Многокомпонентный газоанализатор с полупроводниковым датчиком

Актуальность работы. Проблемы защиты окружающей среды от загрязнения промышленными предприятиями и автотранспортом становятся все более актуальными. Особое беспокойство мирового сообщества вызывает загрязнение атмосферного воздуха.

Для снижения производственных выбросов в атмосферу постоянно создаются и ужесточаются технические регламенты. Так в соответствии с законом «О техническом регулировании» первый, созданный в России регламент был посвящен уменьшению выбросов от автомобильного транспорта. Соблюдение регламентов требует контроля содержания более трех тысяч наименований загрязнителей воздуха на обширной российской территории. Анализ большого числа разнообразных загрязнителей возможен методами аналитической химии, однако при проведении большого количества анализов необходима автоматизация измерительных процессов — создание автоматических газоанализаторов.

При необходимости проведения во множестве мест измерений концентрации большого числа загрязнителей особую значимость приобретает снижение веса, габаритов и стоимости измерительного прибора в пересчете на один анализируемый загрязнитель. Очевидным путем достижения данных целей является повышение числа газов, анализируемых одним прибором. Один из путей создания многокомпонентных газоанализаторов связан с увеличением количества используемых в нем датчиков. Другим способом увеличения числа одновременно контролируемых газов является применение датчиков с выходным сигналом, зависящим от содержания в анализируемой смеси нескольких типов загрязнителей и какого-либо, называемого модулирующим, параметра, изменение которого приводит к нелинейным изменениям чувствительности датчика к анализируемым газам. Этот принцип реализован в хроматографах и спектральных приборах.

Преимущество второго пути создания многокомпонентных газоанализаторов заключается в томчто он при увеличении числа контролируемых одним прибором типов газов не требует усложнения схемной реализации. В качестве недостатка можно отметить сложность устройств, обеспечивающих модуляцию чувствительности датчика.

Поэтому привлекательна разработка измерительной схемы с одним недорогим датчиком и простым способом нелинейной модуляции его чувствительности к присутствию нескольких анализируемых загрязнителей воздуха. В качестве такого датчика перспективно использование полупроводникового газового датчика, модулируемым параметром которого является управляемая встроенным в него нагревателем температура его чувствительного слоя. Разработка подобной измерительной схемы, позволяющаясоздать доступный: по цене компактный, многокомпонентный газоанализатор, является актуальной, имеет научную новизну и практическую значимость.

Данная работа выполнена в соответствии с приоритетным направлением развития науки и техники в рамках программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (У.М.Н.И.К).

Целью работыявляется разработка многокомпонентного газоанализатора с одним полупроводниковым датчиком.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. Провести обзор известных методов анализа состава газовых смесей: Обосновать перспективность использования полупроводникового датчика в газоаналитической аппаратуре.

2. Разработать математическую модель, описывающую зависимость проводимости полупроводникового датчика от температуры нагрева его чувствительного слоя и концентрации загрязнителей воздуха.

3. Разработать способ повышения избирательности измерения концентрации загрязнителей воздуха.

4. Предложить рекомендации по снижению влияния температуры окружающей среды на результат измерений.

5. Разработать многокомпонентный газоанализатор и провести его экспериментальные исследования.

Методы исследования. При разработке математических моделей для описания физических процессов, происходящих на поверхности полупроводника, использовались положения зонной теории и теории адсорбции Ленгмюра. Аппроксимация экспериментальных данных проводилась с помощью пакета программ Origin Pro 6.1. Для* преобразования выражений математических моделей применялись программы Maple 9 и Mathematica 5.0.1. При разработке рекомендаций по снижению погрешностей, вызываемых изменением температуры окружающей^ среды, использовались положения теории теплопередачи.

Экспериментальные исследования проводились, в лаборатории кафедры ЭБЖ Института неразрушающего контроля НИ ТПУ. Научная новнзна работы состоит в том, что:

1. Разработаны математические модели, описывающие:

• зависимость проводимости чувствительного слоя полупроводникового газового датчика от температуры нагрева его чувствительного слоя и концентрации одного загрязнителя воздуха;

• зависимость проводимости чувствительного слоя полупроводникового газового датчика от температуры нагрева его чувствительного слоя и концентрации двух загрязнителей воздуха.

2. Разработан способ повышения избирательности измерения при анализе многокомпонентных загрязнителей воздуха.

3. Предложен способ снижения влияния температуры окружающей среды на результаты измерений.

