JP2015504174A - Zinc oxide sulfur sensor measurement system - Google Patents
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Abstract
液体(34)燃料等の液体(34)における硫黄濃度を判定するための測定システムが開示される。測定システムは、少なくとも部分的に酸化亜鉛、より詳しくは酸化亜鉛マイクロ構造(31)で被覆された第一の電極(32)を含む。酸化亜鉛マイクロ構造(31)は、(002)面配向を持つ結晶格子構造を有する。第一の電極(32)は電位計(36)に接続されていてもよく、それ自体は第二の電極(35)に接続されていてもよい。第二の電極(35)は、第一の電極(32)と共通の基板(30)の上に設置されていても、または第一の電極(32)に対して実質的に平行に設置された平板の形態であってもよいA measurement system for determining sulfur concentration in a liquid (34) such as liquid (34) fuel is disclosed. The measurement system includes a first electrode (32) that is at least partially coated with zinc oxide, more particularly with a zinc oxide microstructure (31). The zinc oxide microstructure (31) has a crystal lattice structure with a (002) plane orientation. The first electrode (32) may be connected to the electrometer (36), and may itself be connected to the second electrode (35). The second electrode (35) may be disposed on a common substrate (30) with the first electrode (32) or may be disposed substantially parallel to the first electrode (32). It may be in the form of a flat plate
Description
本開示は一般に、液体中の硫黄濃度を検出し、測定するセンサと測定システムに関する。より詳しくは、本開示は、液体中の硫黄濃度を測定する、改良型の酸化亜鉛による硫黄センサを備える硫黄測定システムと、オペレータが現場で使用できる改良型の硫黄測定システムの製造方法に関する。 The present disclosure relates generally to sensors and measurement systems that detect and measure sulfur concentration in a liquid. More particularly, the present disclosure relates to a sulfur measurement system comprising an improved zinc oxide sulfur sensor that measures sulfur concentration in a liquid and a method for manufacturing an improved sulfur measurement system that can be used on site by an operator.
液体中の硫黄濃度を正確かつ高い信頼性で測定できることは、様々な化学反応によって有害な硫黄化合物が硫黄含有液体周辺の大気中または物理構造に向けて放出される可能性があるため、重要である。例えば、ディーゼル燃料が燃焼すると、一般に酸化硫黄(SO2、SO3)と硫酸(H2SO4)が生成され、これらは酸性雨の成分であり、環境規制の対象となる。さらに、これらの硫黄化合物はディーゼル排気微粒子フィルタ(DPF)の中の触媒被毒に関連しており、硫酸はクーラおよびピストンリングライナコンポーネント(cooler and piston ring liner component)等のエンジンのコンポーネントを腐食させる可能性がある。これらの現象は、高硫黄(>350ppm)と低硫黄(15〜350ppm)燃料のどちらを使用する場合にも発生しうる。 The ability to accurately and reliably measure the concentration of sulfur in a liquid is important because various chemical reactions can release harmful sulfur compounds into the atmosphere or physical structure around the sulfur-containing liquid. is there. For example, when diesel fuel burns, sulfur oxide (SO 2 , SO 3 ) and sulfuric acid (H 2 SO 4 ) are generally generated, and these are components of acid rain and are subject to environmental regulations. In addition, these sulfur compounds are associated with catalyst poisoning in diesel exhaust particulate filters (DPFs), and sulfuric acid corrodes engine components such as coolers and piston ring liner components. there is a possibility. These phenomena can occur when using both high sulfur (> 350 ppm) and low sulfur (15-350 ppm) fuels.
上記および、硫黄化合物に対する後処理コンポーネントの感受性を含めた理由により、最近のディーゼルエンジンは、超低硫黄ディーゼル(ULSD)燃料(<15ppmS)を使用するように設計されている。このような設計変更の結果、ディーゼル燃料中の硫黄濃度が低いことは今や、多くの最近のディーゼルエンジンの最適な性能のために不可欠となっている。液体中の15ppm以下のレベルの硫黄検出は実験室やその他の試験施設では実現可能であるものの、現時点ではこのような検出を、正確で、持ち運び可能で、信頼性が高く、高速で、および/または安価なセンサによって現場で行うことはできない。超低レベルの硫黄を検出するための既知の手段の例としては、炎光光度検出(FPD)および誘導結合プラズマ(ICP)装置があり、これらはどちらも、機器の大きさと試験サイクルの長さから、研究室用には適している。 For these reasons and including the sensitivity of aftertreatment components to sulfur compounds, modern diesel engines are designed to use ultra-low sulfur diesel (ULSD) fuel (<15 ppmS). As a result of these design changes, low sulfur concentrations in diesel fuel are now essential for optimal performance of many modern diesel engines. Although detection of sulfur levels below 15 ppm in liquids is feasible in laboratories and other test facilities, such detection is currently accurate, portable, reliable, fast, and / or Or it cannot be done in the field with inexpensive sensors. Examples of known means for detecting very low levels of sulfur include flame photometric detection (FPD) and inductively coupled plasma (ICP) devices, both of which are instrument size and test cycle length. Therefore, it is suitable for the laboratory.
したがって、小型で使いやすく、機器のオペレータが現場でディーゼル燃料中の硫黄化合物濃度を素早く測定できる硫黄測定システムが求められている。 Accordingly, there is a need for a sulfur measurement system that is small and easy to use and that allows equipment operators to quickly measure the concentration of sulfur compounds in diesel fuel on site.
