Датчик для определения аммиака

Авторы патента:

Гусельников Артем Владимирович (RU)

Асанов Игорь Петрович (RU)

Кудашов Алексей Геннадьевич (RU)

Булушева Любовь Геннадьевна (RU)

Окотруб Александр Владимирович (RU)

G01N27/12 - твердого тела в зависимости от абсорбции текучей среды, твердого тела; в зависимости от реакции с текучей средой

Владельцы патента RU 2478942:

Закрытое акционерное общество "КАРСИ" (RU)

Изобретение может быть использовано в химической, автомобильной, холодильной, электронной промышленности, для контроля воздушной среды в промышленных помещениях, птицеводстве, в экологических задачах контроля газовой среды. Датчик согласно изобретению включает непроводящую подложку из фторида графита, полученного в результате фторирования графита, на которой расположен чувствительный слой. Чувствительный слой образован в результате обработки поверхности фторида графита парами восстановителя. В качестве восстановителя используются, например, гидразин-гидрат, гидразин, вода, перекись водорода. Восстановление рабочих параметров датчика происходит при обдуве воздухом. Изобретение позволяет изготавливать датчики с высокой временной стабильностью и малым временем отклика. 3 з.п. ф-лы, 2 пр., 4 ил.

Изобретение относится к области электроники и измерительной техники, в частности для изготовления датчиков для анализа газовой среды для определения аммиака. Предлагаемый датчик может быть использован в химической, автомобильной, холодильной, электронной промышленности, для контроля воздушной среды в промышленных помещениях и сельском хозяйстве (птицеводстве), в экологических задачах контроля газовой среды.

Известен датчик концентрации аммиака, включающий в себя электроды с нанесенным чувствительным слоем, состоящий из полианилина, содержащего модифицирующие добавки (Патент RU 2133029 C1, опубл. 10.07.1999). Недостатком данного датчика является деградация чувствительного слоя вследствие окисления, приводящая к нестабильности сигнала.

Известен датчик аммиака в воздухе (Патент RU 2170916 C1, опубл. 20.07.2001), содержащий чувствительный к аммиаку элемент на диэлектрической подложке. В качестве чувствительного элемента используется пористая матрица, пропитанная органическими полупроводниками, представляющими собой четырехкоординированные хелатные комплексы кобальта или никеля с циклическими макролигандами, обладающими системой сопряженных двойных связей. Недостатком данного датчика является сложность изготовления чувствительного элемента.

Известен наноструктурный резистивный датчик аммиака (Патент US 2005/0279987 A1, опубл. 22.12.2005), где в качестве чувствительного электрода используются однослойные углеродные нанотрубки с нанесенным полимерным слоем для увеличения чувствительности. Недостатком прибора является зависимость чувствительности датчика от строения углеродных нанотрубок, в частности от оптимальной плотности дефектов на поверхности нанотрубок, от условий окружающей атмосферы, в частности от влажности воздуха.

Наиболее близким техническим решением является датчик (J.D.Fowler, M.J.Allen, V.C.Tung, Yang Yang, R.B.Kaner, B.H.Weiller // ACS Nano, 3 (2), 301 (2009)), в котором в качестве детектора аммиака использовались графеновые слои, полученные из порошка окиси графита путем восстановления в 98% безводном гидразине. К недостаткам приведенного технического решения относятся большое время отклика сигнала и деградация чувствительного элемента. Кроме этого, для восстановления рабочих характеристик датчика аммиака требуется длительный прогрев. Причины указанных недостатков заключаются в следующем. Известно, что эффективность взаимодействия чистой поверхности графена с газом очень невелика. Наличие дефектов графена приводит к существенному повышению сенсорных свойств. С другой стороны, наличие дефектов в структуре приводит к деградации графена. Следствием этого может быть плохая воспроизводимость измерений получаемых чувствительных слоев.

Задачей изобретения является изготовление резистивного датчика на аммиак в воздушной среде с высокой временной стабильностью и малым временем отклика.

Технический результат достигается тем, что в датчике для определения аммиака, включающем непроводящую подложку, на которой расположен чувствительный слой и омические контакты, чувствительный слой формируется путем обработки фторида графита в парах восстановителя, а в качестве непроводящей подложки используется фторид графита. При этом для восстановления рабочих характеристик датчика достаточно произвести обдув воздухом.

