Выбор режимов работы сенсоров для определения концентрации отдельных компонентов в газовой смеси СО-СН4 (Раздел дипломной работы)

7. Выбор режимов работы сенсоров для определения концентрации отдельных компонентов

 в газовой смеси СО-СН₄.

7.1. Использование различных температурных режимов нагревательного элемента для определения концентрации

СО-СН₄ в газовой смеси.

Анализ возможности использования полупроводниковых газовых сенсоров для определения концентрации СО и СН₄ в смеси СО-СН₄показывает два приемлемых варианта для практической реализации варианта.

При этом оба варианта базируются на использовании таких температурных режимов работы сенсоров (напряжений на нагревательном элементе сенсора), при которых существует область температур (напряжений на нагревательном элементе сенсора) при которых сенсор,  имея удовлетворительную чувствительность к СО, не имеет отклика на СН₄.

Первый вариант базируется на использовании одного сенсора в двух различных температурных режимах, при первом из которых определяется концентрация СО, при втором суммарная концентрация СО+СН₄.

Второй вариант заключается на применении двух различных сенсоров, один из которых предназначен для определения концентрации СО, а другой фиксирует суммарную концентрацию СО+СН₄. Отметим, что в силу более высокой чувствительности полупроводниковых сенсоров к СО по сравнению к СН₄ в настоящее время не представляется возможным создать полупроводниковый сенсор, как с точки зрения выбора каталитических элементов, так и точки зрения рабочих температурных режимов, который бы селективно определял СН₄ при наличии в газовой смеси молекул СО.

В первом варианте используется сенсор, обладающий приемлемой чувствительностью к СН₄. Как было сказано в параграфе 4.3, это сенсор с каталитическим элементом Pd-Pt. Каталитическое покрытие в этом случае имеет массовый состав 3Pd*1Pt*96SiO₂. Для компенсирования влияния влаги применяется второй газочувствительный резистор с Mn - каталитическим элементом. Напомним, что сенсор с Mn – катализатором обладает практически одинаковой  чувствительностью к влаге, что и чувствительный элемент с Pd-Pt – катализатором (рис.7.1-7.3), но не обладает чувствительностью к  СО и СН₄. Из рисунков следует, что изменение потенциала в средней точке дифференциальной пары сенсоров при варьировании относительной влажности в диапазоне 20-80% составляет 0.01В (потенциал высчитывается по формуле ), в то время, как его изменение при воздействии 100 ppm СО или 1% СН₄ составляет 0.1-0.2 В. Это свидетельствует о том, что погрешность измерений воздействия СО и СН₄ на сенсоры в исследуемом диапазоне их концентраций несущественна во всем интервале варьирования относительной влажности.

Для определения температурных режимов работы сенсора в смеси СО-СН₄ мы сначала определяем рабочее напряжение на нагревательном элементе, при котором отсутствует  чувствительность к СН₄, но имеется приемлемая чувствительность к СО (назовем это первый режим работы нагревательного элемента). В этом режиме снимаем зависимость чувствительности сенсора от концентрации СО в диапазоне 20 – 200  ppm. Далее выбираем режим работы (второй режим работы) нагревательного элемента, при котором имеем приемлемую чувствительность к СН₄. В этом втором режиме снимаем концентрационную зависимость отклика сенсора как к СО, так и к СН₄. Далее задаем подачу в рабочую камеру через газовый генератор смесей СО и СН₄ с различными концентрациями компонентов в двух режимах, в первом режиме и во втором режиме работы нагревательного элемента.  В первом режиме работы  определяем концентрацию СО в смеси СО-СН₄, а во втором режиме работы определяем отклик на сумму СО+СН₄. Используя снятые зависимости во втором режиме, и применяя методы обработки информации определяем концентрацию СО  и СН₄. Для проверки предложенной методики были проведены эксперименты с заведомо известными концентрациями СО+СН₄.

Рассмотрим подробнее все этапы определения  концентрации газов СО и СН₄.

7.1.1.  Выбор рабочего напряжения нагревательного элемента, при котором сенсор не чувствителен к СН₄.

При выборе рабочего напряжения нагревательного элемента, при котором сенсор не чувствует СН₄, используем 4 сенсора с Pd-Pt- каталитическими элементами. Измеряем отклик четырех сенсоров, поставленных в газовую камеру. В качестве информационного параметра используется величина R_o/R_г при экспонировании метана концентрацией 1%, которая является максимальной рабочей концентрацией для практического использования. По общей методике выполняются пункты до 3.3 включительно. При вводе с клавиатуры исходных данных для приготовления газовой смеси указываем концентрацию СН₄ – 1%. По команде “пуск” с клавиатуры подаем начальное напряжение 6,5 В.

-  Первые 30 минут подаем на вход газовой камеры только синтетический воздух.

-  Далее в течение 15 минут подается газовая смесь с 1% СН₄. После этого вычисляется чувствительность микросенсора. При наличии отклика производится следующая процедура.

-  Выставляем напряжение питания микросенсоров  6,3 В.  Подаем, в течение 15 минут, на вход газовой камеры синтетический воздух.

-  Далее в течение 15 минут подается газовая смесь с 1% СН₄. После этого вычисляется чувствительность микросенсора. При наличии отклика производится следующая процедура.

Далее процедура повторяется до напряжения питания 5,5 В с шагом 0,2 В.

Результат эксперимента представлен на рис.7.4. В результате эксперимента определяем, что сенсор практически не имеет чувствительности к  СН₄  концентрацией 1% уже при 5,8 В. Этот режим работы (5,8 В) выбирается для определения концентрации СО в смеси СО+СН₄. Из графика следует, что в качестве рабочего напряжения для определения концентрации СН₄ можно выбрать напряжение на нагревательном элементе  6,5 В. Значение питающих напряжений для этой группы сенсоров подбиралось исходя из значения сопротивления нагревательного элемента сенсора (Rн=20,05±2 Ом). Для сенсоров других партий питающее напряжение следует определять через мощность, подаваемую на нагревательный элемент,, и сопротивление нагревательного элемента. Для этой партии сенсоров при напряжении 5,8 В подавалась мощность 0,180мВт.

7.1.2. Определение зависимости отклика сенсора

при U_н=5,8 В от концентрации СО.

Целью эксперимента являлось определение опорной зависимости отклика сенсора на СО при рабочем напряжении нагревательного элемента Uн=5,8 В для определения его концентрации в газовой смеси СО-СН₄, имея в виду, что при этом напряжении нагревательного элемента сенсор практически не имеет чувствительности к СН₄.