доц., Джизакский государственный педагогический университет, Республика Узбекистан, г. Джизак
МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО СЕНСОРА ОКСИДА УГЛЕРОДА
METROLOGICAL CHARACTERISTICS SEMICONDUCTOR CARBON OXIDE SENSOR
05.11.2021
220
Цитировать:
Сидикова Х.Г., Эшкобилова М.Э., Абдурахманов Э. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО СЕНСОРА ОКСИДА УГЛЕРОДА // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. 2021. 11(89). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/12504 (дата обращения: 19.04.2024).
АННОТАЦИЯ
Изучены метрологические и эксплуатационные характеристики разработанных селективных полупроводниковых сенсоров для экспрессного определения оксида углерода (I) в широком интервале его концентрации в атмосферном воздухе и технологических газах. Разработанные полупроводниковые сенсоры характеризуются высокой экспрессностью, портативностью, простотой в изготовлении и эксплуатации. значение относительного стандартного отклонения (Sr) за счет не измеряемых компонентов, не превышает 0,05. Изменение расхода газовой смеси в исследуемом интервале (5 - 50 л/ч) не оказывает существенного влияния на значение выходного сигнала сенсора. Выходной сигнал сенсоров также не зависит от расположения в пространстве и угла наклона датчика.
ABSTRACT
The work has developed a selective semiconductor sensor, which provides the rapid determination of carbon monoxide in a wide range of its concentration in atmospheric air and process gases. The developed semiconductor sensors are characterized by high speed, portability, ease of manufacture and operation. The value of the relative standard deviation (Sr) due to not measured components does not exceed 0.05. A change in the flow rate of the gas mixture in the investigated interval (5 - 50 l / h) does not significantly affect the value of the sensor output signal. The output signal of the sensors also does not depend on the location in space and tilt angles.
Ключевые слова: полупроводниковый сенсор, монооксид углерода, газовые смеси метана и водорода, аналитические и метрологические характеристики, динамические характеристики, селективность, стабильность.
Keywords: chemical sensor, carbon monoxide, metrological and analytical characteristics, semiconductor supply voltage sensor, dynamical characteristics, selectivity, stability, hydrogen, methane.
Введение.
Область применения химических сенсоров оксида углерода охватывает множество технологических, медицинских и экологических задач, где необходим постоянный контроль компонентов газовых сред [1-3]. Одним из перспективных направлений создания портативных газоанализаторов горючих веществ (в частности оксида углерода) основано на использовании полупроводниковых сенсорных элементов. Газовые сенсоры на основе полупроводниковых элементов привлекают значительное внимание специалистов в силу их исключительно высокой чувствительности к составу газовой фазы, простотой конструкции и возможностью интеграции в системы информации [4, 5]. Нами в работах [6,7] представлен полупроводниковый сенсор оксида углерода, содержащий газочувствительную плёнку, синтезированную методом золь-гель технологии на основе тетраэтоксисилана и оксидов металлов.
Целью данной работы является исследование некоторых метрологических и аналитических характеристик полупроводниковых сенсоров оксида углерода.
Материалы и методы. С использование подобранных катализаторов и оптимизированных условий получения газочувствительных материалов были изготовлены сенсоры для селективного определения оксида углерода в присутствии водорода и метана. Принцип действия разработанного полупроводникового сенсора оксида углерода (I) основан на изменении электропроводности газочувствительного слоя в результате сорбции СО и его взаимодействия с поверхностным кислородом.
Изготовленные сенсоры (ППС-СО 1 М и ППС-СО 2 М) обеспечивают контроль микро- и макро- концентраций оксида углерода в газовых смесях. Испытаниям подвергались образцы полупроводниковых сенсоров, работающих в составе переносных и стационарных автоматических газоанализаторов:"ПГА-СО1M" и "ПГА-СО2M", используемых для контроля содержания оксида углерода в атмосферном воздухе и технологтческих газах.
