CC BY
49
- © А.Н. Жукова, С.З. Эль-Салим, 2015
УДК 543.27.05: 543.27-8
А.Н. Жукова, С.З. Эль-Салим
СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ГАЗОВ
Рассмотрены газоанализаторы нового поколения, в основе которых лежит кинетический метод анализа с применением полупроводниковых сенсоров. Применение газочувствительных элементов, выполненных из полупроводникового материала п-типа, позволяют решить основную задачу современного газового анализа - стабильность, селективность и чувствительность аналитических измерений. Благодаря развитой структуре поверхности, сформированной из поликристаллов с размерами 3
Введение катализаторов в качестве легирующих примесей значительно повышают индивидуальную селективность сенсоров, а формирование мультисенсорных систем увеличивают степени свободы для идентификации анализируемых примесей. В работе показано, что современный газовый анализ требует комплексного подхода для обеспечения необходимых метрологических характеристик. Помимо решения аналитической задачи по формированию газочувствительных элементов разработаны цифровые схемотехнические и аэродинамические решения, соответствующие требованиям газового анализа в широком диапазоне концентраций примесей и условий применения. Ключевые слова: полупроводник, хемосорбция, промышленные газы, вещество-аналит, газочувствительные сенсоры, информационные сети
Большинство технологий получения черных, цветных металлов и сплавов, проведение различных стадий и операций в металлургической и горнодобывающей промышленности связано с осуществлением гетерофазных процессов и реакций (доменное, кислородно-конвертерное, автогенное производства, плавка в вакуумных печах и т.д.).
Качественный и количественный состав газовой среды, как одной из реакционных фаз, динамика изменения во времени содержания ее отдельных компонентов оказывают большое
влияние на протекание самого технологического процесса и на качество конечного продукта.
Во многих металлургических процессах происходит выделение горючих и взрывоопасных газов (например: образование смеси водород - кислород).
Выбросы вредных и токсичных газов промышленности составляют доминирующую компоненту загрязнения окружающей среды при работе металлургических предприятий.
Традиционные химические методы [5], применяемые сегодня, не позволяют обеспечить достоверный аналитический контроль загрязнителей в соответствие с современными требованиями химической безопасности и защиты окружающей среды и обеспечить безопасность работ.
Для повышения достоверности и надежности газоаналитических измерений, соответствующих современным требованиям аналитического контроля, разработаны полупроводниковые сенсоры [3], применяемые в качестве первичных преобразователей, и на их основе газоаналитические системы и приборы серии SNIFF.
Полупроводниковые сенсоры, технология их серийного изготовления, схемотехнические и математические решения позволили создать не только газоаналитические приборы индивидуального применения, но и системы, предназначенные для контроля атмосферы на объектах практически любой сложности.
Разработанные полупроводниковые сенсоры имеют необходимую для применения в современных условиях чувствительность, стабильность и селективность. Созданная технология изготовления полупроводниковых сенсоров, концепция отбора пробы и применяемый алгоритм измерений и обработки результатов анализа позволили обеспечить уровень контроля, соответствующий 0,01 ПДК рабочей зоны для широкого спектра токсичных и сильнодействующих ядовитых веществ (ТХ и СДЯВ).
В качестве чувствительных слоев используются оксиды металлов (SnO2, ZnO, NiO, Cu2O, In2O3 и др.) с ярко выраженными полупроводниковыми свойствами, обогащенные сурьмой и легированные катализаторами Pb, Pd, Ag, Co, Mn и рядом других элементов. Развитая структура поверхности формируемых материалов газочувствительного слоя достигается методикой
синтеза, термообработки полученного ксерогеля и технологическими приемами, при этом удельная площадь рабочей поверхности составляет 60-90 м /г. Конструкция (технологическая схема) и растровое изображение поверхности газочувствительного слоя приведены на рис. 1.
Принцип действия полупроводниковых сенсоров основан на измерении изменения электропроводности газочувствительного слоя при адсорбции на его поверхность молекул из газовой фазы (рис. 2).
В атмосфере кислорода значение электропроводности газового сенсора стабильно и определяется концентрацией носителей заряда, переброшенных из валентной зоны в зону проводимости при заданном тепловом воздействии.
При адсорбции молекул на поверхность газочувствительного слоя нарушается равновесное значение тока в зоне проводимости и происходит либо увеличение концентраций носителей заряда (в случае хемосорбции газа-донора), либо снижение их концентрации (в случае хемосорбции газа-акцептора). Изменения концентрации носителей определяют аналитический отклик датчика, который зависит от химического состава аналита и его концентрации.
Управление селективностью и чувствительностью газочувствительного слоя достигается введением в состав полупроводника металлов-катализаторов и управляемым нагревом, который позволяет поддерживать температуру поверхности датчика в диапазоне от 100 до 800 оС с высокой точностью.
Рис. 1. Технологическая структура и растровое изображение газочувствительного слоя сенсора
Рис. 2. Механизм действия полупроводниковых газочувствительных сенсоров
В качестве детектора газоанализаторов и газоаналитических систем серии SNIFF применяются мультиканальные системы, составленные из полупроводниковых сенсоров, в которых число независимых каналов кратно 2n (2, 4, 8, 16 и т.д.) для повышения селективности обнаружения и возможности спектральной обработки результатов измерений. Варианты исполнения газоанализаторов приведены на рис. 3.