一態様において、液体用の硫黄濃度測定システムが開示される。この硫黄濃度測定システムは、少なくとも部分的に酸化亜鉛で被覆された基板を含んでいてもよい。基板が絶縁体である場合、第一と第二の電極を基板と酸化亜鉛コーティングの間に離間させて設置してもよい。電流源または電圧源のいずれかを第一と第二の電極の間に印加し、電位計、電圧計または電位差計を含めて第一と第二の電極間の電圧または電流を測定してもよく、これは液体中の硫黄濃度と相関関係がありうる。 In one aspect, a liquid sulfur concentration measurement system is disclosed. The sulfur concentration measurement system may include a substrate that is at least partially coated with zinc oxide. If the substrate is an insulator, the first and second electrodes may be spaced apart between the substrate and the zinc oxide coating. Apply either a current source or a voltage source between the first and second electrodes and measure the voltage or current between the first and second electrodes including an electrometer, voltmeter or potentiometer Well this can correlate with the sulfur concentration in the liquid.
本発明の他の態様において、硫黄濃度測定システムが開示され、これはセンサを含み、センサは少なくとも部分的に酸化亜鉛で被覆された板状の第一の電極を含んでいてもよい。酸化亜鉛は、(002)面配向の結晶格子構造を持つマイクロ構造を有していてもよく、センサはまた、板状の第二の電極も含んでいてよく、これは第一の電極から離間され、それに対して実質的に平行に設置される。第一と第二の電極間の開回路電位が、吸着した酸化亜鉛によって生じる。短時間経過すると電圧が安定する。安定した電圧レベルおよび/または電圧が安定するまでにかかった時間を使って、液体中の硫黄化合物濃度を測定できる。 In another aspect of the present invention, a sulfur concentration measurement system is disclosed that includes a sensor, which may include a plate-like first electrode that is at least partially coated with zinc oxide. Zinc oxide may have a microstructure with a (002) -oriented crystal lattice structure, and the sensor may also include a plate-like second electrode, which is spaced from the first electrode. And installed substantially parallel thereto. An open circuit potential between the first and second electrodes is generated by the adsorbed zinc oxide. The voltage stabilizes after a short time. The stable voltage level and / or the time taken for the voltage to stabilize can be used to measure the concentration of sulfur compounds in the liquid.
また別の態様において、液体中の硫黄濃度を判定する方法が開示される。この方法は、液体を硫黄センサに当てるステップを含む。センサは第一の電極を含んでいてもよく、それは少なくとも部分的に酸化亜鉛マイクロ構造で被覆され、これは第一の電極から突出する。酸化亜鉛マイクロ構造の少なくとも一部は、(002)面配向の結晶格子構造を有していてもよい。硫黄センサはまた、様々な形態の第二の電極を有していてもよい。第一に、1つの電極(「作用」電極)を絶縁基板上に形成する場合は、第二の(「参照」)電極もその基板上の、第一の電極から離れた位置に形成してもよい。その後、両方の電極と基板を少なくとも部分的に酸化亜鉛コーティングで被覆する。第二に、第一の電極が導電性で、少なくとも部分的に酸化亜鉛コーティングで被覆してもよく、または第一の電極を絶縁基板上に堆積させてから酸化亜鉛で被覆してもよい。第二の電極は、第一の電極/基板に連結するが、そこから離間させ、第一の電極/基板に対して少なくとも実質的に平行に設置してもよい。第一と第二の電極の両方を絶縁基板上の、酸化亜鉛コーティングの下に堆積させた場合、この方法は、第一と第二の電極間に一定の電流を供給するステップと、第一と第二の電極間の電圧をモニタするステップと、電圧が安定した後に、安定した電圧を液体中の硫黄濃度に相関させるステップと、をさらに含んでいてもよい。基板/第一の電極/酸化亜鉛コーティングを第二の電極から物理的に離間させた場合は、電流源または電圧源が不要であり、第一と第二の電極間の安定した電圧を電圧計、電位計または電位差計で測定してもよい。 In yet another aspect, a method for determining a sulfur concentration in a liquid is disclosed. The method includes applying a liquid to a sulfur sensor. The sensor may include a first electrode that is at least partially coated with a zinc oxide microstructure that protrudes from the first electrode. At least a part of the zinc oxide microstructure may have a (002) -oriented crystal lattice structure. The sulfur sensor may also have various forms of the second electrode. First, when one electrode (“working” electrode) is formed on an insulating substrate, the second (“reference”) electrode is also formed on the substrate away from the first electrode. Also good. Thereafter, both electrodes and the substrate are at least partially coated with a zinc oxide coating. Second, the first electrode is conductive and may be at least partially coated with a zinc oxide coating, or the first electrode may be deposited on an insulating substrate and then coated with zinc oxide. The second electrode is coupled to the first electrode / substrate, but may be spaced apart therefrom and disposed at least substantially parallel to the first electrode / substrate. When both the first and second electrodes are deposited on the insulating substrate under the zinc oxide coating, the method includes supplying a constant current between the first and second electrodes; Monitoring the voltage between the first electrode and the second electrode and correlating the stable voltage with the sulfur concentration in the liquid after the voltage has stabilized. When the substrate / first electrode / zinc oxide coating is physically separated from the second electrode, no current source or voltage source is required and a stable voltage between the first and second electrodes can be Alternatively, it may be measured with an electrometer or potentiometer.
