Исследование некоторых метрологических параметров полупроводникового сенсора сероводорода

АННОТАЦИЯ

В работе изучено некоторые метрологические параметры полупроводникового сенсора сероводорода. Экспериментально установлено, что сенсор в изученном интервале концентрации выдерживает перегрузки по концентрации, а также его сигнал в изученном интервале давления (600–900 мм рт. ст.) и расхода (5–50 л/ч) газа сохраняется стабильно.

ABSTRACT

In the article some meteorological data of hydrogen sulphide semiconducting sensor is studied. It is established experimentally that the sensor in the studied concentration range carries overloading of this concentration as well as its signal in the investigated pressure range (600–900 mm Hg), and the consumption (5–50 l/h) of the gas is maintained consistently.

Введение. Ежегодно в атмосферу Земли в результате различных техногенных и биогенных процессов выбрасывается огромной количество сероводорода [1–4]. Поскольку такие выбросы токсичны и обладают высокой химической активностью, разработка сенсоров для определения концентрации H₂S в различных средах является весьма актуальной задачей. Основными требованиями, предъявляемыми к подобным сенсорам, являются дешевизна, портативность, селективность и высокая чувствительность.

Цель настоящего исследования – изучение некоторых метрологических параметров (селективность, зависимости сигнала от расхода, давления газовой смеси и устойчивость сенсора к перегрузкам по концентрациям) полупроводникового сенсора сероводорода (ППС-H₂S). В разработанных нами полупроводниковых сенсорах селективность определения обеспечена подбором оптимальных значений температур и соответствующих катализаторов.

Методика исследования. Изучение селективности определения сероводорода разработанными сенсорами проводили c использованием аттестованных газовых смесей по требованию ГОСТа, предъявляемого к газоаналитическим приборам для замкнутых экологических систем и объектов химической промышленности. Селективность работы полупроводникового сенсора сероводорода определяли в присутствии водорода, оксида углерода и метана. Эксперименты проводили при температуре газочувстивительного материала (ГЧМ) 350⁰С, с применением газовых смесей (ГС), состав которых приведен в таблице 1.

Таблица 1.

Состав и параметры поверочных газовых смесей, использованных при определении селективности сенсора сероводорода

На вход ППС подавали смесь N1 (сероводород + воздух) в течение 5 мин, фиксировали показания, затем подавали смесь N2 (сероводород + водород + воздух) и через 5 мин повторно фиксировали показания прибора. Аналогичным образом были получены сигналы для смеси N3 (сероводород + оксид углерода + воздух) и N4 (сероводород + метан + воздух). Число параллельных измерений для каждой стандартной газовой смеси равно 5.

Результаты исследования. Средние результаты, полученные при установлении селективности ППС – Н₂S, представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Результаты проверки селективности полупроводникового сенсора сероводорода (n=5, Р=0,95)

Как следует из полученных экспериментальных данных, наличие в анализируемой смеси (Н₂S+воздух) оксида углерода (до 380 мг/м³), водорода (до 460 мг/м³) и метана (до 450 мг/м³) не влияет на значение выходного сигнала сенсора сероводорода. Из приведённых данных (табл. 2) следует, что разработанный сенсор в изученном интервале концентраций Н₂S позволяет осуществлять селективное определение сероводорода. Установленной погрешность определения ППС – H₂S за счет неизмеряемых компонентов не превышает 1,5 %.

Было установлено, что 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 ГОСТ-13320-82) к типу независимых.

Испытания на воздействие давления проводились в интервале
600–900 мм рт. ст. Для определения влияния давления на работу сенсора устанавливали давление в камере сенсора от 600 до 900 мм рт. ст. (с разницей 50,0±1,5 мм рт. ст.) и через один час записывали показания прибора при пропускании стандартной смеси с содержанием сероводорода 250 и 500 мг/м³. Результаты проведенных экспериментов по определению влияния давления на полезный аналитический сигнал представлены в таблице 3.

Как следует из приведенных данных, в изученном диапазоне изменение давления газовой среды практически не оказывает влияния на значение выходного сигнала сенсора.

Таблица 3.

Результаты определения концентрации сероводорода при различных давлениях (n = 5, Р = 0,95)

Проверка устойчивости сенсора сероводорода к перегрузкам по концентрации (10 000 мг/м³) проводилась при содержании сероводорода в смеси 500 и 2500 мг/м³. Время восстановления нормальной работы сенсора «ППС-H₂S» определялось по его выходному сигналу в зоне основной погрешности.

Таблица 4.

Результаты проверки устойчивости «ППС-H₂S» к перегрузкам по концентрациям (n=5, Р=0,95)

Результаты проведенных экспериментов (табл.4) показали, что разработанный сенсор сероводорода в изученном интервале концентраций выдерживает перегрузки по испытуемым параметрам. Значение дополнительной погрешности «ППС-H₂S» при воздействии перегрузочной концентрации на работу прибора не превышает 0,03 об. %.

Разработанные в данной работе полупроводниковые сенсоры сероводорода применяются в системах мониторинга окружающей среды, в устройствах контроля утечек из газовой аппаратуры и в системах контроля непрерывных технологических процессов, связанных с изменением концентрации сероводорода.

Заключение. В результате проведенных опытов разработан селективный полупроводниковый сенсор сероводорода, обеспечивающий экспрессное определение сероводорода в широком интервале его концентрации в атмосферном воздухе и технологических газах. Разработанные полупроводниковые сенсоры сероводорода характеризуется селективностью сигнала в широком интервале изменения водорода, оксида углерода и метана. значение относительного стандартного отклонения (Sr) за счет неизмеряемых 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.