Эксперименты по установлению значений параметров разработанного сенсора проводили на установке схема, которой приведена, на рисунке 1.
/1.png)
Рисунок 1. Схема установки для испытания полупроводникового сенсора:
1-полупроводниковый сенсор; 2-милливольтметр; 3- источник постоянного тока; 4- пульт управления; 5-редуктор; 6-баллон со стандартным газом; 7-трехходовой кран; 8-генератор чистого воздуха; 9-генератор-разбавитель; 10-компрессор.
Результаты и их обсуждение. Программа испытания сенсора в рабочем режиме включала специальные эксперименты, связанные с подбором величины напряжения питания, установлением времени готовности прибора, динамических и градуировочных характеристик, а также выявлением степени его селективности.
Величина сигнала и селективность полупроводникового сенсора зависят от напряжения питания нагревателя сенсора, изменение которого приводит к непостоянству температуры на поверхности газочувствительных элементов сенсора. В опытах использовали ПГС с содержанием СО 700 мг/м3 и 0,50 % об., полученные при этом результаты представлены в таблицах 1 и 2.
Таблица 1.
Зависимость аналитического сигнала сенсора (ППС-СО 1M) от напряжения питания (Ссо-700 мг/м3 , n=5, p=0,95)
|
№ п/п |
Напряжение питания сенсора,В |
Сигнал сенсора, мВ |
||
|
х±Dх |
S |
Sr*102 |
||
|
1 |
0,70 |
2,3±0,1 |
0,08 |
0,59 |
|
2 |
1,00 |
2,7±0,1 |
0,08 |
0,79 |
|
3 |
1,25 |
5,4±0,1 |
0,08 |
0,71 |
|
4 |
1,50 |
16,2±0,2 |
0,16 |
0,50 |
|
5 |
1,75 |
33,8±0,2 |
0,16 |
0,10 |
|
6 |
2,00 |
40,5±0,2 |
0,16 |
0,07 |
|
7 |
2,25 |
39,2±0,3 |
0,24 |
0,07 |
|
8 |
2,50 |
35,1±0,4 |
0,32 |
0,08 |
|
9 |
2,75 |
31,1±0,3 |
0,24 |
0,06 |
|
10 |
3,00 |
28,4±0,3 |
0,24 |
0,09 |
Таблица 2.
Зависимость аналитического сигнала сенсора (ППС-СО 2M) от напряжения питания (Ссо 0,5 % об, n=5, p=0,95)
|
№ п/п |
Напряжение питания сенсора,В |
Сигнал сенсора, мВ |
||
|
х±Dх |
S |
Sr*102 |
||
|
1 |
1,25 |
1,35±0,01 |
0,01 |
0,60 |
|
2 |
1,50 |
2,03±0,02 |
0,02 |
0,79 |
|
3 |
1,75 |
3,38±0,03 |
0,02 |
0,71 |
|
4 |
2,00 |
4,73±0,03 |
0,02 |
0,51 |
|
5 |
2,25 |
23,5±0,04 |
0,03 |
0,10 |
|
6 |
2,50 |
35,1±0,03 |
0,02 |
0,07 |
|
7 |
2,75 |
44,6±0,04 |
0,03 |
0,07 |
|
8 |
3,00 |
52,7±0,05 |
0,04 |
0,08 |
|
9 |
3,25 |
50,7±0,04 |
0,03 |
0,06 |
|
10 |
3,50 |
47,3±0,05 |
0,04 |
0,08 |
Как следует из приведенных данных, наиболее высокие сигналы сенсоров ППС-СО 1 М и ППС-СО 2 М наблюдаются при значениях питания, равных 2,0 и 3,0 В, соответственно. Поэтому, все последующие опыты по определению микро- и макроконцентрации оксида углерода проводились при этих оптимизированных значениях питания сенсоров.
Динамические характеристики сенсора оксида углерода ППС-СО. одним из основных требований, предъявляемых к сенсорам пожаро- и взрывоопасных компонентов, является обеспечение экспрессности определения компонента, (т.е. небольшое время переходного процесса), для чего были изучены их динамические характеристики.
