Седалищев В.Н. Методы и средства измерений неэлектрических величин
Подождите немного. Документ загружается.
Портативный рефрактометр
Цифровой портативный рефрактометр
Цифровые лабораторные рефрактометры
Комбинированный прибор
18.2 Измерение содержания компонентов в смесях
Иногда для дополнительной характеристики физических и химических
свойств сред требуется произвести оценку количественного содержания
разнородных компонентов в основной фазе вещества.
Например, при наличии твердых и жидких частиц в газообразных средах
образуются аэрозоли (измеряют запыленность воздуха, туман), а в жидких
средах – гидрозоли
, суспензии, эмульсии.
При проведении измерений в таких средах важную роль играет
правильность проведения отбора проб.
Например, при исследовании воздуха различают измерение концентрации
пыли в воздухе и количеством осевшей пыли (есть зависимость). Для
определения гранулометрического состава взвешенных твердых частиц
используют более семидесяти методов.
Химические датчики реагируют на определенные химические вещества
или
на определенные химические реакции. Их назначение – идентификация и
количественное определение химических реагентов в газовой и жидкой
фазах.
В научных и прикладных исследованиях химические датчики
используются во многих областях: от мониторинга загрязнения атмосферы
до обнаружения взрывчатых веществ. Такие датчики применяются для
проведения регулярных анализов образцов газов в лабораторных условиях и
для определения распространения опасных химических реагентов в почве и
водоемах. Новые сферы применения химических датчиков – обнаружение
местоположения насекомых – переносчиков опасных заболеваний и др.
В промышленности химические датчики используются для контроля за
технологическими процессами при производстве пластмасс, а также при
литье металлов, где количество диффундированных газов влияет на
некоторые параметры металлов
, например, на их прочностные
характеристики. Они применяются для мониторинга среды в рабочих
помещениях, для определения концентраций опасных для здоровья людей
компонентов. Сфера применения химических датчиков постоянно растет:
тестирование и контроль за качеством продуктов питания, за
распространением пестицидов в сельском хозяйстве и т.п.
В настоящее время одним из перспективных направлений разработки
устройств, предназначенных для анализа состава газовых сред, является
создание микроэлектронных датчиков сорбционного типа. Основное
достоинство таких устройств заключается в
простоте конструкции, низкой
стоимости, не требуется высококвалифицированный персонал. В основе
механизма чувствительности таких устройств лежит использование
зависимости проводимости полупроводниковых пленок от состава
окружающего газа. Молекулы исследуемого вещества адсорбируются на
поверхности полупроводника (двуокись олова; окислы цинка, титана,
железа), обмениваясь с ним электронами и изменяя при этом его
проводимость. С повышением температуры полупроводника
чувствительность такого датчика возрастает.
Рис. 12.3 Схема газового датчика: 1 – устройство для измерения
проводимости; 2 – SnO
2
; 3 - резистивный нагреватель; 4 – SiO
2
.; 5 – Si.
В медицине химические датчики применяются для тестирования
состояния здоровья людей по анализам состава крови, выдыхаемого воздуха.
Такие датчики также используются при определении уровня алкоголя в
крови и др.
В военной области химические датчики используются для обнаружения
топливных складов и ядовитых веществ. Такие датчики используются для
мониторинга подземных вод на
территории военных баз, определения
токсичности многих производств, особенно ядерных, с целью исследования
влияния тех или иных компонентов на окружающую среду и здоровье людей.
18.3 Характеристики химических датчиков
Для химических датчиков характерны два дополнительных параметра по
сравнению с общими для всех датчиков характеристиками. Это
избирательность и чувствительность (разрешающая способность) к
определенному химическому реагенту. Избирательность является самой
важной характеристикой химических датчиков.
Основная проблема химических датчиков заключается в том, что
исследуемые химические реакции меняют сам датчик, часто необратимо.
Например, электрохимические элементы на основе жидких электролитов при
каждом измерении теряют небольшое количество электролита, поэтому надо
постоянно доливать его или использовать датчики другого типа,
такие как
химические детекторы на основе полевых транзисторов.
Другой проблемой является то, что химические датчики могут
подвергаться большому числу различных комбинаций химических реагентов,
все из которых просто невозможно смоделировать. При этом могут
происходить серьезные изменения рабочих параметров датчиков.
Химическое загрязнение является проблемой многих датчиков.
