Способ селективного определения концентраций вредных примесей в газах и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к газовому анализу и может быть применено для решения экологических задач. Изобретение представляет собой способ определения концентраций примесей и анализатор. Способ включает использование полупроводникового датчика, содержащего селективный чувствительный слой. Анализатор, содержащий камеру с датчиком, имеющим чувствительный слой, снабжен дополнительной камерой с датчиком. Каждая из камер выполнена в виде легкосъемного сменного блока. В одной из камер использован датчик для определения концентраций примесей газов окислителей, имеющий чувствительный слой на основе In₂O₃ , модифицированный добавками по меньшей мере одного из окислов α-Fe₂O₃, γ-Fe₂O₃, Ga₂O₃, Sm₂O₃. В другой камере использован датчик для измерения концентраций примесей газов восстановителей, имеющий чувствительный слой на основе In₂O₃, модифицированный добавками Ga₂O₃ и Аu, концентрация добавок 0,5-3,0 мол.%. Температура эксплуатации датчика 200-350^oС. Технический результат - увеличение числа измеряемых примесей в газах и повышение чувствительности и селективности определения. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано для селективного определения содержания вредных примесей в различных газовых смесях в космической, медицинской, горнорудной и других отраслях промышленности, для решения экологических проблем, в промышленной технологии, а также в сельском хозяйстве.

Известен способ определения содержания O₃ и NO₂ в газах и датчик для определения указанных примесей (1). Датчик содержит чувствительный слой на основе In₂O₃ с добавками MoO₃ на керамической подложке. При подаче O₃ или NO₂ изменяется проводимость чувствительного слоя датчика пропорционально концентрации газов, сорбируемых на поверхности чувствительного слоя. Однако указанный датчик не является селективным по отношению к анализируемым, а также к другим газам окислителям, например к хлору. Кроме того, чувствительность датчика является недостаточной. При концентрации озона 100 ppb проводимость чувствительного слоя изменяется в 3,7 раза.

Известен способ определения и датчик для определения содержания водорода в газах (2). Датчик содержит керамическую подложку, на которую нанесены нагреватель, металлические контакты для измерения проводимости и чувствительный слой на основе In₂O₃. При подаче водорода изменяется проводимость чувствительного слоя датчика в результате сорбции водорода чувствительным слоем. Однако указанный датчик не является селективным по отношению к водороду и при попадании в смесь других восстановительных газов также изменяет свою проводимость. Кроме того, поскольку датчик работает при температуре 100^oC, он требует периодической регенерации.

Наиболее близкими по технической сущности к настоящему изобретению является способ анализа газа и анализатор состава газа (3). Способ включает использование датчика, содержащего чувствительный слой, и измерение проводимости датчика в присутствии анализируемого газа. Анализатор содержит корпус, каналы для ввода и вывода газов, полупроводниковый датчик, помещенный в отдельную камеру, содержащий непроводящую подложку с нанесенными на нее нагревателем, контактами для измерения проводимости и чувствительным слоем, на основе In₂O₃, который модифицирован добавками CuO в количестве 1 - 10 вес.%. Однако указанные способ и анализатор позволяют селективно определить только концентрацию одного соединения - водорода, поскольку полупроводниковый датчик является стационарным и чувствительным только к водороду. При этом селективность достигается за счет использования полимерной диффузной мембраны, что усложняет конструкцию.

Техническим результатом изобретения является увеличение числа измеряемых вредных примесей в газах и повышение селективности и чувствительности определения.

Технический результат достигается за счет того, что в способе селективного определения концентраций вредных примесей в газах, включающем использование полупроводникового датчика, содержащего чувствительный слой, измерение проводимости полупроводникового датчика в присутствии анализируемых газов и определение концентраций искомых примесей, используют дополнительный датчик с чувствительным слоем, причем указанные датчики размещают в сменных блоках, а для определения концентраций газов окислителей - O₃, NO₂, Cl_t2 используют сменный блок с датчиком, имеющий чувствительный слой на основе In₂O₃, модифицированный добавками, по меньшей мере, одного из окислов α- Fe₂O₃, γ- Fe₂O₃, Gd₂O₃, Sm₂O₃, для определения концентраций газов восстановителей - H₂, CH₄, CO, используют сменный блок с датчиком, имеющим чувствительный слой на основе In₂O₃, модифицированный добавками Ga₂O₃ и Au, при этом концентрацию добавок выбирают равной 0,5 - 3,0 мол.% и измерение проводимости датчиков проводят при температуре 200 - 350^oC.