Практическая ценность работы.

1. Разработанные математические модели полупроводникового датчика могут использоваться при проектировании газоанализаторов.

2. Предложенные рекомендации по построению полупроводниковых газоанализаторов позволяют снизить погрешности метода измерения состава загрязнителей воздуха и уменьшить влияние температуры окружающей среды на результаты измерения.

3. Разработан и внедрен макет газоанализатора с полупроводниковым газовым датчиком, испытания которого подтвердили адекватность созданных моделей и предложенных рекомендаций.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель, адекватно описывающая зависимость проводимости полупроводникового газового датчика от температуры нагрева его чувствительного слоя и состава загрязнителей воздуха, является нелинейной функцией. При одновременном измерении концентрации двух газов наличие одного оказывает влияние на чувствительность датчика к другому газу. При изменении температуры чувствительного слоя газового датчика его чувствительности к различным компонентам загрязнителей воздуха изменяются линейно независимо.

2. Способ повышения избирательности измерений, согласно которому измеряются амплитуды нескольких гармоник выходного сигнала полупроводникового датчика при периодическом изменении температуры нагрева его чувствительного слоя. Решение системы уравнений, описывающих зависимость амплитуд гармоник от концентрации загрязнителей, позволяет вычислять эти концентрации. Данный способ позволяет дополнительно снизить инструментальные аддитивные погрешности измерений.

3. Способ снижения влияния изменения температуры окружающей среды на выходной сигнал полупроводникового датчика, который заключается в стабилизации температуры корпуса датчика, а не его чувствительного слоя.

4. Рекомендации-по проектированию-газоанализаторов с полупроводниковыми: газовыми датчиками: •.

Личныш вклад автораАвтор самостоятельно провел обзоризвестных методов анализа состава газовых смесей, обосновал перспективность использованияполупроводниковогодатчика в газоаналитической! аппаратуре: На: основе, положений' зонной теории и теории адсорбции Ленгмюра автор лично? разработал математические модели полупроводниковых датчиков. Для разработки моделей автором были проведены экспериментальные исследованияхарактеристик полупроводниковых газовых датчиков различных" типов, обобщены, и описаны полученные результаты. На: основании' этих результатов автором предложен способ снижения погрешностей метода, измерения концентрации загрязнителей воздуха.

Авторпринимал непосредственное участие в разработке способа снижения? влияния температуры окружающейсреды, на результаты измеренийразработке макета газоанализатора и создании программы управленияим. Подготовка публикаций: выполнялась совместно с соавторами- (указаны в списке опубликованных работ).

Реализация результатов работы. Математические модели и предложенные рекомендации использованы при создании полупроводникового газоанализатора-, предназначенногодляопределения концентрации метана, и оксида углерода в воздухе. Макет газоанализатора внедрен на АО «Автоматика» г. Павлодара.

Результаты исследований используются при выполнении НИОКР «Разработка газоанализатора для контроля качества атмосферного воздуха», по итогам которой планируется начать разработку конструкции прибора, пригодного для серийного производства.

Предложенные технические рекомендации и разработанные модели применяются в Испытательной лаборатории ИНК ТПУ при проведении работ по созданию измерительного комплекса физико-химических факторов на рабочем месте.

Апробация, работы. Материалы исследований и основные результаты работы были доложены и обсуждены на следующих конференциях и симпозиумах:

• III, IV, V Научно-практическая конференция: «Инновации в условиях развития информационно-коммуникационных технологий (ИНФО)» (г. Сочи, 2006;2008);

• XI, XIII Международный научный симпозиум им. Академика М. А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (г. Томск, 2007, 2009);

• XIV, XV Всероссийская научно-техническая конференция «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (г. Томск, 2008, 2009);

• ^ The 3rd International Forum on strategic technologies (IFOST) (г. Новосибирск, 2008);

• XIV международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2008);

• IX, X, XI Международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых «Энергия молодых — экономике России» (г. Томск, 2008 -2010) — научные семинары кафедры экологии и безопасности жизнедеятельности Томского политехнического университета.

За доклад, представленный на XI Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Энергия молодых — экономике России», получен диплом 1 степени.

По результатам выступления на отборочном конкурсе в Московском государственном институте электроники и математики, был заключен контракт на выполнение НИОКР по программе «УМНИК» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (С.Р.М.Ф.П. в НТС) в 2009;2010 гг.

