Полупроводниковый газовый сенсор

Авторы патента:

Сердюк Илья Владимирович (RU)

Смирнов Максим Сергеевич (RU)

G01N27/14 - электрически нагреваемого тела в зависимости от изменения температуры

Владельцы патента RU 2509303:

Открытое акционерное общество "Авангард" (RU)

Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано в газоанализаторах, газосигнализаторах и газовых пожарных извещателях для контроля довзрывных концентраций взрыво-пожароопасных газов и газовых смесей. Полупроводниковый газовый сенсор содержит корпус 1 реакционной камеры 2, выполненный из коррозионно-стойкой стали. Корпус 1, с торца закрытый сеткой 3 из проволоки нержавеющей стали диаметром 0,03-0,04 мм шагом 0,06-0,08 мм. В корпусе 1 по центру реакционной камеры 2 на контактных проводниках 4 установлен шарообразный полупроводниковый газочувствительный элемент 5 при помощи проводов нагревателя 6 и измерительного проводника 7. Внутри полупроводникового газочувствительного элемента 5 размещен нагреватель 6 в виде цилиндрической пружины, внутри которой по ее оси и по диаметру шарообразного полупроводникового элемента 5 расположен прямой измерительный проводник 7. Нагреватель 6 и измерительный проводник 7 газочувствительного элемента 5 выполнены из платиновой проволоки диаметром 0,01-0,02 мм, нагреватель 6 имеет 2-7 витка проволоки, шарообразный полупроводниковый газочувствительный элемент 2 имеет диаметр 0,4-0,8 мм и выполнен из смеси оксида олова SnO₂: 5-95 мас.% и оксида индия In₂O₃: 5-95 мас.%. Изобретение обеспечивает повышение чувствительности полупроводникового газового сенсора к малым концентрациям газа, а также создание простого, надежного, сравнительно дешевого и быстродействующего сенсора, имеющего длительную работу в необслуживаемом режиме. 7 ил., 3 табл.

Предлагаемое изобретение относится к аналитическому приборостроению, а именно к полупроводниковым газовым сенсорам датчиков горючих газов, и может быть использовано в газоанализаторах, газосигнализаторах и газовых пожарных извещателях для контроля довзрывных концентраций взрыво-пожароопасных газов и газовых смесей.

Интенсивная промышленная деятельность и, как следствие, большой выброс вредных веществ в атмосферу привели к опасному уровню нагрузки на окружающую среду. Огромная насыщенность современного бытового и промышленного комплекса техническими средствами, использующими и выделяющими при функционировании различные, в том числе вредные, газы: монооксид и диоксид углерода, аммиак, метан, оксиды азота и др., а также высокая частота возникновения критических ситуаций, сопровождающихся, зачастую, выбросом значительных количеств смесей токсичных и горючих газов, делает весьма важной задачу создания средств постоянного контроля (мониторинга) состава газовоздушной среды.

Известно «Устройство для контроля концентрации опасных газов» по патенту РФ: RU 2411511 от 10.02.2011, МПК⁸ G01N 27/12, G01W 1/00 - [1], содержащее газовый сенсор и устройства обработки его сигналов. Однако в устройстве [1] не уточнен тип газового сенсора и его принцип работы.

Газовый сенсор является устройством, в котором реакция взаимодействия контролируемого газа с чувствительным элементом (выделение тепла, изменение теплопроводности и др.) преобразуется в электрический сигнал.

Существуют различные газовые сенсоры - электрохимические, оптические, термокаталитические, термокондуктометрические, полупроводниковые, и др., различающиеся по структуре чувствительного элемента и по типу реакции с контролируемым газом.

Полупроводниковые сенсоры обладают ограниченной селективностью, но при этом обеспечивают длительную работу сенсора в необслуживаемом режиме, просты, сравнительно дешевы и обладают малыми массогабаритными показателями. Кроме того полупроводниковые газовые сенсоры обладают наибольшим быстродействием и высокой чувствительностью. Поэтому наиболее предпочтительным для мониторинга газовых сред представляется применение полупроводниковых сенсоров, благодаря их высокому быстродействию, чувствительности к малым концентрациям, высокой технологичности изготовления и низкой стоимости.

Известны полупроводниковые газовые сенсоры пленочной конструкции с применением в качестве газочувствительного элемента полупроводникового состава на основе SnO₂, легированного самыми различными соединениями, и другого газочувствительного элемента на основе In₂O₃, легированного другими соединениями, применение напыленных контактных площадок из платины, а также с размещением пленочного газочувствительного элемента по центру реакционной камеры корпуса датчика:

«Газовый сенсор» по патенту США: US 5837886 от 17.11.1998, МПК⁶G01N 27/12, G01W 1/00 - [2].

«Датчик для определения концентрации газов» по патенту РФ: RU 2096774 от 20.11.1997, МПК⁶ G01N 27/12 - [3].

«Анализатор селективного определения водорода в газах» по патенту РФ: RU 2124718 от 10.01.1999, МПК⁶ G01N 27/12 - [4].

