CC BY
203
УДК 681.586.672
А.В. Лашков
О ВЛИЯНИИ НЕРАВНОМЕРНОГО НАГРЕВА ЛИНЕЙКИ ТЕРМОКАТАЛИТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ НА РАСПОЗНАВАНИЕ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ
Рассмотрено применение термокаталитических датчиков для формирования газоаналитических мультисенсорных систем. Обсуждено влияние неравномерного нагрева линейки датчиков на качество распознавания газовых смесей. Приведен сравнительный анализ результатов детектирования, полученных при различных температурных режимах работы датчиков.
Термокаталитический датчик, мультисенсорная система, неравномерный нагрев
A.V. Lashkov
NON-UNIFORM HEATING IMPACT OF THERMOCATALYTIC SENSORS ON GAS MIXTURE DETECTION
The author considers the usage of catalytic combustion sensors in designing gas-analytical multi-sensor systems. The impact of non-homogeneous heating of sensor array on the
quality of gas mixture recognition is considered. Comparative analysis is provided for the iden-tifcation results obtained under the various temperature conditions used for sensor operations.
Catalytic combustion sensor, multi-sensor array, non-homogeneous heating
В настоящее время, все большую популярность в детектировании газовых смесей приобретают газоаналитические мультисенсорные системы, которые формируются на основе линейки датчиков [1, 2]. Сенсоры (или датчики) представляют собой элементы, которые благодаря своим химическим и физико-электрическим свойствам, преобразуют воздействие молекул газа в электрический сигнал. Наиболее широкое применение в мультисенсорных приборах получили расположенные на единой подложке полупроводниковые сенсоры, которые изготавливаются по единой технологии, но имеющие индивидуальные газочувствительные способности [3]. Известно, что для каждой газовой смеси существует своя температура нагрева полупроводникового материала, при которой можно получить наибольший сенсорный отклик [4]. Поэтому, в работе мультисенсорных систем для повышения качества распознавания газов применяют неравномерный нагрев сенсоров [5].
Целью проведенной работы было изучение влияния неравномерного нагрева линейки термокаталитических датчиков на газораспознавательную способность мультисенсорных систем, построенных на их основе.
Термокаталитические датчики представляют собой газочувствительный элемент, преобразующий каталитическую активность на поверхности датчика под воздействием горючих газов в изменение электрической проводимости платиновой спирали внутри датчика. Состав термокаталитического датчика включает пару платиновых спиралей с нанесенным поверх них керамическим слоем [6]. Объединенный массив спирали и керамики принято называть пеллистором. Один из пеллисторов пропитан каталитическим раствором, второй остается без пропитки и служит для компенсации изменений окружающей среды.
В наших исследованиях по применению термокаталитических датчиков в мультисенсорных системах были использованы только пропитанные каталитическим раствором газочувствительные элементы.
Ранее мы показали возможность применения термокаталитических датчиков для формирования на их основе мультисенсорных систем. Главной причиной индивидуальных, не повторяющихся от датчика к датчику характеристик, является неоднородность пропитки пеллисторов, что предположительно являлось следствием различной их пористости, доказанной в ходе проведения анализа микроструктуры поверхности пеллистора методом атомно-силовой микроскопии. Исследования проводились на атомно-силовом микроскопе NT-MDT в полуконтактном режиме. Обнаружено, что образцы состоят из агломерированных частиц с размерами от 100 нм до 1 мкм, а межчастичные промежутки образуют поры (рис. 1).
Рис. 1. Изображение поверхности пеллистора площадью 3x3 мкм, полученное на атомно-силовом микроскопе ЫТ-МЮТ.