図1は基板30の断面を示しており、これは複数の酸化亜鉛マイクロ構造31で少なくとも部分的に被覆された第一の電極であってもよい。マイクロ構造31は基板30または電極から上方に突出する。「マイクロ構造」という用語は、本明細書において、酸化亜鉛の突起の大きさの性質を説明するために使用されているが、当業者であればわかるように、酸化亜鉛突起31の実際の大きさはナノスケールに近いか、またはその範囲に入るか、あるいはマイクロスケールより大きくてもよい。
FIG. 1 shows a cross section of a
基板30は、導電性でも非導電性でもよい。非導電性基板30は、セラミックまたは、当業者にとって明らかな各種の非導電性基板のいずれであってもよい。導電性基板もまた様々な種類であってよく、第一の電極32(図2参照)を形成するための余分な工程ステップまたは、第一の電極32を基板30に取り付けるか連結し、または酸化亜鉛突起31の下の基板上に堆積させる、別の製造ステップを不要にできる。図2は、開回路電位システムであり、電圧または電流の入力を必要としない。「第一の」電極32は一般に作用電極と呼ばれ、「第二の」電極は一般に参照電極と呼ばれる。酸化亜鉛マイクロ構造31が硫黄化合物を吸着すると、電位が生成され、これは図2に示されるシステムを使って測定可能である。
The
本開示による他の測定システムが図23〜24に示されている。このシステムでは、絶縁基板51を用いる。2つの電極52、53を基板51の上に堆積させてから、酸化亜鉛層54をその上に堆積させる。既知の電流または電圧のいずれかを電極52、53間に印加してもよく、その結果として発生する電極52、53間の電位または電流を電圧計または電位計55により測定してもよい。硫黄化合物が酸化亜鉛コーティング54のマイクロ構造31(図1)に吸着することによって生じる抵抗の変化は、ドーピング、電極52、53間の距離の変更、電極パターン等によって操作できるため、全体的な抵抗は測定に適した範囲内となる。
Other measurement systems according to the present disclosure are shown in FIGS. In this system, an insulating
本開示による硫黄センサおよび測定システムは、酸化亜鉛への有機硫黄化合物の物理吸着に基づいて設計される。発明者らは、驚くべきことに、酸化亜鉛への有機硫黄化合物の物理吸着の速度が、酸化亜鉛の結晶化度と(002)面、すなわち図1の基板30または電極から外側に、または図2に示される第一の電極32の表面33から外側に突出する平面での酸化亜鉛の結晶化度の配向に応じて変化しうることを発見した。後述のように、驚くべきことに、物理吸着の速度は、酸化亜鉛コーティングのロッド状またはリボン状の形態と酸化亜鉛コーティングの酸素欠乏状態にも依存することがわかった。
The sulfur sensor and measurement system according to the present disclosure is designed based on the physical adsorption of organic sulfur compounds on zinc oxide. The inventors surprisingly found that the rate of physisorption of the organosulfur compound onto zinc oxide depends on the crystallinity of the zinc oxide and the (002) plane, ie from the
有機硫黄化合物の酸化亜鉛への物理吸着は、少なくともひとつに、有機硫黄化合物に対する酸化亜鉛の高い吸着アフィニティに基づいており、これは酸化亜鉛コーティングまたはマイクロ構造の結晶相による。有機硫黄化合物が酸化亜鉛突起に物理吸着することによって、酸化亜鉛マイクロ構造の外側層の抵抗が変化する。酸化亜鉛マイクロ構造の抵抗の変化量は、液体中の、酸化亜鉛マイクロ構造31の中の亜鉛との反応に利用可能な硫黄化合物の量に直接対応する。図2において、この抵抗の変化は、第一と第二の電極32、35間の電圧変化を測定することによって測定できる。さらに、後述のように、硫黄濃度は、電圧が安定化するまでにかかる時間の長さを測定することによって判定できる。
The physical adsorption of organic sulfur compounds to zinc oxide is based at least in part on the high adsorption affinity of zinc oxide to organic sulfur compounds, which is due to the zinc oxide coating or the crystalline phase of the microstructure. When the organic sulfur compound is physically adsorbed on the zinc oxide protrusion, the resistance of the outer layer of the zinc oxide microstructure changes. The amount of change in resistance of the zinc oxide microstructure directly corresponds to the amount of sulfur compound available for reaction with zinc in the
図2を参照すると、一態様において、基板30は、基板30の表面33上に酸化亜鉛コーティング(図示せず)を有し、少なくとも部分的に液体34に沈められている。第二の電極35もまた、少なくとも部分的に液体34に沈められている。第一と第二の電極32、35は、電位差計、電位計または電圧計36に接続されている。基板33上の酸化亜鉛マイクロ構造31(図1)への硫黄化合物の吸着が進むと、図7に示されるように、測定対象の液体中の硫黄化合物の濃度に基づいて平衡状態が確立する。
With reference to FIG. 2, in one aspect, the
図3は、センサ38のための改良された構成を示しており、これによって図2のセンサ37より高速で、より信頼できる結果が得られる。センサ38は第一の電極32を含み、これは第二の電極35から距離Dだけ離間され、この距離は約0.2〜約4mmの範囲とすることができ、1つの特定の実施形態では約0.4mmである。第一と第二の電極32、35はワイヤ41、42に接続され、これは図2に示されるように、電位差計、電位計または電圧計36に連結される。
FIG. 3 shows an improved configuration for the