«Полупроводниковый датчик для обнаружения метана…» по патенту Германии: DE 19924611 от 12.12.2000, МПК⁷ G01N 27/12, G01N 33/00 - [5].

«Способ селективного определения концентраций вредных примесей в газах и устройство для его реализации» по патенту РФ: RU 2159931 от 27.11.2000, МПК⁷ G01N 27/12 - [6].

«Способ изготовления чувствительного элемента полупроводникого газового сенсора» по патенту РФ: RU 2319953 от 20.03.2008, МПК⁷ G01N 27/12 - [7].

Основными недостатками аналогов [2, 3, 4, 5, 6 и 7] является то, что они являются пленочными, то есть газочувствительный слой расположен на плоскости (подложке) и имеет меньшую полезную площадь контакта с газом по сравнению, например, со сферическим газочувствительным слоем. Также неоднородность структуры напыленной платиновой металлизации (нагревателей, рабочих электродов) в зоне контакта с подложкой вызывает дрейф характеристик сенсора, что снижает его точность и надежность.

Известен «Газовый сенсор» по заявке США: US 2001003916 от 21.06.2001, МПК⁶ G01N 27/12, G01N 33/00 - [8], содержащий установленный на контактных проводниках шарообразный полупроводниковый газочувствительный элемент, внутри которого размещен нагреватель в виде цилиндрический пружины, внутри которой по ее оси и по диаметру шарообразного полупроводникового элемента расположен прямой измерительный проводник, сенсора. Гзочувствительный элемент данного сенсора выполнен из смеси оксида олова SnO₂, нагреватель и измерительный проводник газочувствительного элемента выполнены из проволоки сплавов платины.

Прототипом заявляемого изобретения является «Газовый сенсор и способ его работы» по патенту США: US 6565812 от 20.05.2003, МПК⁷ G01N 27/12, G01N 33/00 - [9], содержащий корпус реакционной камеры, с торца закрытый сеткой, в котором на контактных проводниках (контактных площадках) установлен шарообразный полупроводниковый газочувствительный элемент, внутри которого размещен нагреватель в виде цилиндрический пружины, внутри которой по ее оси и по диаметру шарообразного полупроводникового элемента расположен прямой измерительный проводник, газочувствительный элемент выполнен из легированного оксида олова SnO₂ или легированного In₂O₃. Газочувствительный элемент расположен у днища реакционной камеры на контактных площадках, нагреватель и измерительный проводник газочувствительного элемента выполнены из проволоки сплавов платины.

Недостатками аналога [8] и прототипа [9] является то, что газочувствительный элемент расположен у днища реакционной камеры на контактных площадках, а это приводит к неравномерности температурного поля в реакционной камере, а также к неравномерности подвода к полупроводниковому газочувствительному элементу исходных компонентов и удаление продуктов реакции, то есть приводит к неравномерностям тепломассопереноса, что снижает надежность работы устройства. Практическая реализация аналога [8] и прототипа [9], представленная на сайте: http://www.figaro.co.jp/ - [10], позволяет сделать выводы о сравнительно низкой чувствительности этих полупроводниковых газовых сенсоров к малым концентрациям газов. Кроме того, представленные в [10] полупроводниковые газовые сенсоры имеют высокое энергопотребление и достаточно дороги.

Таким образом, недостатки аналогов и прототипа ставят задачу повышения чувствительности полупроводникового газового сенсора (его чувствительности к малым концентрациям). Кроме того, ставятся задачи создания простого, надежного, сравнительно дешевого и быстродействующего сенсора, обеспечивающего его длительную работу в необслуживаемом режиме.

Указанная задача (сущность изобретения) решается тем, что полупроводниковый газовый сенсор, содержащий корпус реакционной камеры с торца закрытый сеткой, в котором на контактных проводниках установлен шарообразный полупроводниковый газочувствительный элемент, внутри которого размещен нагреватель в виде цилиндрический пружины, внутри которой по ее оси и по диаметру шарообразного полупроводникового элемента расположен прямой измерительный проводник, при этом корпус реакционной камеры выполнен из коррозионно-стойкой стали, сетка выполнена из проволоки нержавеющей стали диаметром 0,03-0,04 мм шагом 0,06-0,08 мм, газочувствительный элемент расположен по центру реакционной камеры, нагреватель и измерительный проводник газочувствительного элемента выполнены из платиновой проволоки диаметром 0,01-0,02 мм, нагреватель имеет 2-7 витка проволоки, шарообразный полупроводниковый газочувствительный элемент имеет диаметр 0,4-0,8 мм и выполнен из смеси оксида олова SnO₂: 5-95% масс и оксида индия In₂O₃: 5-95% масс.

Таким образом, выполнение корпуса реакционной камеры из коррозионно-стойкой стали приводит к его химической инертности и к возможности работать в неблагоприятных условиях эксплуатации, что в конечном итоге приводит к повышению надежности устройства.

Выполнение сетки (газообменного фильтра) из проволоки нержавеющей стали диаметром 0,03-0,04 мм шагом 0,06-0,08 мм, также приводит к химической инертности, а размеры проволок сетки и ее шага выбраны из условий оптимизации приемлемого тепломассобмена в реакционной камере, и для улучшения защиты чувствительного элемента от механических примесей газовых сред.