Технический результат достигается за счет того, что анализатор селективного определения концентраций вредных примесей в газах, включающий корпус с каналами для ввода и вывода газов и камеру, с полупроводниковым датчиком, имеющим чувствительный слой, снабжен дополнительной камерой с датчиком, имеющим чувствительный слой, каждая из камер выполнена в виде легкосъемного сменного блока, поочередно соединяемого с корпусом, причем в одной из камер использован датчик для определения концентраций газов окислителей -O₃, NO₂, Cl₂, имеющий чувствительный слой на основе In₂O₃, модифицированный добавками, по меньшей мере, одного из окислов α- Fe₂O₃, γ- Fe₂O₃, Gd₂O₃, Sm₂O₃, а в другой камере использован датчик для определения концентраций газов восстановителей - H₂, CH₄, CO, имеющий чувствительный слой на основе In₂O₃, модифицированный добавками Ga₂O₃ и Au, причем концентрация добавок равна 0,5 - 3,0 мол.%.

Селективное определение вредных примесей основано на использовании полупроводникового датчика, содержащего чувствительный слой на основе оксида индия. Для определения примесей различных по своей химической природе газов предусмотрено использование датчиков, чувствительный слой которых модифицирован различными добавками, позволяющими осуществить хемосорбцию определяемых примесей посредством модифицированного чувствительного слоя. Это позволяет в ходе одного эксперимента определить концентрации таких различных по своей химической природе газов, как газы окислители - озон, двуокись азота, хлор и газы восстановители - водород метан, окись углерода. Все перечисленные газы являются вредными примесями, часто техногенное происхождение и в значительной степени трудно идентифицируются. Часто необходимо в ходе одного анализа квалифицировать превышение предельно допустимых концентраций вредных, примесей, что может однозначно реализовано в рамках предложенного способа посредством использования датчика, селективного по отношению к вышеперечисленным примесям и работающего при указанных температурах. Определение концентраций искомых примесей может быть проведено посредством использования калибровочных зависимостей, построенных по характеристикам проводимости для эталонных образцов. Концентрация легирующей добавки позволяет оптимизировать процесс хемосорбции определяемых примесей чувствительным слоем.

На фиг. 1 представлена съема анализатора, который содержит корпус 1, канал 2, ввода газов, отдельную камеру 3, канал 4 вывода газов. На фиг. 2 представлена схема части отдельной камеры 3, где показаны канал 4 вывода газа, датчик 5, контакты 6 для измерения проводимости, ручка 7.

Анализатор работает следующим образом. В корпус 1 через канал 2 ввода поступают анализируемые газы, которые поступают через канал 4 в отдельную камеру 3, где размещен полупроводниковый датчик 5. Для анализа примесей газов окислителей чувствительный слой датчика 5 выполнен на основе In₂O₃ и модифицирован добавками по меньшей мере одного из окислов α- Fe₂O₃, γ- Fe₂O₃, Gd₂O₃, Sm₂O₃ с концентрацией добавок 0,5 - 3,0 мол.%. В результате хемосорбции чувствительным слоем датчика 5 определяемых примесей изменяется проводимость датчика 5. Измеряется относительная проводимость датчика 5 посредством контактов 6 при температуре 200 - 350^oC. По полученным данным с привлечением калибровочных характеристик рассчитывают концентрации примесей газов окислителей. С помощью ручки 7 отдельная камера 3 с датчиком 5, выполненная в виде легкосъемного сменного блока, заменяется на другую отдельную камеру 3¹, также выполненную в виде легкосъемного сменного блока, но содержащую датчик 5¹, чувствительный слой которого выполнен на основе In₂O₃ и модифицирован добавками Ga₂O₃ и Au с концентрацией добавок 0,5 - 3,0 мол.% Посредством контактов 6 при температуре 200 - 350^oC измеряют относительную проводимость датчиков 5 и 5¹. По полученным данным с привлечением калибровочных характеристик рассчитывают концентрации анализируемых примесей газов восстановителей.

Пример. Для селективного определения примесей газов окислителей - озона, двуокиси азота, хлора - проводят измерение характеристик проводимости полупроводникового датчика 5, чувствительный слой которого выполнен на основе In₂O₃ и модифицирован добавками, по меньшей мере, одного из окислов α- Fe₂O₃, γ- Fe₂O₃, Gd₂O₃, Sm₂O₃. Концентрация добавок 0,5 - 3,0 мол.%. Рабочая температура измерений 200 - 350^oC. Результаты измерений с привлечением калибровочных данных позволяют определить концентрации искомых примесей газов окислителей. Для селективного определения примесей газов восстановителей - водорода, метана, окиси углерода - проводят измерение характеристик проводимости полупроводникового датчика 5¹, чувтвительный слой которого выполнен на основе In₂O₃ и модифицирован добавками Ga₂O₃ и Au. Концентрация добавок 0,5 - 3,0 мол.%. Рабочая температура измерений 200 - 350^oC. Результаты измерений с привлечением калибровочных данных позволяют определить концентрации искомых примесей газов восстановителей.