На врезке представлена 30 модель поверхности пеллистора площадью 0,5x1 мкм
Экспериментальное оборудование для изучения влияния неравномерного нагрева термокаталитических датчиков на газораспознавательную способность построенной мультисенсорной системы включало установку для подачи паров жидкостей (ацетон, этанол), мультисенсорную плату с установленной линейкой из шести термокаталитических датчиков, а также мультиметр КеНЫеу 2000 со ска-нерной платой. Структурная схема мультисенсорной платы включала в себя регулируемые стабилизаторы тока, обеспечивающие электропитанием каждый датчик индивидуально (рис. 2). Под воздействием газов сопротивление датчиков меняется, что приводит к изменению измеряемых значений напряжений. Значения напряжений с датчиков последовательно передавались через сканерную плату в оперативную память мультиметра. Мультисенсорная плата с датчиками была помещена в пластиковую емкость объёмом 750 мл., в которую через систему трубок осуществлялся напуск паров веществ (рис. 3). Пары высокой концентрации ацетона и этанола были получены барботированием соответствующих растворов.
Температура нагрева чувствительного элемента зависела от силы тока, протекающей через платиновую спираль датчика (рис. 4). В первой части эксперимента сила тока на всех датчиках была одинакова (90 мА), во второй был осуществлен неравномерный нагрев чувствительных элементов: на датчики попарно подавался ток в 70, 90 и 110 мА.
Рис. 2. Структурная схема мультисенсорной платы: 1 - стабилизатор напряжения;
2 - подстраиваемые стабилизаторы тока; 3 - пеллисторы; 4 - мультиметр КейЫеу 2000
Рис. 3. Экспериментальный стенд: компрессор (1), регулировочные вентили (2), барботер с жидкостью (3), ёмкость с мультисенсорной платой
о
340 -320 -300280260240220200180160140 -120 -10080604020-
sensor №i
о
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
—sensor №2 —■— sensor №3 —■— sensor №4 —и— sensor №5
Электропитание на датчики подавалось за 15 мин перед каждым напуском паров с целью измерения сигнала в стационарных условиях. Измерение значений сигналов сенсоров начиналось через пять минут после начала напуска газа, что было достаточно для заполнения ёмкости парами. Величина напряжений регистрировалась с частотой 1 Гц.
Time, sec
a
Time, sec b
Рис. 5. Величина значений напряжений на линейке термокаталитических датчиков с равномерным (а) и неравномерным нагревом (b)
Было получено по 43 измерения напряжения при воздействии каждой газовой смеси (рис. 5). Из графиков видно, что при различных режимах работы реакция датчиков в присутствии горючих паров существенно различается. Разница между значениями напряжений датчиков под номерами 1 и 2 во втором случае (рис 5. график b) больше по сравнению с разницей значений напряжений этих датчиков в первом случае (рис. 5 график а). Кроме того, рассматриваемые датчики продемонстрировали снижение интенсивности реакции показанной ими ранее при силе тока 90 мА. Датчик №2 существенно снизил значения напряжения при реакции на ацетон, что является следствием низкой температуры датчика при значении силы тока в 70 мА, в результате чего реакция окисления проходила менее интенсивно. Величины напряжений 3-го и 4-го датчиков в обоих случаях одинаковы, поскольку сила тока в них осталась неизменной. Датчики под номерами 5 и 6 при повышении значения силы тока до 110 мА стали выдавать более близкие друг к другу значения напряжений. Все эти изменения были получены в совокупном влиянии двух факторов: глубины пропитки пеллисторов и температуры их нагрева.
Значения сигналов датчиков были обработаны с помощью линейно-дискриминантного анализа, встроенного в программный комплекс MINOS (KIT, Германия) [7]. Измерения, характеризующие каждый газ, разбивались на две группы: обучение и распознавание, по 23 и 20 точек, соответственно. Уровень значимости при обучении был равен 0,999. В ходе обработки были получены фазовые пространства, наглядно демонстрирующие межкластерные расстояния в случаях равномерного и неравномерного нагрева датчиков (рис. 6). Евклидово расстояние между центрами кластеров смесей газов для случая равномерного нагрева составляет 201,7 ед. (этанол-воздух), 755,6 ед. (ацетон-воздух), 582 ед. (этанол-ацетон). В случае неравномерного нагрева расстояния равны 1960,6 ед. (этанол-воздух), 2205,3 ед. (ацетон-воздух), 4064 ед. (этанол-ацетон).