第一と第二の電極32、35の大きさは大きく異なっていてもよく、第一と第二の電極32、35間の間隔も同様である。例えば、第一と第二の電極32、35の幅は少なくとも約10mmであってもよく、第一と第二の電極32、35の長さは少なくとも約25mmであってもよい。良好な寸法としては、17mm×34mm、33.8mm×84.6mmがある。どちらの寸法の組み合わせの場合も、ギャップ距離Dは約0.4mmに設定した。
The sizes of the first and
本開示による硫黄測定システムは誘電流体、例えばディーゼル燃料を含む燃料に使用され得るため、第二の電極35と第一の電極32の間の抵抗が高すぎて、図2に示されるような開回路電位構成において正確な電圧測定ができない可能性があることがわかった。また、第二の電極35の距離や方向等の位置決めに関する要素によって容量ノイズが発生することもわかった。その結果、発明者らは驚くべきことに、第二の電極35の表面積をロッド状の構造から平板状の構造に増大させ、第一と第二の電極32、35間の距離Dを短くすることによって、抵抗の減少とキャパシタンスの増大の両方が同時に可能となることを発見した。例えば、ギャップ距離Dを3mmとし、第二の電極35をロッド状の構造から、第一の電極32と同じまたは同様の寸法の平板状の構造に変更することによって、第一と第二の電極32、35間の抵抗は約60分の1に減少し、それによって、図3に示されるセンサ38のキャパシタンスは図2に示されるセンサ37のキャパシタンスの約60倍に増大する。ステンレス鋼製の第一と第二の電極32、35にとって適当であると判明した寸法としては、17mm×34mmと33.8mm×84.6mmが含まれる。もちろん、当業者にとっては明らかであるように、その他の大きさと寸法も可能である。
Since the sulfur measurement system according to the present disclosure can be used for dielectric fluids, for example, fuels including diesel fuel, the resistance between the
図4は、複数の締結具43により電極32、35を一定の離間距離Dで一体に連結した、図3に示されるセンサ38を示す。締結具43は絶縁材料から作製するべきであり、これにはポリテトラフルオロエチレン、ポリアミドまたはポリイミドが含まれるが、これらに限定されない。電極32、35は、導電性ワイヤ41、42によって電位差計、電圧計または電位計36に連結される(図2)。図4において、電極32、35には、絶縁性締結具43を受けるための2つの開口部44が設けられている。図6は、絶縁性締結具を受けるための6つの開口部45を有する代替的な作用または第二の電極132、135を示す。
FIG. 4 shows the
図7において、X軸は測定対象の液体中の硫黄化合物の濃度であり、Y軸は酸化亜鉛マイクロ構造への硫黄化合物の吸着の平衡定数である。図7からわかるように、特定の濃度に達すると、吸着平衡定数は濃度が高くなっても同じになる。それゆえ、後述のように、(002)面内の結晶化度、酸化亜鉛マイクロ構造の形態、酸化亜鉛コーティングの酸素欠乏状態に応じて、様々な硫黄濃度の測定に有効な各種のセンサコーティングを提供することができる。 In FIG. 7, the X axis is the concentration of the sulfur compound in the liquid to be measured, and the Y axis is the equilibrium constant for the adsorption of the sulfur compound on the zinc oxide microstructure. As can be seen from FIG. 7, when a specific concentration is reached, the adsorption equilibrium constant is the same even if the concentration is increased. Therefore, as will be described later, various sensor coatings effective for measuring various sulfur concentrations according to the (002) in-plane crystallinity, the form of the zinc oxide microstructure, and the oxygen-deficient state of the zinc oxide coating. Can be provided.
前述のように、(002)面(一般に、基板または電極に対して垂直)における結晶化度が高いことは、亜鉛マイクロ構造への硫黄化合物の良好な吸着を示す可能性がある。図8を参照すると、7種類の試料A〜Gに関するX線回折スペクトルがグラフで示されている。(002)面内の結晶化度は、X軸(2θスケール)上の34での、またはその付近でのピークにより示される。それゆえ、試料AとCは(002)面に沿った結晶化度をまったく、またはほとんど示さず、これに対して、試料BとD〜Gは(002)面に沿った結晶化度を示し、試料Gは最も高いレベルの(002)面に沿った結晶化度を示す。 As described above, a high degree of crystallinity in the (002) plane (generally perpendicular to the substrate or electrode) may indicate good adsorption of sulfur compounds to the zinc microstructure. Referring to FIG. 8, X-ray diffraction spectra for seven types of samples A to G are shown in a graph. The (002) in-plane crystallinity is indicated by a peak at or near 34 on the X-axis (2θ scale). Therefore, Samples A and C show no or little crystallinity along the (002) plane, whereas Samples B and D-G show crystallinity along the (002) plane. Sample G exhibits the highest level of crystallinity along the (002) plane.