В датчике аммиака чувствительный слой образуется путем удаления атомов фтора из поверхностного слоя подложки фторида графита посредством химического восстановления парами восстановителя. В качестве восстановителя выбран гидразин-гидрат (может использоваться гидразин, вода, перекись водорода). При химическом взаимодействии фторида графита с восстанавливающим агентом происходит отсоединение атомов фтора от углерода и образование (восстановление) дополнительных связей между атомами углерода, что приводит к увеличению проводимости материала. Так как химическое воздействие происходит, в первую очередь, в отношении поверхностного слоя фторида графита, то на поверхности диэлектрического фторида графита формируется токопроводящий углеродный слой. Взаимодействие поверхностного углеродного слоя с адсорбированными молекулами газов приводит к изменению проводящих свойств материала. При этом наличие дефектов на поверхности углеродного слоя приводит к существенному повышению сенсорных свойств. В предложенном датчике для определения аммиака образуются дефекты, связанные с неполным удалением атомов фтора, а также вакансии, образующиеся при отсоединении от поверхности атома фтора вместе со связанным с ним атомом углерода. При этом чувствительный слой состоит из цельного углеродного слоя, что приводит к увеличению стабильности и уменьшению времени отклика.

Сравнение заявленного решения с прототипом показывает, что заявленный способ отличается от известного тем, что в качестве чувствительного слоя используется проводящий углеродный слой, образующийся на непроводящей подложке из фторида графита путем обработки фторида графита парами гидразина. В известном датчике аммиака формируемый слой на подложке не является сплошным или цельным углеродным слоем, а состоит из отдельных мелких частиц углерода, что может приводить к нестабильности характеристик датчика. В предлагаемом датчике аммиака восстановление фторида графита не нарушает целостности исходных слоев графита подложки, что приводит к увеличению стабильности и уменьшению времени отклика. В известном датчике для восстановления рабочих характеристик необходим прогрев при температуре. В предложенном датчике аммиака восстановление рабочих характеристик происходит путем продува в нормальной атмосфере. Это позволяет сделать вывод о соответствии критерию «существенные отличия».

На Фиг.1 приведена схема стенда для измерения аммиака. Датчик аммиака 6, размещенный в камере 7, включен в цепь постоянного тока, образованную гальваническим элементом 9, переменным резистором 8 и пикоамперметром 10. Воздух с заданным потоком, контролируемым барбатером 1, подается в измерительную камеру через клапаны 2, 3, 5 либо напрямую, либо в виде смеси с аммиаком, проходя через резервуар 4. Измерительная камера состоит из стеклянной трубы, в стенки которой вварены два штуцера для подвода газа. На поверхность датчика нанесены контактные площадки шириной 1 мм из проводящего клея, изготовленного на основе акриловой смолы и мелкодисперсного серебра. Датчик 6 прижимается к плоскости тефлонового держателя контактами с позолоченными металлическими электродами. Для измерения тока образца использовался пикоамперметр. К аналоговому выходу пикоамперметра параллельно подключен осциллограф 12 для настройки и контроля получаемого сигнала. В качестве регистратора 11 данных использовался высокоскоростной аналого-цифровой преобразователь, который является внешним устройством персонального компьютера, который осуществляет управление измерениями и обработкой и анализом данных. Для определения временных характеристик датчиков была проведена аппроксимация кривых изменения тока экспоненциальной зависимостями: I(t)=I₀+Aexp(-t/τ), где τ - характерное время отклика.

На Фиг.2 представлена зависимость тока, проходящего через образец фторида графита, от времени обработки гидразин-гидратом.

На Фиг.3 представлена зависимость протекания тока через датчик с серебряными контактными площадками при воздействии на него аммиака (1%). Стрелками указаны три точки, соответствующие увеличению подачи паров аммиака в измерительную камеру.

На Фиг.4 представлена зависимость протекания тока через датчик с серебряными контактными площадками при периодическом воздействии паров аммиака (1%) и воздуха.

Применение предлагаемого датчика аммиака с чувствительным слоем, полученного путем восстановления фторида графита в парах гидразина, обеспечивает следующие преимущества:

уменьшение времени отклика детектора,

высокая временная стабильность показаний сенсора,

восстановление рабочих параметров датчика происходит при обдуве воздухом.