Перед началом испытания сенсора необходимо установить значение выходного (фонового) сигнала, для чего в течение 10 мин для пяти последовательно подключенных полупроводниковых сенсоров оксида углерода подавался очищенный воздух, и сигналы регистрировались с помощью КСП-4 и цифрового вольтметра В7-35. В экспериментах использовались ПГС с концентрацией оксида углерода 250 мг/м3 и 1,0 % об. Проверка динамических характеристик сенсора сопровождалась непрерывной записью переходного процесса на диаграммной ленте самопишущего прибора, скорость движения которой, была выбрана такой, при которой график переходного процесса был адекватным ГОСТу 133220-81 "Газоанализаторы, промышленные автоматические". Общие технические параметры сенсора укладывались на отрезке диаграммной ленты, длиной 15 см.
Изменение концентрации на входе сенсора отмечалось, на диаграммной ленте и было взято за начало отсчета времени. Результаты определения динамических характеристик полупроводниковых сенсоров ППС-СО 1 М и ППС-СО 2 М приведены в таблице 3
Таблица 3.
Динамические характеристики полупроводникового сенсора оксида углерода (n=5, P=0,95)
|
№ п/п |
Концентрации оксида углерода, мг/м3 (об.%) |
Динамические характеристики сенсора* |
Время, с. |
||||
|
ППС-1 |
ППС-2 |
ППС-3 |
ППС-4 |
ППС-5 |
|||
|
ППС-СО 1 М, ССО, мг/м3 |
|||||||
|
1 |
250 |
t0,1 |
1 |
2 |
1 |
1 |
2 |
|
2 |
250 |
t0,65 |
5 |
4 |
6 |
5 |
5 |
|
3 |
250 |
t0.9 |
9 |
8 |
8 |
9 |
9 |
|
4 |
250 |
tп |
12 |
12 |
11 |
12 |
12 |
|
ППС-СО 2 М, ССО, об.% |
|||||||
|
5 |
1,00 |
t0,1 |
1 |
1 |
2 |
2 |
2 |
|
6 |
1,00 |
t0,65 |
5 |
6 |
6 |
5 |
6 |
|
7 |
1,00 |
t0.9 |
8 |
9 |
8 |
8 |
9 |
|
8 |
1,00 |
tп |
11 |
12 |
10 |
12 |
12 |
*t0,1 - время начала реагирования, с; t0,65 – постоянное время, с; t0.9- время установления показаний, с; tп - полное суммарное время измерения, с.
Как видно из приведенных данных, у разработанных сенсоров время начала реагирования (t0,1)- 1-2 с, постоянное время (t0,65) не более 6 с, а время установления показаний (t0,9)- достигается до 9 с и полное время измерения (tп) 11-12 с. Приведенные данные показывают возможность экспрессного определения оксида углерода разработанными сенсорами.
Градуировочная характеристика ППС-СО. Зависимость полезного аналитического сигнала ППС-СО от концентрации оксида углерода устанавливалась в широком интервале его концентрации пропусканием через разработанный сенсор газовой смеси оксида углерода в воздухе. В проведенных экспериментах каждая точка проверки по диапазону измерения характеризовалась шестью значениями: три- при прямом и три - обратном циклах измерения. Аналитический сигнал сенсоров контролировался вольтметром В7-35 после установления постоянного значения (не менее 1 мин, после подачи в прибор стандартной смеси). Результаты проведенных экспериментов по определению градуировочной характеристики полупроводниковых сенсоров оксида углерода приведены в таблицах 4 и 5.
Таблица 4.