Расположение газочувствительного элемента по центру реакционной камеры дополнительно обеспечивает равномерный его прогрев и его надежную долговечную эксплуатацию, при оптимальном тепломассобмена вокруг полупроводникового газочувствительного элемента.

Введение признаков: «нагреватель и измерительный проводник газочувствительного элемента выполнены из платиновой проволоки диаметром 0,01-0,02 мм», «нагреватель имеет 2-7 витка проволоки» и «шарообразный полупроводниковый газочувствительный элемент имеет диаметр 0,4-0,8 мм» также получено из расчетно-имперических исследований и оптимизации диффузионных и теловых режимов при создании заявляемого устройства.

Введение признака: «полупроводниковый газочувствительный элемент выполнен из смеси оксида олова SnO₂: 5-95% масс и оксида индия In₂O₃: 5-95% масс» задает состав газочувствительного элемента для достижения его максимальной чувствительности для конкретного газа (смеси газов) и стабильности работы самого элемента. Выполнение полупроводникового газочувствительного элемента полностью из смеси оксидов олова SnO₂ и индия In₂O₃, по сравнению с элементами только с поверхностным газочувствительным слоем позволяет существенно повысить надежность работы и условия его регенерации (полупроводникового газочувствительного элемента) при длительной эксплуатации.

Взаимный общий состав полупроводникового газочувствительного элемента, по значению вышеуказанных ингредиентов, а также конструкционных параметров его элементов многовариантный. Он подбирается эмпирическим путем, и в последующем многократно проходит натурные испытания для уточнения состава и размеров элементов.

При изменении процентного соотношения компонентов заявленного устройства, более или менее чем указано в формуле изобретения, существенно ухудшается его качество и эффективность применения.

На фиг.1 представлен схематичный разрез предложенного полупроводнивкового газового сенсора (вид с боку - разрез А-А). На фиг.2 - разрез фиг.1 по Б-Б. На фиг.3 - увеличенный разрез (вид с верху) полупроводникового газочувствительного элемента. На фиг.4 - увеличенная фотография газочувствительного элемента. На фиг.5 приведена фотография монтажной электрической платы с расположенным на ней полупроводниковым газовым сенсором (вид сверху). На фиг.6 - структурная схема модуля управления и первичной обработки сигнала сенсора. На фиг.7 - график режима питания полупроводникового газового сенсора (разработки ОАО «Авангард» - ПГС-1А.

Полупроводниковый газовый сенсор содержит корпус 1 реакционной камеры 2, выполненный из коррозионно-стойкой стали. Корпус 1, с торца закрытый сеткой 3 из нержавеющей стали проволокой диаметром 0,03-0,04 мм шагом 0,06-0,08 мм. В корпусе 1 по центру реакционной камеры 2 на контактных проводниках 4 установлен шарообразный полупроводниковый газочувствительный элемент 5 при помощи проводов нагревателя 6 и измерительного проводника 7. Внутри полупроводникового газочувствительного элемента 5 размещен нагреватель 6 в виде цилиндрический пружины, внутри которой по ее оси и по диаметру шарообразного полупроводникового элемента 5 расположен прямой измерительный проводник 7. Нагреватель 6 и измерительный проводник 7 газочувствительного элемента 5 выполнены из платиновой проволоки диаметром 0,01-0,02 мм, нагреватель 6 имеет 2-6 витка проволоки, шарообразный полупроводниковый газочувствительный элемент 2 имеет диаметр 0,4-0,8 мм и выполнен из смеси оксида олова SnO₂: 5-95% масс и оксида индия In₂O₃: 5-95% масс.

Конструкция готового газового сенсора ПГС-1А разработки ОАО «Авангард» представляет собой реакционную камеру 2 (никель-кобальтовый корпус транзисторный Т0-5) 1, сообщающуюся с газовой средой через сетку 3 (газообменный фильтр), выполненную из нержавеющей стали диаметром 0,035 мм шагом 0,07 мм. В корпусе 1 реакционной камеры 2 на контактных проводниках 4 по ее центру установлен шарообразный полупроводниковый элемент 5 диаметром 0,6±0,1 мм из смеси оксида олова SnO₂: 80% масс и оксида индия In₂O₃: 20% масс. Внутри полупроводникового элемента размещен нагреватель 6 в виде цилиндрической пружины (4 витка) диаметром 0,4 мм и шагом 0,02 мм, внутри пружины по ее оси и по диаметру шарообразного полупроводникового газочувствительного элемента размещен прямой измерительный проводник 7. Нагреватель 6 и измерительный проводник 7 выполнены из литого химически чистого и термостабильного платинового микропровода ПЛ-3Т диаметром 0,02 мм.

Микропроводу ПЛ-3Т не свойственны недостатки, присущие сенсорам на подложке, такие как неоднородность структуры напыленной платиновой металлизации (нагревателей, рабочих электродов) в зоне контакта с подложкой и, как следствие, дрейф характеристик сенсора.