Примеры конкретного исполнения

Пример №1

Чувствительный слой датчика приготовлен путем восстановления фторида графита в стеклянной емкости в непосредственной близости водного раствора гидразина при атмосферном давлении. Время восстановления - 2 мин. Поток газа составлял 5 мл/мин, приложенное напряжение равно 1,2 B. Исходный ток образца перед напуском газа NH₃ составлял 15 пА. Подача паров аммиака в измерительную ячейку осуществлялась тремя дозами с увеличением аммиака в воздухе от 0,1% (точка 1), 0,6% (точка 2) и 1% (точка 3). Уменьшение сопротивления восстановленного образца по отношению к исходному сопротивлению при введении 1% аммиака составляет 24%.

Пример №2

Чувствительный слой датчика приготовлен путем восстановления фторида графита в стеклянной емкости в непосредственной близости водного раствора гидразина при атмосферном давлении. Время восстановления - 3 мин. Поток газа составлял 35 мл/мин, приложенное напряжение равно 1,2 B. Исходный ток образца перед напуском газа NH₃ составлял 48 мкА (фиг.2). Подача в камеру 1% аммиака приводит к резкому понижению тока через образец на 18%. Характерное время отклика составляет 26 с. Отключение подачи аммиака и напуск воздуха приводят к нелинейному восстановлению тока с характерным временем восстановления 140 с. Сохраняется хорошая циклируемость сенсора по отношению к аммиаку. Трехкратное введение газа сохраняет величину отклика проводимости на аммиак.

1. Датчик для определения аммиака, включающий непроводящую подложку, на которой расположен чувствительный слой и омические контакты, отличающийся тем, что чувствительный слой образован в результате обработки поверхности фторида графита парами восстановителя.

2. Датчик для определения аммиака по п.1, отличающийся тем, что в качестве непроводящей подложки используется фторид графита, полученный в результате фторирования графита.

3. Датчик для определения аммиака по п.1, отличающийся тем, что в качестве восстановителя может использоваться гидразин-гидрат, гидразин, вода, перекись водорода.

4. Датчик для определения аммиака по п.1, отличающийся тем, что для восстановления рабочих характеристик датчика используется продувка воздухом.

Похожие патенты:

Газовый датчик // 2469301

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей ацетона и других газов.

Полупроводниковый газоанализатор // 2469300

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей аммиака и других газов.

Газовый сенсор для индикации оксидов углерода и азота // 2464554

Полупроводниковый газоанализатор // 2464553

Газовый датчик // 2464552

Датчик расхода водорода // 2463586

Изобретение относится к оборудованию, предназначенному для работы с водородом, и может быть использовано в измерительной технике в химической, авиационной, автомобильной и аэрокосмической промышленности.

Газоанализатор // 2462704

Нанополупроводниковый газовый датчик // 2458338

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам для регистрации и измерения содержания оксида углерода. .

Способ установления ранней порчи мяса и мясных изделий, нарушения технологии производства и рецептуры // 2452948

Изобретение относится к аналитической химии и контролю качества мясных продуктов. .

Способ преобразования влажности газов в электрическое напряжение (ток) и устройство для его осуществления // 2442148

Изобретение относится к измерительной технике. .

Газоизмерительное устройство и способ его изготовления // 2488106

Способ анализа состава газовых смесей и газоанализатор для его реализации // 2502065

Изобретение может быть использовано для определения качественного состава и количественного содержания различных газов в многокомпонентных газовых смесях различного состава. Способ, согласно изобретению, заключается в том, что анализируемые газовые смеси пропускают через газоанализатор с установленными в нем сенсорами, измеряют при помощи сенсоров электрические сигналы, с использованием градуировочных функций, полученных на газовых смесях известного состава, определяют значения концентраций индивидуальных компонентов газовой смеси, определяемых каждым сенсором, проводят дополнительное измерение электрических сигналов от сенсоров, при осуществлении которых устанавливают на входы сенсоров химические фильтры, отделяющие от газовой смеси, поступающей в каждый сенсор, индивидуальный компонент газовой смеси, определяемый этим сенсором, пропускают через сенсоры газовые смеси без индивидуальных компонентов, измеряют при помощи сенсоров электрические сигналы, соответствующие газовым смесям в отсутствие этих индивидуальных компонентов, а затем определяют разность между электрическими сигналами, полученными от сенсоров в присутствии индивидуальных компонентов газовой смеси, определяемых каждым сенсором, и при их отсутствии, с использованием градуировочных функций, полученных на газовых смесях известного состава, определяют по величинам этих разностей электрических сигналов истинные значения концентраций индивидуальных компонентов газовой смеси, определяемых каждым сенсором. Также предложен газоанализатор для осуществления описанного выше способа. Изобретение обеспечивает повышение достоверности анализа за счет исключения искажающего влияния присутствующих в газовой смеси компонентов, не являющихся индивидуальными определяемыми каждым сенсором, на точность определения газового состава. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Газоизмерительное устройство и способ его работы // 2502066