Алгоритм обработки полученной информации основан на самоподобных преобразованиях, не требующих введения дополнительных параметров для проведения расчетов уровней обнаружения и расчета концентраций. Применяемый математический аппарат обеспечивает стабильность индикационного эффекта сенсоров в течение длительного периода работы. Учитывая высокую технологичность изготовления газочувствительных микрочипов и разработанный алгоритм обработки информации, смена аналитической составляющей газоанализаторов серии SNIFF не требует повторной градуировки.
Рис. 4. Включение газоанализаторов в информационную сеть
К достоинствам разрабатываемых средств на основе полупроводниковых датчиков и их систем следует отнести:
— простоту в эксплуатации;
— полноту и достоверность результатов;
— автономность, независимость от источников питания, автоматический режим работы.
Сегодня подготовлены к выпуску газоанализаторы серии SNIFF стационарного, портативного и носимого типа с возможностью монтажа на различных объектах, в том числе, и конструктивно сложных. При этом, учитывая миниатюрность разработанных приборов, для их установки не требуется проведение каких-либо специальных работ.
Все приборы серии SNIFF имеют возможность интеграции в существующие локальные сети и системы оповещения (рис. 4). Также схемотехнические решения обеспечивают организацию беспроводной связи, как с оператором, так и централизованным пунктом управления объектом.
В настоящее время проводится сертификация газоанализаторов серии SNIFF для внесения в реестр средств измерений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Налимова С.Б. Анализ газочувствительных наноструктур с варьируемым типом и концентрацией адсорбционных центров: дис. канд. физ.мат. наук: 01.04.10/ С.В.Налимова, СПб., 2013. - 160 л.
2. Maekawa,Toru. Odor identification using SnCVbased sensor array. / Toru Maekawa, Kengo Suzuki, Tadashi Takada, Tetsushiko Kabayushi, Makoto Ega-shira. // Sensors and Actuators B. 2001. — V. 80. — P. 51-58.
3. Мясников И.А. Полупроводниковые сенсоры в физико-химических исследованиях./ И.А. Мясников, В.Я. Сухарев, Л.Ю. Куприянов. — М.: Наука, 1991. 327 с.
4. Brennan K.F. Physics of semiconductors with application to optoelectronic devices. Cambridge University press, UK, 1999. P. 762.
5. Streetman B.G. Solid state electronic devices // B.G. Streetman, S. Banerjee, New Jersey: Prentice Hall, 2000. P558 .
6. Драгунов Б.П. Основынаноэлектроники. Новосибирск: НГТУ, 2000. C. 332.
7. Mayer J.W. Electronic materials science: for integrated circuits in Si and GaAs. N.Y., 1990. P. 476. Ш
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Жукова Александра Николаевна — инженер-биолог, [email protected], Эль-Салим Суад Зухер — доктор физико-математических наук, генеральный директор, [email protected], ООО «ОМЕГА»
UDC 543.27.05: 543.27-8
MODERN METHODS OF ANALYTICAL CONTROL OF INDUSTRIAL GASES
Zhukova Aleksandra Nikolaevna, engineer-biologist, [email protected], JSC OMEGA, Russia, Al-Salim SuadZuher, prof., [email protected], JSC OMEGA, Russia.
In article gas analyzers of new generation which cornerstone the kinetic method of the analysis with application of semiconductor sensors is are considered. Application of the gassensitive elements made of semiconductor material of n-type allow to solve the main objective of the modern gas analysis - stability, selectivity and sensitivity of analytical measurements. Thanks to the developed structure of the surface created from polycrystals with sizes of 3 - 10 nanometers, semiconductor sensors allow to find substances in trace concentration, up to 10-5 mg/m3. Introduction of catalysts as the alloying impurity considerably increase individual selectivity of sensors, and formation of multytouch systems is
increased by freedom degrees for identification of the analyzed impurity. In work it is shown that the modern gas analysis demands an integrated approach for providing necessary metrological characteristics. Besides the solution of an analytical task of formation of gassensitive elements the digital circuitry and aerodynamic decisions conforming to requirements of the gas analysis in the wide range of concentration of impurity and conditions of application are developed.
Key words: semiconductor, hemosorbtion, industrial gases, substance-analyt, gassensitive sensors, information networks.
REFERENCES
1. Nalimova S.V. Analiz gazochuvstvitelnyh nanostruktur s var'iruemym tipom i kon-centraciej adsorbcionnyh centrov (Analysis of the gas sensitive nanostructures of varying the type and concentration of the adsorption centers): dis. kand. fiz.mat. nauk: 01.04.10/ S.V.Nalimova, SPb, 2013. 160 p.
2. Maekawa,Toru. Odor identification using SnCVbased sensor array. / Toru Maekawa, Kengo Suzuki, Tadashi Takada, Tetsushiko Kabayushi, Makoto Egashira. // Sensors and Actuators B. 2001. V. 80. pp. 51-58.
3. Mjasnikov I.A. Poluprovodnikovye sensory v fiziko-himicheskih issledovanijah (Semiconductor sensors in physico-chemical studies)/ I.A. Mjasnikov, V.Ja. Suharev, L.Ju. Kuprijanov. Moscow: Nauka, 1991. 327 p.
4. Brennan K.F. Physics of semiconductors with application to optoelectronic devices. Cambridge University press, UK, 1999. P. 762.
5. Streetman B.G. Solid state electronic devices // B.G. Streetman, S. Banerjee, New Jersey: Prentice Hall, 2000. P558 .
6. Dragunov V.P. Osnovy nanojelektroniki (Fundamentals of nanoelectronics). Novosibirsk: NGTU, 2000. pp. 332.
7. Mayer J.W. Electronic materials science: for integrated circuits in Si and GaAs. N.Y., 1990. P. 476.