Полупроводниковый элемент, представляющий собой оксид олова SnO₂ (80% масс) с добавкой оксида индия In₂O₃ (20% масс.), образует систему SnO₂-In₂O₃, обладающую высокой чувствительностью, быстродействием, удобным диапазоном изменения сопротивлений, низкой рабочей температурой при детектировании окислительных и восстановительных газов. При взаимодействии газа с чувствительным полупроводниковым элементом, газочувствительный состав меняет электрическую проводимость.

Принцип действия полупроводникового газового сенсора основан на хемо-сорбционном взаимодействии тестируемых газов с поверхностью и объемом полупроводникового слоя, приводящего к изменению концентрации электронов в его зоне проводимости.

Молекулы детектируемых газов попадают на поверхность и проникают вглубь газочувствительного слоя. Далее идет процесс реакции молекул детектируемых газов с хемосорбированным кислородом.

При адсорбции окислителей (O₂, О₃, F₂, Cl₂, NO₂ и др.) происходит обеднение зоны проводимости электронами, что приводит к росту энергетического барьера в области контакта частиц и увеличению сопротивления в этой части газочувствительного слоя.

SnO+O₂→2SnO²

$S n^{+ 2} - 2 \bar{e} \to S n^{+ 4}$

При адсорбции газов восстановителей (Н₂, СО, С_хН_у и др.) количество электронов на поверхности области контакта растет.

SnO₂+CO→SnO+CO₂

$S n^{+ 4} + 2 \bar{e} \to S n^{+ 2}$

Два электрона переходят в зону проводимости полупроводника, соответственно растет электрическая проводимость газочувствительного состава. Изменение сопротивления полупроводникового состава регистрируется на измерительном электроде и отрицательном контакте нагревателя с применением модуля управления и первичной обработки (МУПО). На фиг.6 приведены условные обозначения МУПО: УП - узел питания, ЧЭ - чувствительный элемент (полупроводниковый газовый сенсор), ДТ - датчик температуры, НУ - нормирующий усилитель, МК - микроконтроллер, U_пит - питающее напряжение, UART - цифровой выходной сигнал (протокол UART).

Для построения электронной схемы МУПО применена современная элементная база, обеспечивающая стабильное напряжение питания сенсора и высокий коэффициент усиления сигнала на малых концентрациях газа.

В схеме МУПО имеется узел управления питанием для различных типов сенсоров, узел усиления и обработки сигнала, узел оцифровки сигнала и передачи его по выходной шине с интерфейсом I2C.

Исследование сенсорных характеристик сенсора ПГС-1А проводилось на газосмесительной установке производства ОАО «Авангард». Были проведены испытания на чувствительность к газовыми смесям СО-воздух, СН₄-воздух и Н₂-воздух, а также исследование зависимости показаний от расхода и влажности газовой смеси. Было проведено исследование влияния температуры нагревателя на все вышеуказанные свойства и отработан режим термотренировки сенсора для стабилизации его параметров.

Режим импульсного питания сенсора (фиг.7) был подобран для оптимальной регистрации протекания реакции. Чтобы могла произойти реакция в слое SnO₂, необходимо предварительно нагреть область реакции газочувствительного слоя до определенной температуры. Например, для эффективного протекания реакции слоя SnO₂ с СО и Н₂ температура нагрева должна лежать в диапазоне 100-250°С, а для СН₄ - в диапазоне 300-450°С. Повышенная температура понижает энергию связи молекул адсорбированного кислорода с электронами, что способствует намного более легкому освобождению электронов от молекул кислорода и выходу их в зону проводимости. Затем подается импульс низкого напряжения для стабилизации реакции, в конце которого и производится регистрация сигнала. Для водорода и монооксида углерода диапазон оптимальных температур для протекания реакции составляет 100-130°С.

Мощность сенсора в данном режиме составляет 68 мВт.

Результаты испытаний сенсора ПГС-1А на чувствительность ( $\frac{R_{в о з д}}{R_{г а з}}$ ) к различным газам представлены в табл.1. Изменение сопротивления при подаче Н₂, концентрацией 20 ppm по сравнению с сопротивлением на воздухе, составляет 4,8 раза, СО, концентрацией 86 ppm - более 5 раз, a CH₄ 0,5% об. - более 10 раз.

Также полупроводниковый газовый сенсор на основе SnO₂-In₂O₃ (ПГС-1А) показал чувствительность к малым концентрациям газов СО (3 ppm) и Н₂ (1 ppm). Сигнал сенсора на данных концентрациях возможно выделить на уровне шума.

Таблица 1
Детектируемый газ	Концентрация, ppm	Чувствительность $\frac{R_{в о з д}}{R_{г а з}}$
Н₂	20	4,83
	10	2,97
	5	2,06
1	1,21
СО	86	5,63
	17	2,14
	5	1,32
3	1,16
СН₄	5000	13,73

Результаты испытаний полупроводникового газового сенсора ПГС-1А на чувствительность к изменению расхода газовой смеси представлены в табл.2. При снижении расхода в 4 раза отклик к СО, концентрацией 86 ppm, упал на 31%.