Изобретение относится к газоизмерительному устройство для измерения присутствия заданного газа в текучей среде. Устройство содержит датчик, имеющий чувствительный элемент и нагревательный элемент, сконфигурированный для нагрева чувствительного элемента до предварительно заданной рабочей температуры, причем чувствительный элемент является восприимчивым к заданному газу таким образом, что, по меньшей мере, одно электрическое свойство чувствительного элемента изменяется в зависимости от присутствия заданного газа, причем электрическое свойство чувствительного элемента измеряется газоизмерительным устройством; и цепь управления, имеющую контроллер нагревательного элемента, связанный с нагревательным элементом и измеряющий его электрическое свойство, причем цепь управления имеет источник энергии подогрева, подающий энергию к нагревательному элементу, причем контроллер нагревательного элемента связан с источником энергии подогрева и регулирует его работу в зависимости от измерения электрического свойства нагревательного элемента; средство импульсной модуляции, соединенное с контроллером нагревательного элемента, источником энергии подогрева для управления величиной энергии, подаваемому к нагревательному элементу. При этом средство импульсной модуляции выполнено с возможностью формирования первого набора импульсов энергии, имеющего определенную продолжительность, и второго набора импульсов энергии, имеющего другую, более короткую продолжительность для поддержания температуры нагревательного элемента, по существу, на постоянном уровне. Также изобретение относится к способу изготовления и способу работы газоизмерительного устройства. Предлагаемое устройство изготавливается и эксплуатируется рентабельным и надежным образом. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

Способ определения остаточной водонасыщенности и других форм связанной воды в материале керна // 2502991

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для использования в нефтедобывающей промышленности для исследования пластов, определения их остаточной водонасыщенности, для оперативного контроля влажности на нефтепромысловых скважинах. Способ определения водонасыщенности керна и других форм связанной воды в материале керна включает приготовление образца из керна, экстракцию и высушивание образца, моделирование пластовых условий в образце керна, фильтрацию минерализованной воды через образец керна и последовательное измерение в процессе фильтрации промежуточных значений тока, проходящего через образец при подаче на него переменного напряжения, построение зависимости значения электрического сигнала от водонасыщенности образца керна, при этом дополнительно, согласно изобретению, перед измерениями керн изолируют тонкой диэлектрической оболочкой и помещают между электродами емкостной измерительной ячейки, а значения тока, проходящего через образец при различных значениях водонасыщенности (от 0 до 100%), определяют методом бесконтактной высокочастотной кондуктометрии, например методом нелинейного неуравновешенного моста, питаемого высокочастотным напряжением с частотой 2-10 МГц, на полученной зависимости значений электрического сигнала от водонасыщенности образца керна выделяют три области с различными значениями крутизны подъема графика с ростом водонасыщенности, а границы энергетически различных категорий связанной воды в керне, в том числе остаточной водонасыщенности, определяют как точки перегиба между упомянутыми областями с различными значениями крутизны сигнала. Изобретение обеспечивает повышение точности измерений и упрощение процесса определения остаточной водонасыщенности керна с одновременным расширением области применения разрабатываемого способа, в частности и других форм связанной воды в материале керна. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Электрохимический сенсор и способ его получения // 2502992

Изобретение может быть использовано, в частности, при определении незначительных количеств химических и биохимических веществ, таких как газы или биомолекулы. Согласно изобретению предложен способ получения электрохимического сенсора с детекторной зоной, электрическая проводимость которой (σ) устанавливается посредством туннельных, ионизационных, или прыжковых процессов, и в которой устанавливается электрохимическое взаимодействие с определяемым заданным веществом; при котором детекторную зону получают путем локального приложения энергии, предпочтительно путем индуцированного электронным лучом осаждения, при котором находящиеся в газообразной форме вещества-предшественники, присутствующие в зоне осаждения в непосредственной близости к подложке, энергетически активируются для преобразования, причем продукты преобразования осаждают в твердой и не летучей форме на подложке. Также предложен электрохимический сенсор, изготовленный описанным выше способом. Изобретение обеспечивает возможность определения незначительных количеств или концентраций заданного химического вещества надежно и с высокой точностью. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 5 ил.