Зависимость аналитического сигнала cенсора (ППС-СО1М) от количества определяемого компонента (ССО) в ПГС (n=5, P=0,95)
|
№ п/п |
Содержание СО в смеси, мг/м3 |
Сигнал сенсора, мВ |
||
|
х±Dх |
S |
Sr*102 |
||
|
1 |
100 |
5,4±0,1 |
0,16 |
0,57 |
|
2 |
250 |
12,2±0,1 |
0,08 |
0,14 |
|
3 |
500 |
23,0±0,1 |
0,16 |
0,21 |
|
4 |
1000 |
44,6±0,2 |
0,08 |
0,07 |
|
5 |
1500 |
60,8±0,1 |
0,16 |
0,08 |
|
6 |
2000 |
79,7±0,2 |
0,24 |
0,12 |
|
7 |
2500 |
98,6±0,3 |
0,16 |
0,06 |
|
8 |
3000 |
122,0±0,2 |
0,16 |
0,57 |
Таблица 5.
Зависимость аналитического сигнала cенсора (ППС-СО1М) от количества определяемого компонента (ССО) в ПГС
|
№ п/п |
Содержание СО в смеси, мг/м3 |
Сигнал сенсора, мВ |
||
|
х±Dх |
S |
Sr*102 |
||
|
1 |
0,2 |
28,4±0,2 |
0,08 |
1,85 |
|
2 |
0,5 |
58,1±0,1 |
0,08 |
0,82 |
|
3 |
0,75 |
81,0±0,2 |
0,08 |
0,43 |
|
4 |
1,00 |
122,5±0,1. |
0,16 |
0,45 |
|
5 |
1,50 |
189,8±0,2 |
0,08 |
0,16 |
|
6 |
2,00 |
247,4±0,3 |
0,16 |
0,25 |
|
7 |
2,50 |
290,1±0,2 |
0,24 |
0,30 |
Как следует из приведенных данных, в изученном интервале зависимость сигнала полупроводниковых сенсоров ППС-СО 1М и ППС-СО 2М от концентрации оксида углерода в ПГС имеет прямолинейный характер.
Проверка стабильности значений входных сигналов ППС-СО. Ресурс работы газоанализатора тесно связано со стабильностью его сигнала. Как известно, полупроводниковые сенсоры характеризуются с высокой стабильностью сигнала. Проверка постоянства величин входных сигналов по времени контролировалась при непрерывной работе в течение 2000 час. Измерение входного сигнала в течение регламентированного интервала времени фиксировали на диаграммной ленте самопишущего прибора. При обработке результатов испытаний не учитывались случайные единичные выбросы выходного сигнала при длительности каждого выброса не более 10 с. Опыты по изучению стабильности работы сенсора оксида углерода проводились при нормальных условиях 740 ± 20 мм рт. ст. B экспериментах использовали ПГС с содержанием оксида углерода 650 мг/м3 и 1,50 об.%.
Результаты 2000-часового эксперимента представлены в таблице 6., из которых следует, что выходной сигнал ППС-СО в течение регламентированного интервала времени сохраняется стабильно.
Таблица 6.
Результаты определения стабильность ППС-СО (n=5, P=0,95)
|
№ п/п |
Время, час |
ППС-СО 1М ССО=650мг/м3 |
ППС-СО 2М ССО=1,50об.% |
||||
|
|
S |
Sr∙102 |
|
S |
Sr∙102 |
||
|
1 |
1 |
26,5 |
0,108 |
0,55 |
155,9 |
1,953 |
1,69 |
|
2 |
24 |
25,7 |
0,217 |
1,15 |
153,8 |
1,953 |
1,71 |
|
3 |
96 |
26,6 |
0,108 |
0,55 |
153,5 |
1,845 |
1,69 |
|
4 |
220 |
27,0 |
0,325 |
1,63 |
155,4 |
0,868 |
0,76 |
|
5 |
350 |
26,7 |
0,217 |
1,09 |
155,3 |
2,171 |
1,92 |
|
6 |
450 |
26,7 |
0,435 |
2,19 |
153,6 |
2,279 |
2,01 |
|
7 |
550 |
25,4 |
0,217 |
1,16 |
154,6 |
0,76 |
1,61 |
|
8 |
650 |
25,8 |
0,435 |
2,27 |
153,2 |
0,651 |
0,58 |
|
9 |
750 |
25,7 |
0,217 |
1,15 |
152,8 |
0,868 |
1,81 |
|
10 |
850 |
26,7 |
0,435 |
2,19 |
154,4 |
1,736 |
1,51 |
|
11 |
1000 |
25,7 |
0,217 |
1,15 |
153,6 |
1,845 |
1,97 |
|
12 |
1200 |
25,8 |
0,217 |
1,13 |
156,1 |
0,852 |
0,7з |
|
13 |
1400 |
25,9 |
0,325 |
1,7 |
155,7 |
0,821 |
0,57 |
|
14 |
1600 |
26,1 |
0,325 |
1,69 |
153,6 |
2,175 |
1,79 |
|
15 |
1800 |
25,7 |
0,325 |
1,71 |
153,8 |
1,165 |
1,01 |
|
16 |
2000 |
26,7 |
0,325 |
1,65 |
154,4 |
1,736 |
1,51 |
Таблица 7.