Таблица 2
Детектируемый газ	Расход газовой смеси, мл/мин	Чувствительность $\frac{R_{в о з д}}{R_{г а з}}$	Снижение чувствительности относительно G=400 мл/мин, %
СО (86 ppm)	400	3,59	-
СО (86 ppm)	200	2,85	21
100	2,46	31

В табл.3 представлены результаты испытаний полупроводникового газового сенсора ПГС-1А на чувствительность к изменению влажности газовой смеси. При снижении влажности до 10% RH отклик к СО, концентрацией 86 ppm, упал на 24% относительно показателей смеси, влажностью 50% RH, а при увеличении влажности до 90% RH отклик снизился на 12%. Применение угольного фильтра позволило снизить падение чувствительности при изменении влажности газовой смеси до 2,4%.

Таблица 3
Детектируемый газ	Относительная влажность газовой смеси, % RH	Чувствительность $\frac{R_{в о з д}}{R_{г а з}}$	Снижение чувствительности относительно RH=50%, %
СО (86 ppm)	90	2,70	12
СО (86 ppm)	50	3,08	-
10	2,34	24
СО (86 ppm) (с применением угольного фильтра)	90	2,90
СО (86 ppm) (с применением угольного фильтра)	50	2,92	0,6
10	2,85	2,4

Компенсация влияния температуры и влажности на сенсор ПГС-1А возможна также и аппаратными методами.

Исследовательские испытания опытных образцов полупроводниковых газовых сенсоров ПГС-1А показали, что данная конструкция является перспективной для разработки серийного полупроводникового сенсора на горючие и токсичные газы в широком диапазоне концентраций, т.к. является простой, содержащей минимум компонентов и более технологичной, а технология их изготовления менее энергоемкой по сравнению с сенсорами на подложке (Al₂O₃, Si и др). Сенсоры ПГС-1А могут быть применены в составе газовых пожарных извещателей раннего обнаружения возгораний, газосигнализаторов и течеискателей.

Полагаем, что предложенный полупроводниковый газовый сенсор обладает всеми критериями изобретения, так как:

- полупроводниковый газовый сенсор в совокупности с ограничительными и отличительными признаками формулы изобретения является новым для общеизвестных составов и, следовательно, соответствует критерию "новизна";

- совокупность признаков формулы изобретения - полупроводникового газового сенсора неизвестна на данном уровне развития техники и не следует общеизвестным правилам создания составов припоев для соединения разнородных материалов, что доказывает соответствие критерию "изобретательский уровень";

- реализация заявленного полупроводникового газового сенсора не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию "промышленная применимость".

Литература

1. Патент РФ: RU 2411511 от 10.02.2011, МПК⁵ G01N 27/12, G01W 1/00, «Устройство для контроля концентрации опасных газов».

2. Патент США: US 5837886 от 17.11.1998, МПК⁶ G01N 27/12, G01W 1/00, «Газовый сенсор».

3. Патент РФ: RU 2096774 от 20.11.1997, МПК⁶ G01N 27/12, «Датчик для определения концентрации газов».

4. Патент РФ: RU 2124718 от 10.01.1999, МПК⁶ G01N 27/12, «Анализатор селективного определения водорода в газах».

5. Патент Германии: DE19924611 от 12.12.2000, МПК⁷ G01N 27/12, G01N 33/00, «Полупроводниковый датчик для обнаружения метана…».

6. Патент РФ: RU 2159931 от 27.11.2000, МПК⁷ G01N 27/12, «Способ селективного определения концентраций вредных примесей в газах и устройство для его реализации».

7. Патент РФ: RU 2319953 от 20.03.2008, МПК⁷ G01N 27/12, «Способ изготовления чувствительного элемента полупроводникого газового сенсора».

8. Заявка США: US 2001003916 от 21.06.2001, МПК⁶ G01N 27/12, G01N 33/00, «Газовый сенсор».

9. Патент США: US 6565812 от 20.05.2003, МПК⁷ G01N 27/12, G01N 33/00, «Газовый сенсор и способ его работы» - Прототип.

10. http://www.flgaro.co.jp/.

Полупроводниковый газовый сенсор, содержащий корпус реакционной камеры, с торца закрытый сеткой, в котором на контактных проводниках установлен шарообразный полупроводниковый газочувствительный элемент, внутри которого размещен нагреватель в виде цилиндрический пружины, внутри которой по ее оси и по диаметру шарообразного полупроводникового элемента расположен прямой измерительный проводник, отличающийся тем, что корпус реакционной камеры выполнен из коррозионно-стойкой стали, сетка выполнена из проволоки нержавеющей стали диаметром 0,03-0,04 мм шагом 0,06-0,08 мм, газочувствительный элемент расположен по центру реакционной камеры, нагреватель и измерительный проводник газочувствительного элемента выполнены из платиновой проволоки диаметром 0,01-0,02 мм, нагреватель имеет 2-7 витка проволоки, шарообразный полупроводниковый газочувствительный элемент имеет диаметр 0,4-0,8 мм и выполнен из смеси оксида олова SnO₂: 5-95 мас.% и оксида индия In₂O₃: 5-95 мас.%.

