Датчик газообразного сероводорода и способ его изготовления

 

Использование: для контроля токсичных газов на предприятиях нефтегазовой, химической промышленности и в других отраслях для контроля сероводорода в воздухе рабочих зон. Технический результат изобретения заключается в повышении чувствительности и селективности определения сероводорода в воздушных средах в широкой области концентраций, снижении температуры, при которой производится определение, устранении влияния влажности на показания датчика. Сущность: датчик содержит диэлектрическую подложку из боратно-висмутатного стекла, газочувствительный слой, которым является гетероструктура на основе висмутсодержащего гетерополисоединения. Также предложен способ изготовления этого датчика. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к газовому анализу, в частности к резистивным газовым датчикам для контроля токсичных газов и, может быть использовано на предприятиях нефтегазовой, химической промышленности и других для контроля сероводорода в воздухе рабочих зон.

Известен также датчик сероводорода на основе полупроводника с неравномерно нанесенной на него инертной пленкой (патент US 4387165 от 04.12.82, опублик. 06.07.83, G 01 N 27/12, G 01 N 27/16), в качестве которой может использоваться оксид индия или оксид олова. При адсорбции определяемого газового компонента изменяется проводимость слоя. К недостаткам данного устройства относится относительно высокая температура (150-300^oС), при которой проводится измерение содержания сероводорода, что повышает потребляемую датчиком мощность, усложняет прибор и ухудшает его экономические характеристики.

Известен датчик сероводорода (заявка GB 2192459 от 07.07.86, опублик. 13.01.88, МКИ G 01 N 27/12) на основе пластины Аl₂О₃. Недостатком такого устройства является необходимость использования высокой температуры (200-300^oС) для создания оптимальных условий определения сероводорода.

В качестве прототипа предлагаемого изобретения выбран датчик сероводорода (а. с. SU 1797028 А1 от 30.01.91), способ изготовления которого заключается в последовательном формировании на диэлектрической подложке чувствительного слоя на основе легированной SnO₂, формируемого путем чередующегося вакуумного напыления из двух испарителей с последующим отжигом полученной пленки сначала в токе увлажненного воздуха в течение 4 часов, а затем в токе осушенного воздуха с добавлением паров HF в течение 0,5 ч для снижения зависимости сигнала датчика от влажности анализируемой среды. Рабочая температура датчика при определении сероводорода в воздухе 155^oС. Датчику, изготовленному по описанному способу, присущ ряд недостатков: относительно высокая рабочая температура (155^oС) определения сероводорода, что повышает потребляемую датчиком мощность и уменьшает ресурс работы датчика; необходимость дополнительных операций для устранения влияния влажности анализируемой газовой смеси на показания датчика при определении Н₂S, что увеличивает время и усложняет процесс изготовления датчика; использование фтороводорода - высокотоксичного и опасного соединения.

Целью данного изобретения является повышение чувствительности и селективности определения сероводорода в воздушных средах в широкой области концентраций, снижение температуры, при которой производится определение содержания газа, устранение влияния влажности на показания датчика.

Поставленная цель достигается тем, что в датчике газообразного сероводорода (фиг. 1), состоящего из диэлектрической подложки (1), газочувствительного слоя (2) и электродов (3), в качестве чувствительного слоя используют гетероструктуру на основе висмутсодержащего гетерополисосдинсния, получаемого на подложке боратновисмутатного стекла в результате травления его поверхности в ортофосфорной кислоте и последующей модификации полученного осадка фосфата висмута 12-молибдофосфатом аммония.

Датчик газообразного сероводорода изготовлен путем последовательного формирования на диэлектрической подложке газочувствительного слоя с последующей сушкой и отжигом. Газочувствительный слой формируется в результате травления поверхности подложки в ортофосфорной кислоте в течение 10-15 мин при t= 90-105^oC с последующей модификацией полученного осадка фосфата висмута насыщенными растворами парамолибдата аммония и 12-молибденфосфорной кислоты.

Слой газочувствительного вещества представляет собой гетероструктуру, полученную в результате травления висмутсодержащего стекла в ортофосфорной кислоте с получением осадка Bi PO₄ и дальнейшей его модификации с помощью 12-молибдофосфата аммония (NН₄)₃[РМо₁₂О₄₀]. Полученную структуру сушат при 100-120^oС в течение 2 ч, а затем отжигают при 400-500^oС в течение 1 ч. Снятие аналитического сигнала производится через токоотводы (4).

Пример 1.

Датчик по данному способу изготавливают на подложке висмутсодержащего стекла (30% В₂O₃, 70% Bi₂О₃) путем травления его поверхности в Н₃РO₄ при t= 100^oC в течение 10 мин. Полученный осадок, представляющий собой фосфат висмута, обладающий высокой адгезией к поверхности матричного слоя (стекла), последовательно обрабатывают растворами парамолибдата аммония (NH₄)₆Mo₇O₂₄ и 12-молибденфосфорной кислоты Н₃[РМо₁₂О₄₀]. Образующийся осадок 12-молибдофосфата аммония равномерно распределяется в объеме слоя. Поверх сформированной гeтeроструктуры наносится электродная структура.

Необходимый уровень концентрации сероводорода в газовой фазе создают путем дозирования точного объема раствора Na₂S в раствор серной кислоты с известной концентрацией.

Измерение характеристик датчика проводят на переменном токе частотой 1 кГц с помощью иммитансометра. Аналитическим сигналом служит изменение проводимости Δσ газочувствительной гетероструктуры под действием различного содержания H₂S в газовой фазе. Сигнал, достаточный для регистрации, получен при комнатной температуре.

Характер полученной градуировочной зависимости датчика приведен на фиг. 2, в соответствии с которой диапазон линейной зависимости Δσ от концентрации H₂S составляет 0-60 мг/м³ с Sr=0,03-0,07. Время отклика датчика - 15 сек, время релаксации - 10 сек (фиг.2) при ступенчатом периодическом воздействии импульса сероводорода (фиг.3,4).

Результаты исследования показали практическую независимость сигнала датчика при определении H₂S от влажности анализируемой среды.

Таким образом, заявляемый способ позволяет изготавливать датчики сероводорода, обладающие высокой чувствительностью определения H₂S, более низкой, чем у прототипа, рабочей температурой измерения содержания Н₂S и независимостью показаний датчика от влажности анализируемой среды.

Достоверность достижения цели видна из приведенных результатов экспериментальных исследований (фиг.1-4) датчиков, изготовленных по данному способу.

Формула изобретения

1. Датчик газообразного сероводорода, состоящий из диэлектрической подложки, газочувствительного слоя и электродов, отличающийся тем, что в качестве диэлектрической подложки используется боратно-висмутатное стекло, а в качестве газочувствительного слоя используют гетероструктуру на основе висмутсодержащего гетерополисоединения.

2. Способ изготовления датчика газообразного сероводорода, заключающийся в последовательном формировании на диэлектрической подложке газочувствительного слоя с последующей сушкой и отжигом, отличающийся тем, что газочувствительный слой формируется в результате травления поверхности подложки в ортофосфорной кислоте в течение 10-15 мин при t= 90-105^oС с последующей модификацией полученного осадка фосфата висмута насыщенными растворами парамолибдата аммония и 12-молибденфосфорной кислотой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4