18.4 Классификация химических датчиков
Существует два класса химических датчиков, различающихся по типу
явления, лежащего в основе их принципа действия, и по методу измерения.
Все химические детекторы можно разделить на две большие группы:
прямого измерения (простые) и косвенные (составные). Каждая группа
датчиков делится еще на устройства химического и физического типа.
Датчики прямого действия основаны
на свойствах некоторых химических
реакций менять параметры электрической цепи: сопротивления, напряжения,
тока или емкости. Такие датчики используют дополнительные схемы для
согласования выходных электрических сигналов с интерфейсной схемой, но
в них нет никаких преобразователей, конвертирующих одну форму энергии в
другую.
Датчики же косвенного типа основаны на химических реакциях, не
вызывающих непосредственного
изменения электрических параметров,
поэтому в их состав всегда входят дополнительные преобразователи,
конвертирующие побочные явления реакций (изменение физических
параметров, сдвиг частоты, модуляцию света, изменение температуры и даже
массы) в электрические сигналы.
Рис. 18.2 Химические датчики прямого действия.
Рис. 18.3 Химические датчики косвенного действия.
В некоторых самых простых детекторах химического типа исследуемый
химический реагент вступает в прямую химическую реакцию с
чувствительным элементом, что вызывает значительное изменение их
выходных сигналов. При этом часто возникают необратимые изменения
самих датчиков и ухудшение их стабильности. Недостатком детекторов
химического типа является их неполная
восстанавливаемость после
проведения измерений, вызванная частичным использованием их
компонентов (уменьшение электролита в электрохимических элементах или
размеров электродов).
В детекторах физического типа химические реакции не протекают, но в
присутствии определенных химических реагентов происходит изменение их
физических свойств. Детекторы этой группы обладают меньшим дрейфом
характеристик и лучшей стабильностью по сравнению с датчиками
химического типа. Однако, как правило, они достаточно дороги из-за
необходимости использования дополнительных преобразователей и
обладают невысоким быстродействием.
18.5 Химические датчики прямого действия
По типу воздействия на электрические характеристики чувствительного
элемента датчики прямого действия делятся на: кондуктометрические
(переменный параметр – сопротивление или импеданс чувствительного
элемента), амперометрические (переменный параметр – напряжение на
паре
электродов). Существует множество химических и физических реакций, на
базе которых можно реализовать датчики прямого действия.
Электрохимические датчики являются самыми универсальными среди
всех химических датчиков. В конструкции электрохимического датчика
присутствуют электроды, между которыми протекает химическая реакция
или происходит перемещение зарядов, образующихся в процессе этих
реакций.
Рис. 18.4 Электрохимический первичный преобразователь.
Термокондуктометр предназначен для измерения комплексной
электромагнитной удельной проводимости растворов посредством измерения
проводимости кондуктометрической ячейки, а также температуры
посредством измерения сопротивления термометров сопротивления,
(металлических датчиков, термисторов или других типов датчиков
температуры) в энергетике, научных исследованиях и других областях
промышленности с целью определения концентрации веществ.
Термокондуктометр предназначен для эксплуатации в стационарных,
лабораторных или полевых условиях.
Металл-оксидные химические датчики газовые датчики на основе
диоксида олова (
2
SnO
) являются простыми и прочными измерительными
устройствами. Принцип их работы основан на свойстве некоторых оксидов
металлов в присутствии определенных газов менять свои электрические
характеристики. При нагреве в воздухе кристаллов оксида металла до
заданной температуры поверхность кристалла начинает адсорбировать атомы
газа, например, кислорода. В результате этого поверхность кристалла
становится заряженной, что уменьшает электрический ток через кристалл.
При воздействии на поверхность преобразователя определенных газов
происходит снижение поверхностного потенциала, что существенно
повышает проводимость кристалла. В измерительной схеме таких датчиков
используется чаще всего мост Уитстона. В логарифмических координатах
выходная характеристика датчика линейна. По скорости
изменения
проводимости преобразователя можно идентифицировать газ и определить
его концентрацию.
Химические полевые транзисторы реализуются на основе полевых
транзисторов, на затворы которых наносятся один или несколько слоев
специальных покрытий, способных реагировать на определенные
химические вещества. Эти химические вещества, воздействуя на затвор
транзистора, изменяют его проводимость между стоком и истоком. Величина
этих
изменений определяется типом химического вещества. В зависимости
от типа исследуемых реагентов меняется и тип покрытия.