Изобретение относится к технической физике, а именно к способам контроля и измерения свойств веществ, и предназначено для определения аномалий на политермах свойств высокотемпературных металлических расплавов.

Способ неразрушающего теплового контроля состояния арматуры в протяженных железобетонных изделиях // 2473892

Изобретение относится к неразрушающему тепловому контролю и может быть использовано для контроля состояния протяженных железобетонных изделий, имеющих основную металлическую продольную несущую арматуру (например: опоры линий электропередач, балки, сваи, трубы и т.п.), применяемых в различных отраслях хозяйства в процессе производства, строительства и эксплуатации.

Способ определения газочувствительных характеристик и электрофизических свойств газочувствительного элемента в частотной области // 2439547

Изобретение относится к области измерения электрических характеристик наноразмерных газочувствительных материалов, в частности к измерению комплексной проводимости газочувствительных материалов, и может быть использовано в производстве сенсоров газа, основанных на полупроводниковых неорганических материалах сложного состава, а также для синтеза структур пленки эквивалентной схемой.

Газоанализатор водорода // 2371710

Изобретение относится к области измерения концентраций водорода и может быть использовано для контроля газовой атмосферы в помещениях промышленных предприятий с опасными условиями производства, в частности для обеспечения водородной взрывобезопасности под защитной оболочкой АЭС и взрывозащитных камер.

Способ определения концентрации водорода в присутствии газообразных примесей // 2371709

Изобретение относится к измерительным средствам для исследования и анализа газов при помощи электрических средств, в частности полупроводниковых сенсорных датчиков, и может быть использовано в системах пожарной сигнализации, сигнализаторах опасных газов и газоанализаторах.

Способ определения концентрации примеси газа в воздухе // 2279066

Изобретение относится к области аналитической химии, в частности к области анализа газовых смесей, и может быть использовано для определения типов различных газов и их количественного содержания в воздухе.

Установка для определения водорода в топливных таблетках из двуокиси урана // 2253915

Изобретение относится к аналитической химии, в частности определению общего водорода в таблетках из двуокиси урана. .

Способ определения водорода в металлах // 2216799

Изобретение относится к аналитической химии, в частности определению водорода в металлах. .

Анализатор водорода в топливных таблетках из двуокиси урана // 2210820

Изобретение относится к аналитической химии, в частности к определению общего водорода (свободного и связанного) в топливных таблетках из двуокиси урана. .

Анализатор водорода в топливных таблетках из двуокиси урана // 2151434

Способ измерения концентрации метана и устройство для осуществления этого способа // 2510499

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля концентрации метана в атмосфере горных выработок и шахт. Предлагаемый способ измерения концентрации метана основан на использовании термокаталитического сенсора с рабочим и сравнительным элементами, размещенными в реакционной камере с диффузионным доступом анализируемой среды. Рабочий и сравнительный элементы соединяют последовательно и подключают к стабилизатору постоянного тока, регулируемому внешним сигналом. При включении прибора регулированием тока цепи производят установку заданного начального значения напряжения на сравнительном элементе, при котором температура рабочего элемента превышает температуру начала полного окисления метана, после чего значение тока в цепи фиксируют и сохраняют постоянным до выключения прибора. Измеряют и запоминают начальное напряжение на рабочем элементе. Определение низких концентраций метана осуществляют, используя в качестве выходного сигнала напряжение на рабочем элементе. Параллельно этому контролируют напряжение на сравнительном элементе и при достижении последним заданной предельной величины измерения напряжения на рабочем элементе прекращают, а в качестве выходного сигнала для определения концентрации метана используют напряжение на сравнительном элементе до возвращения последнего к предельному значению. Устройство для измерения концентрации метана содержит стабилизатор постоянного тока, регулируемый внешним сигналом, термокаталитический сенсор с рабочим и сравнительным элементами, включенными последовательно, и процессор, соединенный через аналого-цифровой преобразователь с термокаталитическим сенсором, управляющий стабилизатором постоянного тока, обеспечивающий измерение напряжений на рабочем и на сравнительном элементах и обработку выходных сигналов. Изобретение направлено на расширение диапазона измерений при одновременном упрощении конструкции устройства и повышении точности измерений. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Датчик водорода // 2525643

Изобретение относится к анализу материалов, в частности, для определения содержания водорода и может быть использовано при изготовлении газоанализаторов водорода в космической технике, автомобильной промышленности, химической промышленности и т.д. Сущность изобретения: предложен резистивный датчик концентрации водорода, содержащий водородочувствительный элемент, выполненный в виде толстопленочного резистора, содержащего в материале, по крайней мере, оксид палладия и нагревательный элемент, подогревающий водородочувствительный элемент. Водородочувствительный элемент может быть выполнен из серебропалладиевой резистивной пасты.Техническим результатом является создание миниатюрного датчика водорода, как атомарного, так и молекулярного, позволяющего проводить качественные и количественные измерения. Датчик может быть изготовлен по простой, дешевой и широко применяемой в промышленности технологии. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 пр.