Результаты, полученные при определении максимального расхождения сенсора оксида углерода
|
Сенсор |
Umax,, мВ |
Umin, мВ |
Dtg |
Допуск. по ГОСТу |
|
ССО=650 мг/м3 |
27,0 |
25,4 |
1,6 |
5,0 |
|
ССО=1,50 об.% |
155,9 |
152,8 |
3,1 |
5,0 |
Проведенные нами расчеты показывают, что значение Dtg за регламентированный интервал времени равно 3,1 % (таблица 7.). Изменение значения выходного сигнала за регламентированный интервал времени оценивалось максимальным расхождением сигнала сенсора:
Dtg =(Upmax- Upmin) 100/Uшк (1),
где Dtg-предел допускаемого изменения выходного сигнала за регламентированный интервал времени; Upmax, и Upmin- максимальные и минимальные расхождения сигнала; Uшк-шкала прибора (КСП 0-50 мВ). Проведенные нами расчеты показывают, что значение Dtg за регламентированный интервал времени равно 2,5 % .
Селективность полупроводникового сенсора оксида углерода. В объектах, где требуются контроль содержания оксида углерода помимо оксида углерода, содержится также и ряд горючих и негорючих веществ. Селективность работы сенсора оксида углерода определяли в присутствии горючих компонентов (водорода, паров бензина и метана), присутствующих вместе в контролируемых объектах. Эксперименты проводили при температуре 20 0С и давлении 730±10 мм рт.ст., на вход сенсора подавалась газовая смесь в течение 5 мин с последующим фиксированием показаний прибора. Испытания прибора проводили по 5 параллельным определениям для каждой газовой смеси. Результаты, полученные при установлении селективности разработанных сенсоров оксида углерода, представлены в таблице 4.8. Как следует из приведенных данных, разработанный сенсор позволяет селективно определять оксида углерода в атмосферном воздухе и технологических газах в присутствии метана, водорода и паров бензина.
Таблица 8.
Результаты установления селективности при определении оксида углерода (n = 5, Р = 0,95)
|
№ п/п |
Введено газовой смеси, об.% (мг/м3) |
Найдено оксида углерода, об.% (мг/м3) |
|||||
|
|
S |
Sr∙102 |
|||||
|
ППС-СО 1 М ССО, мг/м3 |
|||||||
|
1 |
СО 1650+возд |
1642±7,4 |
5,985 |
0,46 |
|||
|
2 |
СО 1650+CH41000+возд |
1653±9,6 |
5,655 |
0,47 |
|||
|
3 |
СО 1650+H2 1000+возд |
1645±7,8 |
5,755 |
0,44 |
|||
|
4 |
СО 1650+СО2 1000+возд |
1652±8,7 |
5,722 |
0,46 |
|||
|
|
СО 1650+бенз. 0,50+возд |
1635±7,0 |
5,655 |
0,45 |
|||
|
ППС-СО 2 М ССО, об.% |
|||||||
|
5 |
СО 0,75+CO 0,90+возд. |
0,70±0,02 |
0,019 |
3,22 |
|||
|
6 |
СО 0,75+CH4 0,90+возд |
0,71±0,01 |
0,018 |
1,58 |
|||
|
7 |
СО 0,75+H2 0,90+возд |
0,72±0,02 |
0,016 |
3,09 |
|||
|
8 |
СО 0,75+СО2 0,90+возд |
0,71±0,01 |
0,018 |
1,58 |
|||
Погрешность сенсоров при определении компонентов газовой смеси не превышает 0,5 %.