図9〜12を参照すると、異なる電極と異なるコーティング密度の比較が示されている。図9では、図10に示されるように、銅電極を酸化亜鉛でコーティングしたが、図12と比較すると、図10の酸化亜鉛コーティングは、ステンレス鋼電極の上に被覆した図12の酸化亜鉛コーティングより密度が低い。図10の、より低密度のコーティングは、図9に示されるように、低濃度である1ppmと15ppmおよび、より高濃度である350ppmの硫黄を検出する。より高濃度である350ppmの検出は図9〜10のコーティングによれば、15ppmと1ppmの濃度の場合より速く検出された。これに対して、図12の高密度コーティングでは、低濃度である約1ppmの硫黄化合物を検出できず、より高濃度である15ppm、350ppm、3600ppmの硫黄化合物は検出できる。図9〜10電極はまた、15と350ppmの濃度を、図11〜12の電極よりはるかに高速で検出した。それゆえ、図9〜12から、より高密度の酸化亜鉛コーティングは液体中のより高濃度の硫黄化合物について、より有益であり、より低密度の酸化亜鉛コーティングは液体中のより低濃度の硫黄化合物のより高速な測定にとって、より有益であると結論することができる。 Referring to FIGS. 9-12, a comparison of different electrodes and different coating densities is shown. In FIG. 9, the copper electrode was coated with zinc oxide as shown in FIG. 10, but compared to FIG. 12, the zinc oxide coating of FIG. 10 was coated on the stainless steel electrode of FIG. Less dense. The lower density coating of FIG. 10 detects low concentrations of 1 ppm and 15 ppm and a higher concentration of 350 ppm sulfur, as shown in FIG. The higher concentration of 350 ppm was detected faster with the coatings of FIGS. 9-10 than with the concentrations of 15 ppm and 1 ppm. In contrast, the high density coating of FIG. 12 cannot detect a low concentration of about 1 ppm of sulfur compounds, and can detect higher concentrations of 15 ppm, 350 ppm, 3600 ppm of sulfur compounds. The 9-10 electrodes also detected concentrations of 15 and 350 ppm much faster than the electrodes of FIGS. Therefore, from FIGS. 9-12, higher density zinc oxide coatings are more beneficial for higher concentrations of sulfur compounds in the liquid, and lower density zinc oxide coatings are lower concentrations of sulfur compounds in the liquid. It can be concluded that it is more beneficial for faster measurement of
図13を参照すると、同じコーティングの、倍率の異なる2枚のSEM写真が示されている。図13の試料は、500℃の炉温と、300℃の高いマニホルド温度を使って調製した。亜鉛アセチルアセトン前駆体を使用し、被覆工程は10トールの圧力で2時間にわたり行った。アルゴンと酸素の流速は50ml/分であった。この手順により、図13に示されるような酸素欠乏酸化亜鉛が生成され、これは基板(図示せず)から上方に突出する優れたロッド状の構造であり、したがって、(002)面内の結晶化度が高い。酸素欠乏は、測定の結果、図13のコーティングに炭素3.31重量%、酸素17.9重量%、クロム1.04%、鉄4.53%、亜鉛73.22%が含まれることが判明したことで証明された。完全に飽和した酸化亜鉛(ZnO)コーティングの亜鉛対酸素の比は3.75であり、すなわち亜鉛の分子量(30)を酸素の分子量(8)で割ったものである。それゆえ、4.09の比(73.22/17.9)は、酸素欠乏酸化亜鉛コーティングを示している。 Referring to FIG. 13, two SEM photographs of the same coating at different magnifications are shown. The sample of FIG. 13 was prepared using a furnace temperature of 500 ° C. and a high manifold temperature of 300 ° C. A zinc acetylacetone precursor was used and the coating process was performed for 2 hours at a pressure of 10 Torr. The flow rate of argon and oxygen was 50 ml / min. This procedure produces oxygen-deficient zinc oxide as shown in FIG. 13, which is an excellent rod-like structure that protrudes upward from the substrate (not shown), and therefore has a (002) in-plane crystal structure. The degree of conversion is high. As a result of measurement, it was found that the coating of FIG. 13 contained 3.31% by weight of carbon, 17.9% by weight of oxygen, 1.04% of chromium, 4.53% of iron, and 73.22% of zinc. It was proved by doing. The fully saturated zinc oxide (ZnO) coating has a zinc to oxygen ratio of 3.75, ie, the molecular weight of zinc (30) divided by the molecular weight of oxygen (8). Therefore, a ratio of 4.09 (73.22 / 17.9) indicates an oxygen-deficient zinc oxide coating.
図14は、図13のコーティングで被覆されたセンサの、異なる量の硫黄化合物を有する、詳しくは5ppmと386ppmの液体に対する応答をグラフで示す。図14で示される測定に利用された電圧計は、15ボルト超は検出できなかったため、センサと図14で使用された電圧計の組み合わせでは、図14に示されるように、4940ppmの濃度を十分に検出できない。図14はまた、図13のコーティングの、厚さ0.7マイクロメートルのロッド状構造により、低濃度の硫黄化合物検出(5ppm)と比較的高濃度の硫黄検出(386ppm)の両方に適したセンサが提供されることも示している。さらに、応答時間は5ppmの硫黄化合物濃度の液体については約100秒まで、386ppmの硫黄化合物濃度の液体については約80秒まで実質的に短縮される。 FIG. 14 graphically shows the response of the sensor coated with the coating of FIG. 13 to liquids with different amounts of sulfur compounds, specifically 5 ppm and 386 ppm. Since the voltmeter used for the measurement shown in FIG. 14 could not detect more than 15 volts, the combination of the sensor and the voltmeter used in FIG. 14 had a sufficient concentration of 4940 ppm as shown in FIG. Cannot be detected. FIG. 14 is also a sensor suitable for both low concentration sulfur compound detection (5 ppm) and relatively high concentration sulfur detection (386 ppm) due to the 0.7 micrometer thick rod-like structure of the coating of FIG. Is also provided. Furthermore, the response time is substantially reduced to about 100 seconds for a 5 ppm sulfur compound concentration liquid and to about 80 seconds for a 386 ppm sulfur compound concentration liquid.