Способ измерения полисостава газовых сред // 2504760

Изобретение относится к области измерительной техники. В способе согласно изобретению предлагается использовать число датчиков, соответствующее числу неизвестных компонент, подлежащих измерению. Причем каждая из подлежащих измерению компонент является естественной входной величиной для одного датчика, т.е. датчик по этой компоненте обладает наибольшей селективностью (чувствительностью), а остальные датчики к этой компоненте имеют меньшую чувствительность. Но, несмотря на это, каждый датчик градуируется по каждой компоненте отдельно для измерения полисостава газовой среды. Изобретение позволяет повысить точность оценивания каждой компоненты и одновременно - получить интегральную оценку состава всей газовой среды. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Способ получения газочувствительного материала на основе оксида цинка к парам ацетона // 2509302

Изобретение относится к нанотехнологии и может быть использовано для изготовления полупроводниковых газовых сенсоров, предназначенных для детектирования паров ацетона в воздухе. Способ получения чувствительного к парам ацетона материала на основе оксида цинка согласно изобретению заключается в приготовлении золя путем растворения неорганической соли цинка в спирте, в добавлении тетраэтоксисилана, распределении золя по поверхности подложки, отжиге и обработке полученного материала путем воздействия на него потоком электронов, ускоренных до энергии 540-900 кэВ при поглощенной дозе 25-200 кГр. Изобретение позволяет повысить чувствительность материала к парам ацетона. 2 пр., 2 табл.

Электрический сенсор на пары гидразина // 2522735

Изобретение может быть использовано в медицине, биологии, экологии и различных отраслях промышленности. Электрический сенсор на пары гидразина содержит диэлектрическую подложку, на которой расположены электроды и чувствительный слой, меняющий фотопроводимость в результате адсорбции паров гидразина, при этом чувствительный слой состоит из структуры графен-полупроводниковые квантовые точки, фотопроводимость которой уменьшается при адсорбции молекул гидразина на поверхность квантовых точек пропорционально концентрации паров гидразина в пробе. В присутствии в пробе воздуха паров гидразина, молекулы гидразина адсорбируются на поверхность квантовых точек, уменьшая интенсивность люминесценции квантовых точек, в результате чего проводимость графена уменьшается пропорционально концентрации паров гидразина в анализируемой пробе. Изобретение обеспечивает повышение чувствительности, уменьшение инерционности определения и упрощение изготовления сенсора. 1 пр., 7 ил.

Способ калибровки полупроводниковых сенсоров газа и устройство для его осуществления // 2523089

Изобретение относится к области анализа газов. Способ калибровки полупроводникового сенсора реализуется с помощью программно-аппаратного измерительного комплекса и состоит в том, что циклически заданное количество раз (K раз) нагревают чувствительный элемент сенсора в чистом воздухе (ПГС-1) до температуры Т1 и охлаждают до температуры Т2, далее в течение следующих K циклов нагрева и охлаждения подают поверочную газовую смесь ПГС-2 в область чувствительного элемента, далее в течение следующих K циклов подают поверочную газовую смесь ПГС-3 в область чувствительного элемента, далее в течение следующих К циклов подают поверочную газовую смесь ПГС-N в область чувствительного элемента, строят семейство из N=4 временных зависимостей проводимости газочувствительного слоя σ(t) для каждой газовой смеси и для фиксированного в цикле момента времени ti определяют градуировочную характеристику. Полученную таким образом градуировочную характеристику аппроксимируют и загружают в процессор сенсора интеллектуального газового модуля, который устанавливается в газоанализаторе, где в эксплуатационном режиме измерения процессор сенсора опрашивается центральным процессором газоанализатора и на его дисплее индицируются показания измеренной концентрации газового компонента. Изобретение позволяет проводить калибровку полупроводниковых интеллектуальных сенсоров с повышенной точностью и достоверностью в условиях их массового производства. 4 з.п. ф-лы, 14 ил.

Газовый датчик // 2526225

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам для регистрации и измерения содержания микропримесей оксида углерода. Датчик микропримесей оксида углерода содержит полупроводниковое основание и подложку. Полупроводниковое основание выполнено из поликристаллической нанопленки теллурида кадмия, легированного сульфидом кадмия, нанесенной на непроводящую подложку. Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности датчика и технологичности его изготовления, при этом обеспечивается возможность определения микропримесей оксида углерода в газовых смесях при комнатной температуре. 3 ил.