Заключение. Таким образом, в результате проведенных опытов разработан селективный полупроводниковый сенсор оксида углерода, обеспечивающий экспрессное определение оксида углерода в широком интервале его концентрации в атмосферном воздухе и технологических газах. Разработанные полупроводниковые сенсоры характеризуются высокой экспрессностью, портативностью, простотой в изготовлении и эксплуатации. значение относительного стандартного отклонения (Sr) за счет не измеряемых компонентов, не превышает 0,05. Изменение расхода газовой смеси в исследуемом интервале (5 - 50 л/ч) не оказывает существенного влияния на значение выходного сигнала сенсора. Выходной сигнал сенсоров также не зависит от расположения в пространстве и углов наклонов, что позволяет отнести разработанные сенсоры (согласно ГОСТу-13320-82) к типу независимых.
Список литературы:
- Васильев А. А. Физико-химические принципы конструирования газовых сенсоров на основе оксидов металлов и структур металл / твердый электролит / полупроводник // Автореферат диссертации кандидата технических наук. –Москва, 2004.
- Оксид углерода (СО), его воздействие на человека и приборы, контролирующие его содержание в воздухе// ГАЗОАНАЛИТИКА.РФ, 2021- Оксид углерода (СО) - газоанализаторы, gaz-rf@mail.ru. Дата обращения 14.09.20
- Обзор датчиков угарного газа//https://osensorax.ru. Дата обращения 23.04.21
- Анищенко Ю. В. Многокомпонентный газоанализатор с полупроводниковым датчиком // Автореферат диссертации кандидата технических наук. – Томск, 2010.
- Абдураҳмонов Э., Сидикова Х.Г., Эшкобилова.М., Султонов М.М., Даминов Ғ. Н. Химический сенсор для мониторинг оксида углерода из состава транспортных выбросов // SCINCE AND EDUCATION ISSN 2181-0842/ VOLUME 1, ISSUE 1 . APREL 2020.
- Абдурахманов Э., Сидикова Х.Г., Муродова, З.Б., Эшқобилова М.Э. Development of a selective sensor for the determination of hydrogen //I OP Conference Series: Earthand Environmental Science (IOP EES) IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science 839 (2021) 042078 IOP Publishing. doi:10.1088/1755-1315/839/4/042078
- Абдурахманов Э., Сидикова Х.Г., Муродова. З.Б., Эшқобилова M.Э. Development of a selective carbon monoxide sensor //IOP Conference Series: Earthand Environmental Science (IOP EES) IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science 839 (2021) 042086. IOP Publishing doi:10.1088/1755-1315/839/4/042086
Информация об авторах
Docent, Jizzakh State Pedagogical University, Republic of Uzbekistan, Jizzakh
PhD, и/о доцента, Самаркандский архитектурно строительный институт, Республика Узбекистан, г. Самарканд
PhD, and about. Docent Samarkand Architectural and Construction Institute, Republic of Uzbekistan, Samarkand
д-р хим. наук, проф., зав. каф. аналитическая химия Самаркандского государственного университета, 703004, Узбекистан, г. Самарканд, Университетский бульвар, 15
doctor of Chemistry, Professor, Head of Analytical Chemistry Chair, Samarkand State University, 703004, Uzbekistan, Samarkand, University Boulevard, 15