図18〜19は、パラメータを変えて作製された酸化亜鉛コーティングの結晶構造のX線回折(XRD)解析の棒グラフである。詳しくは、サイクル時間、真空圧力、バブラ温度、マニホルド温度設定点、チャンバ温度のすべてを変化させた。図18を参照すると、試料番号65、67、130、134には同じパラメータが使用されている。試料65、67、130、134のセンサコーティングを製造するために使用されたパラメータは、下表1の第一の、すなわち左の欄に示されている。図18と19に示される他の試料のパラメータも表1に示されている。
18-19 are bar graphs of X-ray diffraction (XRD) analysis of the crystal structure of zinc oxide coatings made with different parameters. Specifically, the cycle time, vacuum pressure, bubbler temperature, manifold temperature set point, and chamber temperature were all varied. Referring to FIG. 18, the same parameters are used for
図15〜20は、第一の電極32の上に被覆された亜鉛マイクロ構造31に関する(002)面内の高結晶化度の重要性を示している。詳しくは、図15において、試料番号67は、図18〜19においてグラフで示されているが、図18〜19に示されるように(002)面内の高い結晶化度を示している。図15の試料67は、10.7ppmの比較的低い硫黄化合物濃度と20〜24ppmの範囲の濃度を測定する能力を示しているが、20ppm〜24ppmの間の感度は望ましい程度より幾分低い。図15の試料67はまた、48ppmおよび36ppmの比較的高い硫黄化合物濃度を検出する能力も示している。36ppmの線はかなりの量のノイズを示しており、これは制御可能な環境要素に起因する。
15-20 illustrate the importance of high crystallinity in the (002) plane for the
図16を参照すると、図18〜19の試料23が示されている。図18〜19は、試料23の(002)レンジ内の結晶化度が低いことを示しており、その結果、亜鉛マイクロ構造で被覆された第一の電極が得られるが、10.7ppm〜20.3ppmの間の感度が比較的低い。同じことが図17の試料106についても言え、これは、図18〜19に示されるように、(002)面の結晶化度が低く、その結果、10.7ppm〜20.3ppmの間の硫黄化合物濃度での感度が低い。
Referring to FIG. 16, the
表1から、複数の要素が(002)面結晶格子配向に影響を与えることがわかる。これらの要素には、サイクル時間、真空圧力、バブラ温度、マニホルド温度、チャンバ温度が含まれる。真空圧力とサイクル時間が主要素であり、マニホルド温度、バブラ温度、チャンバ温度は二次的要素であるようである。試料65、130、134と同じパラメータを使って作製した試料番号67では(002)配向対(101)配向の比が高いことから、真空圧力を15トールと幾分高く、サイクル時間を約7時間に保ち、その一方でマニホルド温度を約225℃、バブラ温度を約125℃、およびこれより重要性は低いが、チャンバ温度を約500℃に保つことによって、強い(002)配向を有する酸化亜鉛マイクロ構造が提供されることは明らかである。もちろん、これらのパラメータは大きく変えることができ、パラメータは具体的な用途、例えば超低硫黄燃料対高硫黄燃料等に合わせて選択できる。
From Table 1, it can be seen that a plurality of elements affect the (002) plane crystal lattice orientation. These factors include cycle time, vacuum pressure, bubbler temperature, manifold temperature, and chamber temperature. Vacuum pressure and cycle time are the main factors, and manifold temperature, bubbler temperature, and chamber temperature appear to be secondary factors. Sample No. 67 made using the same parameters as
図20を参照すると、試料67は濃度10.7ppm〜48ppmの間で最高感度を提供することが明らかである。また、すべての試料が比較的短時間で飽和し、又は平衡となることもわかる。詳しくは、試料23(図16)と106(図17)より幾分遅いが、試料67は48ppmという、より高い濃度では約30秒で平衡となり、より低い濃度では約50秒で平衡となる。
Referring to FIG. 20, it is clear that
最後に、図21〜22は、本開示によるセンサと測定システムを使った測定の再利用性と繰り返し性を示している。図21を参照すると、電圧は約6ボルトで安定し、これは約11ppmの液体中硫黄化合物濃度に相関する。電圧はまた、5ボルト未満でも安定し、これは約48ppmの硫黄化合物濃度に相関する。電圧はまた、約7ボルト、7.5ボルト約11ボルトで安定し、これらはそれぞれ、約135、155、183ppmの硫黄化合物濃度に相関する。機器の限界は約15ボルトであるため、試料23では297ppmより高い濃度は検出不能である。安定した圧力の数値間のピークは、センサを、異なる硫黄化合物濃度の異なる液体への曝露と曝露の間にペンタンですすいだことを示している。
Finally, FIGS. 21-22 illustrate the reusability and repeatability of measurements using sensors and measurement systems according to the present disclosure. Referring to FIG. 21, the voltage stabilizes at about 6 volts, which correlates to a liquid sulfur compound concentration of about 11 ppm. The voltage is also stable below 5 volts, which correlates to a sulfur compound concentration of about 48 ppm. The voltage is also stable at about 7 volts, 7.5 volts and about 11 volts, which correlate to sulfur compound concentrations of about 135, 155 and 183 ppm, respectively. Since the instrument limit is about 15 volts, concentrations above 297 ppm are not detectable in
試料23の測定の繰り返し性が図22に示されている。詳しくは、5種類の液体、11ppm、48ppm、135ppm、155ppm、183ppmへの曝露を逆転させ、センサが1つの液体に曝露された後、センサが次の液体に曝露される前にペンタンでのすすぎを実行した。11ppm、48ppm、135ppm、155ppm、183ppmの硫黄化合物濃度に関する安定化電圧の数値は、どちらのサイクルでも略等しい。
The repeatability of the measurement of the