Способ и устройство для бесконтактного измерения удельного электрического сопротивления металлического сплава методом вращающегося магнитного поля // 2531056

Изобретение относится к измерительной технике, представляет собой способ и устройство для бесконтактного измерения удельного электрического сопротивления металлического сплава методом вращающегося магнитного поля и может использоваться для анализа материалов, в частности металлов и сплавов в жидком и/или твердом состоянии, путём бесконтактного определения электрического сопротивления нагреваемого тела в зависимости от температуры. Способ состоит в том, что определяют угол поворота образца во вращающемся магнитном поле, создаваемом магнитным узлом в виде трех катушек трехфазного статора, измеряют значения тока, по значениям угла поворота и тока определяют удельное электрическое сопротивление, при этом измерение тока в одной из катушек осуществляют посредством мультиметра, а нулевые значения тока в любой из катушек используют для сигнализации о нарушении параметров магнитного поля. Устройство для реализации способа включает источник вращающегося магнитного поля с магнитной системой в виде трех катушек трехфазного статора, датчики тока, подключенные к катушкам, и компьютер, дополнительный датчик тока, мультиметр и устройство сигнализации, содержащее три вычитающих устройства, сумматор, пороговый элемент, оптический индикатор, входы мультиметра соединены с дополнительным датчиком тока, выход мультиметра соединен с одним из входов компьютера, входы каждого вычитающего устройства подключены к выходам двух датчиков тока, подключенных к катушкам, выходы вычитающих устройств соединены со входами сумматора, выход которого через пороговый элемент соединен с оптическим индикатором, выход порогового элемента является выходом устройства сигнализации и соединен с другим входом компьютера. Техническим результатом является обеспечение сокращения времени измерений, упрощение эксперимента при сохранении требуемой точности. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Устройство для крепления электронагревателя в электропечи // 2531066

Изобретение относится к технической физике, а именно к анализу материалов путем определения вязкости и электрического сопротивления и плотности высокотемпературных металлических расплавов. Предлагается устройство для крепления электронагревателя в электропечи, содержащее, по крайней мере, два соединительных элемента электронагревателя, являющиеся и токоподводами, нижний фланец электропечи, имеющий, по крайней мере, два фланцевых узла крепления, также являющихся токоподводами, и, по крайней мере, два болтовых соединения. При этом в каждом из фланцевых узлов крепления выполнено клиновидное углубление, в клиновидном углублении каждого из фланцевых узлов крепления размещен, по крайней мере, один соединительный элемент электронагревателя, кроме того, в устройство введены, по крайней мере, два клиновидных элемента фиксации крепления, по крайней мере, один из которых размещен в клиновидном углублении каждого из фланцевых узлов крепления, а болтовые соединения осуществляют функцию зажатия клиновидных элементов фиксации крепления соединительных элементов электронагревателя во фланцевых узлах крепления. Технический результат - ускорение и упрощение замены электронагревателя, упрощение и удешевление экспериментов. 3 ил.

Способ определения удельного электросопротивления расплавов и устройство для его осуществления // 2535525

Группа изобретений относится к технической физике, а именно - к анализу материалов путем бесконтактного определения методом вращающегося магнитного поля электросопротивления образца в зависимости от температуры, в частности - к определению относительной электропроводности металлов и сплавов в жидком и/или твердом состоянии. Способ определения удельного электросопротивления расплавов, при котором тигель с расплавом подвешивают коаксиально в цилиндрической электропечи на нижнем конце рабочей части упругой проволоки, верхний конец упругой проволоки закреплен в узле фиксации. При этом перед исследованием расплава изменяют длину рабочей части упругой проволоки путем обеспечения неподвижности верхнего конца рабочей части упругой проволоки относительно узла фиксации. Устройство для определения удельного электросопротивления расплавов содержит тигель с расплавом, подвешенный коаксиально в цилиндрической электропечи на нижнем конце рабочей части упругой проволоки, верхний конец которой закреплен в узле фиксации. При этом в него введены струбцина и штифт, закрепленный некоаксиально в узле фиксации, струбцина закреплена на штифте с возможностью ее перемещения вдоль штифта и имеет средство для закрепления в струбцине верхнего конца рабочей части упругой проволоки. Технический результат - обеспечение сокращения времени экспериментов и их упрощение при определении электросопротивления различных сплавов в случае их смены. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Устройство для измерения температурных параметров сверхпроводников // 2556273

Изобретение относится к устройствам для исследования сверхпроводников с помощью электрических и магнитных средств и позволяет обеспечить высокую точность измерения температурных параметров сверхпроводников. В корпусе устройства установлены две катушки индуктивности. Оси катушек ориентированы параллельно друг другу и поверхности образца, расположенного между катушками. Для уменьшения поля рассеяния первичной катушки и увеличения величины спада сигнала при переходе в сверхпроводящее состояние катушки индуктивности выполнены с прямоугольным поперечным сечением и установлены меньшей стороной прямоугольника параллельно поверхности образца. Механизм регулировки и фиксации расстояния между образцом и поверхностью криоагента обеспечивает исключение влияния конвекционных паров вблизи поверхности криоагента. Корпус устройства выполнен из двух половин. Образец сверхпроводника установлен в плоскости разъема корпуса для обеспечения точности фиксации положения сверхпроводника относительно катушек индуктивности и поверхности криоагента. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