Из полученных данных следует, что в зависимости от легирующей добавки и температуры измерения датчики 5 и 5¹ имеют выраженную селективность по определяемым примесям. Таким образом, использование датчика 5, содержащего чувствительный слой на основе In₂O₃, модифицированного добавками, по меньшей мере, одного из окислов α- Fe₂O₃, γ- Fe₂O₃, Gd₂O₃, Sm₂O₃ для измерения концентраций газов-окислителей и датчика 5¹ с добавками Ga₂O₃ и Au для измерения концентраций восстановительных газов с концентрацией добавок 0,5 - 3,0 мол. % обоих датчиков 5 и 5¹ позволяет увеличить число определяемых примесей и повысить селективность и чувствительность определения.

Изготовление измерительной отдельной камеры 3 с датчиком 5 в виде легкосъемного сменного блока и использование датчика, предназначенного для однозначной идентификации примесей, позволяет быстро производить замену ее на другую отдельную камеру 3¹ с датчиком 5¹ и увеличить число измеряемых примесей в газах с помощью одного анализатора с одновременным повышением чувствительности и селективности измерений.

Таким образом предложенный способ, в котором предусмотрено использование анализатора, чувствительный слой которого позволяет проводить избирательное определение примесей, и предложенная конструкция анализатора, в котором предусмотрено использование отдельной камеры, выполненной в виде легкосъемного сменного блока, каждая из которых содержит полупроводниковый датчик, предназначенный для избирательного определения примесей, позволяет увеличить число измеряемых вредных примесей, повысить селективность и чувствительность определения и тем самым решить поставленную задачу.

Источники информации 1. A.Gurlo, M.Ivanoskaya, N.Barsan, U.Welmar, W.Gopel. In₂O₃ and In₂O₃ - MoO thin film semiconductor sensors for O₃ and NO₂ detection. EUROSENSORS XI, The 11^th Europan Conference jn solid state tranducters, Warsawa, Poland, 1997.

2. Патент Великобритании 1526751, 1978.

3. Патент РФ 2124718, 1999.

Формула изобретения

1. Способ селективного определения концентраций вредных примесей в газах, включающий использование полупроводникового датчика, содержащего чувствительный слой, измерение проводимости полупроводникового датчика в присутствии анализируемых газов и определение концентрации искомых примесей, отличающийся тем, что используют дополнительный датчик с чувствительным слоем, причем указанные датчики размещают в сменных блоках, а для определения концентраций газов окислителей - O₃, NO₂, Cl₂ используют сменный блок с датчиком, имеющим чувствительный слой на основе In₂O₃, модифицированный добавками по меньшей мере одного из окислов α-Fe₂O₃, γ-Fe₂O₃, Gd₂O₃, Sm₂O₃, для определения концентраций газов восстановителей - H₂, CH₄, Cl₂ используют сменный блок с датчиком, имеющим чувствительный слой на основе In₂O₃, модифицированный добавками Ga₂O₃ и Au, при этом концентрацию добавок выбирают 0,5 - 3,0 мол.% и измерение проводимости датчиков проводят при 200 - 350^oC.

2. Анализатор селективного определения концентраций вредных примесей в газах, включающий корпус с каналами для ввода и вывода газов и камеру с полупроводниковым датчиком, имеющим чувствительный слой, отличающийся тем, что анализатор снабжен дополнительной камерой с датчиком, имеющим чувствительный слой, каждая из камер выполнена в виде легкосъемного сменного блока, поочередно соединяемого с корпусом, причем в одной из камер использован датчик для определения концентраций газов окислителей - O₃, NO₂, Cl₂, имеющий чувствительный слой на основе In₂O₃, модифицированный добавками по меньшей мере одного из окислов α-Fe₂O₃, γ-Fe₂O₃, Gd₂O₃, Sm₂O₃, а в другой камере использован датчик для определения концентраций газов восстановителей - H₂, CH₄, CO, имеющий чувствительный слой на основе In₂O₃, модифицированный добавками Ga₂O₃ и Au, причем концентрация добавок равна 0,5 - 3,0 мол.%.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2