Устройства со стеклянными электродами работают хорошо, но
громоздки, хрупки и имеют высокую стоимость. В настоящее время широко
применяется новый тип рН-метров на базе полевых МДП-транзисторов.
Существуют также устройства для измерения концентрации других ионов
в
растворе. Датчики данного типа называются ион-селективными полевыми
транзисторами (ИСПТ).
Рис. 18.5 Химический полевой транзистор.
В таких устройствах, когда к затвору приложен положительный по
отношению к подложке потенциал, электроны притягиваются к поверхности
подложки, образуя канал с низким сопротивлением. Таким образом,
потенциал затвора управляет током между истоком и стоком. Сопротивление
между затвором и подложкой очень велико, так что ток через затвор
пренебрежимо мал. На основе транзисторов данного типа изготавливают
ионно-селективные датчики.
Рис. 18.6 Ион-селективный полевой транзистор
В таких устройствах положительные ионы (катионы) абсорбируются из
раствора на пористой мембране (для повышения чувствительности), которая
служит затвором. Это создает отрицательно заряженный поверхностный
канал, проводящий ток между стоком и истоком. Структура транзистора
может иметь подложку (р) или (n) типа в зависимости от состава измеряемой
среды.
Для создания активных поверхностных мембран используют
разнобразные окислы для обнаружения различных ионов. Электрод
сравнения используется для смещения градуировочной характеристики в
рабочую точку.
МОПТ, имеющие покрытие затвора из палладия или платины,
используются для создания газоанализаторов. В таких устройствах на
поверхности палладия происходит диссоциация молекул водорода, которые
диффундируют через покрытие и, в
результате этого, граница «металл-
диэлектрик» становится заряженной. При этом создается электрическое поле,
которое смещает пороговое напряжение транзистора. Для увеличения
быстродействия (скорость диффузии мала) используют внешний нагреватель
(до 150° С).
Для определения более сложных веществ усложняют конструкцию
датчиков. Например, разработаны покрытия для контроля углекислого газа,
при этом в геле образуется угольная кислота
, концентрация которой и
измеряется. В настоящее время разработаны датчики водорода, аммиака,
сероводорода, углеводородов, спиртов и др.
Устройства данного типа используют и для создания биодатчиков. При
этом в качестве селективной мембраны используется органические
материалы. Их можно использовать также непосредственно на живом
организме.
Существуют химические полевые транзисторы, позволяющие
детектировать водород в воздухе, кислород в крови, некоторые опасные для
здоровья человека газы, взрывоопасные вещества.
Рис.18.7 Конструкция жидкостного химического полевого транзистора и его
электрическая схема включения.
18.6 Химические датчики косвенного действия
Составные датчики основаны на химических преобразованиях,
изменяющих состояние индикатора. Индикатором может быть изменение
температуры, прозрачности, частоты колебаний и др. Для получения из
индикатора электрического выходного сигнала требуется дополнительный
преобразователь.
Тепловые датчики. Изменение внутренней энергии системы
сопровождается выделением или поглощением тепла. Следовательно все
эндо- и
экзотермические реакции могут быть обнаружены пи помощи
тепловых детекторов. Датчики для детектирования реакций основаны на
принципе микрокалориметрии, заключающейся в следующем. На
температурный зонд наносится покрытие, реагирующее на определенное
химическое вещество. Зонд измеряет количество тепла, выделяющегося в
процессе протекания реакции между средой и покрытием зонда.
Рис. 18.8 Схема химического теплового датчика.
Оптические химические датчики основаны на взаимодействии
электромагнитных волн с исследуемым образцом. В результате изменяются
некоторые свойства излучений, такие как интенсивность, поляризация,
скорость света и др. Модуляция длины волны излучения происходит из-за
присутствия в образце определенных химических веществ. Оптические
модуляции сигналов исследуются методами спектрометрии, позволяющей
получать различную информацию о микроструктурах, динамических
процессах в полимерах.
Хемилюминесцентные датчики при воздействии на них излучением в
присутствии некоторых веществ начинают излучать свет. Это используется
для детектирования различных газов (углекислый газ, озон). Детектирование
исходящего излучения проводится при помощи фотодетекторов и
фотоумножителей.
Рис. 18.9 Упрощенная схема оптического детектора углекислого газа.