Полупроводниковый газовый сенсор // 2557435

Изобретение может быть использовано в газоанализаторах, газосигнализаторах и газовых пожарных извещателях. Полупроводниковый газовый сенсор содержит корпус 1 реакционной камеры 2, выполненный из коррозионно-стойкой стали. Корпус 1, с торца закрытый сеткой 3 из проволоки диаметром 0,03…0,05 мм шагом 0,05…0,07 мм из нержавеющей стали. В корпусе 1 по центру реакционной камеры 2 на контактных проводниках 4 установлен шарообразный полупроводниковый газочувствительный элемент 5 при помощи проводов нагревателя 6 и измерительного проводника 7. Внутри полупроводникового газочувствительного элемента 5 размещен нагреватель 6 в виде цилиндрический пружины, внутри которой по ее оси и по диаметру шарообразного полупроводникового элемента 5 расположен прямой измерительный проводник 7. Нагреватель 6 и измерительный проводник 7 газочувствительного элемента выполнены из платиновой проволоки диаметром 0,015…0,03 мм, при этом нагреватель выполнен 2…8 витками этой проволоки с диаметром витков 0,3…0,6 мм. Пространство вокруг прямого измерительного проводника 7 и внутри цилиндрический пружины нагревателя 6 заполнено газочувствительным составом SnO2, вокруг которого (и нагревателя 6) расположен шарообразный пористый и газочувствительный слой 5 из In2O3; внешний диаметр которого составляет 0,8…0,9 мм. Изобретение обеспечивает повышение чувствительности, а также существенное улучшение механической прочности, долговременной стабильности, быстродействия и устойчивости к воздействию внешних факторов. 8 ил., 4 табл.

Способ анализа состава газовой среды // 2586446

Изобретение относится к области газового анализа, а именно к способам распознавания состава многокомпонентных газовых смесей. Задачей изобретения является разработка способа анализа состава газовой среды путем измерения полного сопротивления (импеданса) газочувствительного полупроводникового слоя, сегментированного набором компланарных электродов в составе мультисенсорного чипа, при воздействии различных газовых сред, позволяющего проводить их качественное распознавание. Техническим результатом является увеличение точности анализа состава газовой среды с помощью мультисенсорного чипа согласно принципам работы прибора вида «электронный нос» за счет увеличения количества характеристик, используемых для построения векторного отклика, чувствительного к виду газовой среды, путем определения набора параметров, изменяющихся при воздействии газов, по измерениям спектра (или частотной зависимости) импеданса отдельных сенсорных сегментов чипа. Важной особенностью способа является применение низких частот (10-2-102 Гц), в котором изменение импеданса, обусловленное адсорбцией газов, учитывает медленные процессы токопереноса в газочувствительном полупроводниковом материале, что определяет соответствующее изменение элементов эквивалентной электрической цепи, используемое в данном способе для решения задачи анализа газового состава. При этом измерение бòльшего количества сенсорных сегментов чипа позволяет увеличить размерность анализируемого векторного сигнала и повысить точность идентификации газа. 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

Способ электрометрического измерения производной химического потенциала по температуре и устройство для его осуществления // 2617149

Изобретение относится к области электрометрического анализа химического потенциала μ c помощью модуляции температуры T и может быть использовано для исследования характеристик имеющихся и для конструирования новых элементов наноэлектроники. Предложен способ измерения ∂μ/∂T, который позволяет измерить ∂S/∂n в двумерных системах с изменяемой концентрацией n. В изобретении используется модуляция температуры структуры, изготовленной на поверхности исследуемого образца, и электрически эквивалентной плоскому конденсатору, одной из обкладок которого является исследуемое вещество, и последующее измерение возникающего тока перезарядки структуры. При этом структура (образец) размещается в экранирующем внешние электрические поля и теплопроводящем контейнере, обеспечивающем однородность температуры по площади образца. В случае если исследуемое вещество является двумерной системой с перестраиваемой концентрацией носителей заряда, то дополнительным результатом измерений является определение энтропии системы. Технический результат – повышение точности и достоверности измерения химического потенциала и энтропии. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Устройство для определения параметров ленточных сверхпроводников // 2628452

Использование: для определения физических свойств сверхпроводников. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для определения параметров ленточных сверхпроводников включает генератор, частотозадающий элемент генератора, соединенную с генератором катушку индуктивности, приемник, частотозадающий элемент приемника и соединенную с приемником катушку индуктивности, катушки индуктивности генератора и приемника расположены с зазором, обеспечивающим возможность размещения между катушками индуктивности ленточного сверхпроводника, а полосы пропускания частот частотозадающих элементов генератора и приемника совпадают не менее чем на половине ширины полосы частот частотозадающего элемента, имеющего меньшую ширину пропускания. Технический результат: обеспечение возможности высокой точности и воспроизводимости результатов измерений. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 2 ил.