Газоанализатор для мониторинга паров этанола Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ЭЛЕКТРОННЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «APRIORI. CЕРИЯ: ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ»

№ 4 2015

УДК. 542.07. 543.272.7

ГАЗОАНАЛИЗАТОР ДЛЯ МОНИТОРИНГА ПАРОВ ЭТАНОЛА

Абдурахманов Эргашбой

д-р хим. наук Муродова Зулфия Бегмуродовна

канд. хим. наук

Самаркандский государственный университет, Самарканд (Узбекистан)

аи^ог@аргюг1-]оигпа!. ги

Аннотация. Разработан автоматический газоанализатор для контроля содержания паров этанола. Установлено, что разработанный анализатор обладает низким порогом детектирования, высокой селективностью по отношению к этанолу.

Ключевые слова: этанол; сенсор; полупроводник; газоанализатор; чувствительность; селективность.

GAS ANALYZER FOR MONITORING OF VAPOURS OF ETHANOL

Abdurakhmanov Ergashboy

doctor of chemistry Murodova Zulfiya Begmurodovna

candidate of chemistry Samarkand state university, Samarkand (Uzbekistan)

Abstract. The automatic gas analyzer is developed for control of the content of vapors of ethanol. It is established that the developed analyzer possess a low threshold of detecting, high selectivity in relation to ethanol.

Key words: ethanol; sensor; semiconductor; gas analyser; sensitivity; selectivity.

Введение. Селективные полупроводниковые газоанализаторы способны решить практические проблемы экологии, криминалистики, медицины, пищевой промышленности и систем сертификации товаров. В настоящее время для применения в качестве первичных элементов полупроводниковых сенсоров широко исследуются возможности различных металлооксидов п-типа электропроводности [1-2]. Одним из наиболее перспективных материалов являются оксиды металлов цинка, олова, железа, кобальта и др. Уникальность этих материалов при использовании в качестве чувствительных элементов полупроводниковых сенсоров вызвана рядом их фундаментальных физико-химических свойств.

Целью данной работы явилось разработка полупроводникового газоанализатора для контроля содержания этанола. В работе для получения полупроводникового газочувствительного слоя на основе оксида кобальта был использован золь-гель метод [4].

Материалы и методы. В результате проведенного исследования и выполнения опытно-конструкторских работ создан и изготовлен полупроводниковой переносной газоанализатор предназначенный для контроля содержания С2Н5ОН со следующими характеристиками: масса прибора не более 5 кг; габаритные размеры не более 254x144 х275 мм; время установления выходного сигнала (показаний), не превышает 30 с.; время прогрева, не более 15 мин. Газоанализатор предназначен для измерения концентраций паров этанола в атмосферном и выдыхаемом человеком воздухе и отходящих газах технологических процессов. Прибор состоит из газоанализатора, фильтра очистки технологических газов и блока питания.

Газоанализатор выполнен как переносной прибор в едином блоке, включающем в себя первичный преобразователь (селективный полупроводниковый сенсор С2Н5ОН) и вторичный преобразователь (усилитель постоянного тока), собранные в металлическом корпусе. Электропитание га-

зоанализатора осуществляется как от сети переменного тока напряжением 220 В, так и от встроенного блока питания с напряжением 12 В.

Результаты. Условия эксплуатации газоанализатора: режим работы простой; средний коэффициент эксплуатации - 0,25. Параметры окружающей среды: температура от +10 до +50 0С; атмосферное давление 84,0-106,7 кПа (630-800) мм рт. ст.; производственные вибрации с частотой 5-25 Гц и амплитудой, не более 0,1 мм; отклонение напряжения питания переменного тока 220 В ± 10 %. Параметры анализируемой смеси на входе газоанализатора максимальны, а концентрация опреде-

Л П

ленного компонента до 5000,0 млн"1; температура +10 - +500С; расход анализируемой пробы 20 ± 2 л/ч; давление 84,0-106,7 кПа. Проверку диапазона измерений газоанализатора по этанолу проводили при кон-

л

центрации спирта 0-5000 млн-1. Результаты изучения диапазона измерений газоанализатора «АГ-С2Н5ОН» приведены в таблице 1.

Таблица 1

Результаты проверки диапазона измерения «АГ-С2Н5ОН»

(п = 5; Р = 0,95)

№ п/п Введено С2Н5ОН, -1 млн 1 Найдено этанола, млн -1.

Х ± Дх Б Бг*10_2

1 50 51 ± 2 1,6 3,2

2 100 99 ± 2 1,6 1,6

3 150 146 ± 3 2,4 1,7

4 200 204 ± 3 2,4 1,2

5 250 248 ± 5 4,0 1,6

6 500 495 ± 7 5,6 1,1

7 750 743 ± 10 8,0 1,1

8 1000 992 ± 12 9,6 1

9 1500 1494 ±16 12,9 0,9

10 2000 1989±20 16,1 0,8

11 2500 2510±25 20,1 0,8

12 3000 3014±20 16,1 0,5

13 3500 3487 ± 26 20,9 0,6

14 4000 3985 ± 27 21,7 0,5

15 4500 4513±21 16,9 0,4

16 5000 4985 ± 32 25,7 0,5

Как следует из приведенных данных, зависимость сигнала разработанного газоанализатора от концентрации определяемого компонента по каналу С2Н5ОН, имеет прямолинейный характер. В изученном интервале концентраций значение Sr не превышает 0,032. Результаты определения основной погрешности газоанализатора считают положительными, если значения полученной погрешности не превышают пределов, указанных в ГОСТе 52033-2003. Результаты определения погрешности анализатора приведены в таблице 2.

