАВ газ — 100 %-ный Ar, тестируемый газ: 4 — 100 %-ный He.

с газочувствительными покрытиями термокондуктомеСплошные линии — обработка экспериментальных данных трические элементы такого покрытия не содержат, что методом наименьших квадратов.

Рис. 7. Чувствительность калориметрического датчика на ПАВ в зависимости от температурного коэффициента скорости. Калибровочный газ — N2, U = 50 мл/мин, Tp = 120C.

1 — (001), 110 -Bi12GeO20, 2 — YZ-LiNbO3, 3 — YX-LiNbO3, 4 — AT, X-SiO2.

шению к другому. Сказанное демонстрируется рис. 9, на котором селективность He (He > 0, THe < 0) по отношению к Ar ( 0) превышает 55 раз. Для используемой здесь подложки ТКС является линейной функцией температуры с нулевым значением ТКС при T = 174.1C. Поэтому появление Ar в воздухе при температуре Tp = 174.1C-TAr приведет к нагреву подложки на величину TAr, т. е. сделает рабочую темпеРис. 8. Концентрационные зависимости ”отклика” терратуру равной 174.1C и, следовательно, занулит ТКС и мокондуктометрического датчика на ПАВ. Подложка — ”отклик” ПАВ. С другой стороны, введение в камеру 128 XY -LiNbO3, Tp = 120C, калибровочный газ — N2, He при той же Tp приведет к охлаждению подложки, Uт.г = Uк.г = 50 мл/мин.

Журнал технической физики, 1997, том 67, № Термокондуктометрическое детектирование газов и газовых потоков... Рис. 9. Изменение ПАВ ”откликов” в зависимости от рабочей температуры Tp (подложка — AT, X-SiO2). а —Ar, Tp =102.9C;

б —He, Tp =102.9C; в —Ar, Tp =163.4C; г —He, Tp =163.4C.

и высокочувствительных температурных микродатчиков на ПАВ [1]. К недостаткам ПАВ элементов можно отнести также необходимость обеспечения одинаковой скорости введения газовых потоков для калибровочного и тестируемого газов, однако этот недостаток для обычных термокондуктометрических датчиков уже преодолен [6].

Список литературы [1] Hoummady M., Hauden D. // Sensors and Actuators. 1994.

Vol. A44. P. 177-182.

[2] Joshi S.G. // Sensors and Actuators. 1994. Vol. A44.

P. 191-197.

[3] Rebiere D., Dejous C., Pistre J. et al. // Sensors and Actuators.

1994. Vol. A41–42. P. 384–388.

[4] Joshi S.G. // IEEE Trans. on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. 1991. Vol. 38. P. 148–154.

[5] Основы теплопередачи в авиационной и ракетной космической технике / Под ред. В.К. Кошкина. М.: МашиностроРис. 10. Температурная зависимость отношения ”откликов” ение, 1975. 623 с.

ПАВ на He и Ar для примера, приведенного на рис. 9.

[6] Walsh P.T., Jones T.A. // Sensors / Ed. by W. Gopel, H. Hesse, J.N. Zemel. New York; Basel; Cambridge, 1991. Vol. 2.

Chemical and Biochemical Sensors. Pt 1. P. 529–570.

[7] Symons E.A. // Gas Sensors / Ed. by G. Sberveglieri. Dorrecht;

упрощает проблему их воспроизводимости и старения.

Boston; London: Kluwer Acad. Publishers, 1992. P. 169–185.

Pages:     || 2 |



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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.