本明細書で開示される測定システムは、オペレータが、特定の硫黄濃度の燃料で動作するように設計されていることもある機械に燃料を注入する前にその燃料の硫黄含有量を測定できるような、現場での用途に特に有益である。本明細書で開示される測定システムは、センサまたは電極対を使い捨てまたは再利用可能とするように改造してもよく、または、このシステムは、それなりの量の燃料を注入する前に、燃料タンクのネックにおいて燃料の硫黄含有量を判定する機内搭載型測定システムとして使用してもよい。 The measurement system disclosed herein allows an operator to measure the sulfur content of a fuel before injecting it into a machine that may be designed to operate with a fuel of a specific sulfur concentration. Especially useful for field applications. The measurement system disclosed herein may be modified to make the sensor or electrode pair disposable or reusable, or the system may have a fuel tank prior to injecting a reasonable amount of fuel. It may be used as an on-board measurement system that determines the sulfur content of the fuel at the neck.
図14に示されるように、本開示による1つのセンサは、低濃度(5ppm)と高濃度(386pm)の両方において良好な感度を示す。図14のセンサは、5ppmの液体では約100秒で飽和点に達し、その一方で、図15のセンサはすべての濃度について約1分以下で飽和点に達する。それゆえ、本開示によるセンサと測定システムは十分に高速であり、現場でほとんど不都合なく使用できる。 As shown in FIG. 14, one sensor according to the present disclosure exhibits good sensitivity at both low concentration (5 ppm) and high concentration (386 pm). The sensor of FIG. 14 reaches the saturation point in about 100 seconds with 5 ppm liquid, while the sensor of FIG. 15 reaches the saturation point in about 1 minute or less for all concentrations. Therefore, the sensor and measurement system according to the present disclosure are sufficiently fast and can be used in the field with little inconvenience.
代替案として、オペレータはZnO硫黄センサの飽和に必要な時間の長さをモニタしてもよく、これは、電流が一定のままである時のセンサ内の電圧の安定化により示される。オペレータは、ルックアップテーブルを使って安定電圧を硫黄含有量に相関させてもよく、または相関は、よく知られた自動化技術、例えばコンピュータによる一連のルックアップテーブルへのアクセス等を利用して自動的に行うこともでき、また絶対的な硫黄読取り値がオペレータに発行されてもよい。 As an alternative, the operator may monitor the length of time required to saturate the ZnO sulfur sensor, as indicated by the stabilization of the voltage in the sensor when the current remains constant. The operator may use a look-up table to correlate the stable voltage to the sulfur content, or the correlation can be automated using well-known automation techniques such as access to a series of look-up tables by a computer. Or an absolute sulfur reading may be issued to the operator.
基板上にZnOマイクロ構造を形成するには、当業界で知られているいずれの適当な堆積および/または成長方式を使用してもよい。例えば、前述のように、MOCVDを使って導電性またはセラミック基板上にZnO堆積物を形成してもよい。図18と表1は、真空圧力とサイクル時間または堆積時間が(002)結晶化度に与える影響を示しており、その一方で、二次的要素はマニホルド温度とバブラ温度である。図13は、約2時間で成長しうる適当なZnOマイクロ構造を示しているが、これに対して、より高密度でより厚いZnOマイクロ構造は同条件では約3.5時間で成長しうる。図13に示されるZnOマイクロ構造の厚さは約0.7マイクロメートルであり、密度は、ZnOマイクロ構造が基板から反対の非常にランダムな方向に成長できるのに適した密度である。これに対して、堆積時間を3.5時間に延ばすことにより、厚さ約1.0マイクロメートルのZnOマイクロ構造ができる。この厚さそのものは容認可能であるが、導電性基板の表面上のZnOの密度は低い硫黄化合物濃度にとって高すぎる可能性があり、それは密度が高いとマイクロ構造と液体の間の相互作用が阻止されるからである。このように高い密度であると、ZnOマイクロ構造は基板から反対方向に非常にコンパクトに秩序的に成長せざるを得ないこともある。それゆえ、硫黄濃度の異なる燃料には、2つ以上のセンサを利用してもよい。 Any suitable deposition and / or growth scheme known in the art may be used to form the ZnO microstructure on the substrate. For example, as described above, MOCVD may be used to form a ZnO deposit on a conductive or ceramic substrate. FIG. 18 and Table 1 show the effect of vacuum pressure and cycle time or deposition time on (002) crystallinity, while the secondary factors are manifold temperature and bubbler temperature. FIG. 13 shows a suitable ZnO microstructure that can grow in about 2 hours, whereas a denser and thicker ZnO microstructure can grow in about 3.5 hours under the same conditions. The thickness of the ZnO microstructure shown in FIG. 13 is about 0.7 micrometers, and the density is suitable for allowing the ZnO microstructure to grow in a very random direction opposite from the substrate. On the other hand, by extending the deposition time to 3.5 hours, a ZnO microstructure having a thickness of about 1.0 micrometers can be obtained. Although this thickness itself is acceptable, the density of ZnO on the surface of the conductive substrate may be too high for low sulfur compound concentrations, which would prevent the interaction between the microstructure and the liquid Because it is done. With such a high density, the ZnO microstructure may have to grow very compact and orderly in the opposite direction from the substrate. Therefore, two or more sensors may be used for fuels having different sulfur concentrations.