Таблица 2

Результаты определения погрешности полупроводникового газоанализатора, при определении этанола

А

(диапазон измерений, в млн от 0 до 5000,0)

№ Введено Найдено Основной приведен- Основной приведен-

смеси С2Н5ОН, -1 млн 1 С2Н5ОН, -1 млн -1 ной погрешности ной погрешности, полу-

(в %), по ГОСТу 52033-2003 ченное при поверке, %

1 Воздух 00 — —

2 100 101 ± 2 2,5 0,2

3 250 255 ± 4 2,5 0,1

4 2500 2510 ± 13 2,5 0,2

5 5000 5020 ±15 2,5 0,4

4 2500 2490 ±14 2,5 0,2

3 250 246 ± 3 2,5 0, 8

2 100 98 ± 4 2,5 0,4

1 Воздух 00 — —

5 5000 5020 ±14 2,8 0,4

1 Воздух 00 — —

I I V V V V

Найденные значения основной приведенной погрешностей газоанализатора при определении этилового спирта в смеси намного ниже, допустимых, что показывает соответствие разработанного прибора с требованиями ГОСТа. Влияние давления и температуры газовой среды на погрешность определения этанола изучалось в интервале 600-800 мм рт.ст. и 10-45 0С.

Испытания по изучению влияния давления осуществлялись в следующей последовательности: после внешнего осмотра газоанализатор включали в схему и приводили к нормальным условиям испытания (температура 20 ± 2 0С, давление 760 ± 20 мм рт.ст.). После достижения начальной стабилизации работы прибора проводили первоочередную проверку основной погрешности. Нормальный расход газа и необходимое для проведения эксперимента давление устанавливают при помощи соответствующих вентилей, контроль расхода осуществляется по ротаметру. Эксперименты проводили при давлении: 600-900 мм рт.ст. Результаты опытов приведены в таблице 3.

Таблица 3

Результаты определения концентрации этанола при различном давлении (содержание спирта в смеси 250 млн -1, п = 5, Р = 0,95)

Давление, мм рт.ст. Введено этанола, млн -1 Найдено этанола, млн -1

х ± Лx в вг*102

760 250 253 ± 2 1,6 0,6

600 250 248 ± 3 2,4 1,0

650 250 251 ± 3 2,4 1,0

700 250 253 ± 2 1,6 0,6

750 250 247 ± 4 3,2 1,3

800 250 254 ± 2 1,6 0,6

850 250 252 ± 2 1,6 0,6

900 250 248 ± 3 2,4 1,0

Из полученных результатов следует, что в оптимизированных условиях разработанным газоанализатором в интервале давления 600-900 мм рт.ст. можно определить концентрации этанола. Результаты определения влияния температуры на результаты определения газоанализатора приведены в таблице 4.

Из данных представленных в таблице 4 следует, что в интервале температур (10 - +45 0С) дополнительная погрешность намного меньше, чем основная погрешность самого прибора.

Таблица 4

Результаты по установлению зависимости сигнала газоанализатора «АГ-С2Н5ОН» от температуры газовой среды (п = 5, Р = 0,95)

Темпера-тура,0С Введено С2Н5ОН, млн" Найдено С2Н5ОН, млн-1 Приведенная погрешность, %

х ± Ax S Sr*102

+ 20 100 102 ± 2 1,6 1,5 2

+ 10 100 102 ± 2 1,6 1,6 2

+ 30 100 101 ± 2 1,6 1,7 2

+ 45 100 101 ± 1 0,8 0,8 1

Заключение. Изготовлен опытный образец газоанализатора, предназначенный для детектирования паров этанола.

Оценены основные метрологические характеристики и эксплуатационные параметры, разработанного селективного полупроводникового сенсора и созданного на его основе автоматического газоанализатора для определения паров этанола.

Из приведенных данных следует, что разработанный газоанализатор «АГ-С2Н5ОН» вполне соответствует требованиям ГОСТа и позволяет контролировать содержание этанола в газовых смесях в широком интервале температур.

Список использованных источников

1. Бубнов Ю.З. Полупроводниковые газовые микросенсоры // Петербургский журнал электроники. 1996. № 3 (12). С. 87-91.

2. Bakin A.S., Bestaev M.V., Dimitrov D.Tz., Moshnikov V.A., Tairov Yu. M. Sn02 based gas sensitive sensor // Thin Solid Films. 296. 1997. P. 168-171.

3. Семиченко Г.Д. Золь-гель процесс в керамической технологии. Харьков, 1997.