ПубликацииПо теме диссертацииопубликовано" пятнадцать печатных работ, в том числе 2 рецензируемыестатьив- центральной печати и получен 1 патент РФ на полезную модель.

Структура и?- объем* диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка? литературы, включающего 117 наименованийТекст диссертации изложен? на 155 страницах, включая? 27 рисунка, 8 таблиц и 5 приложений.

5.7. Выводы по главе 5.

1. Математические модели и предложенные рекомендации позволили создать полупроводниковыйгазоанализатор, предназначенный для одновременного определения концентраций метана, и оксида углерода в воздухе при помощи г одного датчика.

2. Разработано программное обеспечения для управления режимами нагрева и охлаждения полупроводниковых датчиков, позволяющее проводить экспериментальные исследования с датчиками различных типов.

3. Проверка предложенного в предыдущей главе способа снижения погрешности метода измерения, проведена с помощью разработанного макета газоанализатора. Экспериментальная проверка способа подтвердила его эффективность. Улучшение избирательности измерений по каналу измерения концентрации оксида углерода составило 18 раз, а по каналу измерения концентрации метана — 23,8 раза.

4. Наиболее перспективным методом снижения влияния изменений температуры окружающей среды на результат измерения состава газовых смесей при помощи полупроводниковых газовых датчиков является стабилизация, температуры корпуса датчика и окружающей его среды. Способ позволил в' температурном диапазоне от 10 до 40 °C снизить погрешность измерений в 8,7 раза.

5. Созданный макет полупроводникового газоанализатора, предназначенного для определения концентрации метана и оксида углерода в воздухе, внедрен в АО «Автоматика» г. Павлодара.

6. В соответствии с выполняемой НИОКР «Разработка газоанализатора для контроля качества атмосферного воздуха» в рамках программы «У.М.Н.И.К.» планируется продолжить разработку конструкции прибора, пригодного для серийного производства.

Заключение

.

1. По результатам обзора существующих современных методов и приборов газового анализа доказана> перспективность использования полупроводниковых газовых датчиков для создания недорогих, малогабаритных приборов. При модуляции температуры нагрева чувствительного слоя одного полупроводникового датчика возможно создание газоанализатора, способного одновременного измерять концентрации нескольких загрязнителей в воздухе.

2. На основе изучения физико-химических процессов, происходящих на поверхности полупроводника при адсорбции на. его поверхности молекул различных загрязнителей, была разработана математическая модель полупроводникового газового датчика. Полученная математическая модель описывает зависимость изменения электропроводности полупроводникового газового датчика от концентрации одновременно присутствующих в воздухе различных загрязнителей и от температуры нагрева чувствительного слоя датчика. В модель входят параметры, которые определяются для каждого полупроводникового датчика экспериментально-расчетными методами. Экспериментальная проверка адекватности разработанной модели для различных концентраций метана и оксида углерода в воздухе показала, что ее погрешность не превышает 10,5%.

3. Разработанная математическая модель полупроводникового датчика позволила предложить способ снижения погрешности метода измерения, вызываемой зависимостью изменения выходного сигнала датчика не только от концентрации анализируемых загрязнителей, но и от газовых компонентов, не подлежащих анализу. Так как способ предполагает синхронное детектирование сигнала датчика, он позволяет снизить аддитивную составляющую инструментальной погрешности измерений. Экспериментальная проверка способа подтвердила его эффективность. Улучшение избирательности измерений по каналу измерения концентрации оксида углерода составило 18 раз, а по каналу измерения концентрации метана — 23,8 раза.

4. Предложен и запатентован способ снижения влияния изменений температуры окружающей среды на результаты измерений, позволивший в температурном диапазоне от 10 до 40 °C снизить погрешность измерений в 8,7 раза.

5. Математические модели и предложенные рекомендации использованы при создании полупроводникового газоанализатора, предназначенного для определения концентрации метана и оксида углерода в воздухе. Макет газоанализатора внедрен в АО «Автоматика», г. Павлодар.

6. Результаты исследований используются при выполнении НИОКР «Разработка газоанализатора для контроля качества атмосферного воздуха» в рамках программы У.М.Н.И. К. Планируется начать разработку конструкции прибора, пригодной для серийного производства.

7. Предложенные технические рекомендации и разработанные модели применяются в Испытательной лаборатории ИНК ТПУ при проведении работ по созданию измерительного комплекса физико-химических факторов рабочего места. У.