本開示は、ZnOマイクロ構造としてのマイクロ構造に言及しているが、当業者であれば、マイクロ構造が堆積および成長工程中に基板から引き出される可能性のある偶発的な量のその他の元素を有していてもよいことがわかるはずである。例えば、導電性基板がステンレス鋼である場合、マイクロ構造は約1.0〜5.0重量%のC、約14.0〜24.0重量%のO、約0.5〜1.5重量%のCr、約2.5〜7.0重量%のFe、残りの割合のZnを含んでもよい。一例において、解析の結果、ステンレス鋼基板上に成長したZnOマイクロ構造は次のような重量パーセントでの組成を有していた。すなわち、C−3.31、O−17.90、Cr−1.04、Fe−4.53、Zn−73.22。 Although this disclosure refers to microstructures as ZnO microstructures, those skilled in the art will recognize incidental amounts of other elements that the microstructures may be extracted from the substrate during the deposition and growth process. It should be understood that it may have. For example, if the conductive substrate is stainless steel, the microstructure is about 1.0-5.0 wt% C, about 14.0-24.0 wt% O, about 0.5-1.5 wt%. % Cr, about 2.5-7.0 wt% Fe, and the remaining percentage Zn. In one example, the analysis showed that the ZnO microstructure grown on the stainless steel substrate had the following weight percent composition: That is, C-3.31, O-17.90, Cr-1.04, Fe-4.53, Zn-73.22.
液体中の硫黄化合物含有量を正確に測定するのに必要な時間に関して、他の要素の中でも、図9、11、14〜17、21、22に示されるように、これは電極の材料と寸法、電極間の間隔、ZnOマイクロ構造の液体曝露総表面積、液体の硫黄濃度に大きく依存する。データからわかるように、本開示に従って形成されたZnO硫黄センサを使って燃料の硫黄レベルを測定する場合、液体の硫黄レベルが増大すると、応答時間が短くなり、安定化電圧が高くなる。 Regarding the time required to accurately measure the sulfur compound content in the liquid, among other factors, as shown in FIGS. 9, 11, 14-17, 21, 22, this is the material and dimensions of the electrode. , Depending on the spacing between the electrodes, the total liquid exposure surface area of the ZnO microstructure, and the sulfur concentration of the liquid. As can be seen from the data, when measuring the sulfur level of a fuel using a ZnO sulfur sensor formed in accordance with the present disclosure, increasing the liquid sulfur level results in a shorter response time and higher regulated voltage.
図23〜24は、小型で製造しやすいシステムを示しており、電極52、53は絶縁基板、例えばシリコン基板の上に形成されてから、上述の技術を使って酸化亜鉛コーティング54がその上に形成される。
FIGS. 23-24 illustrate a small and easy to manufacture system in which
Claims (10)
少なくとも部分的に酸化亜鉛で被覆された第一の電極(32)と、
第一の電極(32)から離間された第二の電極(35)と、
第一と第二の電極(32、35)間の電圧を測定するための電位計(36)と、
を含むシステム。 In the sulfur concentration measurement system for liquids,
A first electrode (32) at least partially coated with zinc oxide;
A second electrode (35) spaced from the first electrode (32);
An electrometer (36) for measuring the voltage between the first and second electrodes (32, 35);
Including system.
液体(34)を硫黄センサ(37)に当てるステップであって、硫黄センサ(37)が第一の電極(32)を含み、それが少なくとも部分的に、第一の電極(32)から突出する酸化亜鉛マイクロ構造(31)で被覆され、酸化亜鉛マイクロ構造(31)の少なくとも一部が(002)面配向の結晶格子構造を有し、硫黄センサ(37)がまた、第一の電極(32)に連結されるがそれから離間され、第一の電極(32)に対して少なくとも実質的に平行に設置された第二の電極(35)も有するステップと、
第一と第二の電極(32、35)間の電圧をモニタするステップと、
電圧が安定した後に、電圧を液体(34)中の硫黄濃度に相関させるステップと、
を含む方法。 In a method for determining a sulfur concentration in a liquid (34),
Applying a liquid (34) to the sulfur sensor (37), the sulfur sensor (37) including a first electrode (32) that protrudes at least partially from the first electrode (32); The zinc oxide microstructure (31) is coated, at least a part of the zinc oxide microstructure (31) has a (002) -oriented crystal lattice structure, and the sulfur sensor (37) is also connected to the first electrode (32 A second electrode (35) coupled to but spaced therefrom and disposed at least substantially parallel to the first electrode (32);
Monitoring the voltage between the first and second electrodes (32, 35);
Correlating the voltage with the sulfur concentration in the liquid (34) after the voltage has stabilized;
Including methods.
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