При рассмотрении полученных фазовых пространств можно заметить, что межкластерные расстояния выросли на порядок. При этом качество распознавания осталось прежним, о чем свидетельствуют точки, вычисленные в ходе детектирования газов. Каждая точка в фазовом пространстве, полученная при неравномерном нагреве сенсоров, имеет принадлежность к одному из кластеров, что аналогично случаю с равномерным нагревом. Единственным исключением являлись семь точек, не вошедшие в кластер, соответствующий этанолу (рис. 6, b). Это объясняется недостаточным количеством используемых в обучении точек и может быть улучшено при увеличении количества статистических данных.
Полученные результаты продемонстрировали качественное улучшение распознавательной способности мультисенсорной системы на основе термокаталитических датчиков при использовании неравномерного нагрева чувствительных элементов. Применение неравномерного нагрева позволяет добиться более существенного различия между сенсорными сигналами, полученными к различным газовым смесям.
а Ь
Рис. 6. Результаты обработки сигналов мультисенсорной линейки термокаталитических датчиков с помощью линейно-дискриминантного анализа: а - режим работы, при котором нагрев датчиков одинаков; Ь - режим работы, при котором осуществлялся неравномерный нагрев датчиков. Двусторонними стрелками показаны эвклидовы расстояния между кластерами, характеризующими сигнал линейки датчиков
к тестовым газам (этанол, ацетон) и воздуху
Автор благодарит сотрудников НПЦ «Газотрон-С» за термокаталитические датчики, предоставленные для проведения исследований, сотрудников группы проф. Мошникова В.А. (ЛЭТИ) за содействие в проведении исследований, а также научного руководителя проф. Сысоева В.В. за постановку задачи и обсуждение полученных результатов. Исследование частично поддержано грантами Министерства образования и науки РФ, соглашение № 14.B37.21.1219, и № 1201252751.
ЛИТЕРАТУРА
1. Сысоев В.В. Газоаналитические приборы «электронный нос» / В.В. Сысоев, В.Ю. Мусатов // Саратов: Саратовский государственный технический университет. 2011. С. 100.
2. Сысоев В.В. Мультисенсорные системы распознавания газов типа «электронный нос»: краткий обзор литературы / В.В. Сысоев, Ю.А. Зюрюкин // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2007. № 2(24). Вып. 1. C. 111-119.
3. Сысоев В.В. Применение мембранного покрытия SiO2 для дифференциации локальных газочувствительных свойств пленки SnO2:Pt в составе однокристальных мультисенсорных систем /
В.В. Сысоев, И.В. Киселев // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2012. № 3(67). C. 50-65.
4. Рембеза С.И. Нужен ли человечеству искусственный нос? / С. И. Рембеза // Природа. 2005. № 2. С. 5-12.
5. Sysoev V.V. The temperature gradient effect on gas discrimination power of metal-oxide thin-film sensor microarray / V.V. Sysoev, I. Kiselev, M. Frietsch, J. Goschnick // Sensors. 2004. Vol. 4. P. 37-46.
6. Рязанов А.В. Чувствительные элементы на основе литого микропровода / А.В. Рязанов, А.Н. Докичев // Датчики и системы. 2007. №11. С. 42-45.
7. Scott S.M. Data analysis for electronic nose systems: review / S.M. Scott, D. James, Z. Ali // Mi-crochim. Acta. 2007. № 156. P. 183-207.
Лашков Андрей Витальевич - Andrey V. Lashkov -
аспирант кафедры «Физика» Postgraduate
Саратовского государственного технического Department of Physics, университета имени Гагарина Ю.А. Gagarin State Technical University
Статья поступила в редакцию 16.02.13, принята к опубликованию 20.02.13
