PL221805B1 - Rezystancyjny sensor amoniaku - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest rezystancyjny sensor amoniaku służący do pomiaru stężenia gazowego amoniaku w badanej atmosferze, znajdujący zastosowanie do kontroli atmosfery w pomieszczeniach zamkniętych, w których istnieje zagrożenie wycieku lub ulatniania się chloru.

Znany z opisu patentowego US 4350660 sensor gazowego amoniaku składa się z cienkiej nieprzewodzącej płytki ze szkła lub Si/SiO₂, na którą zostały naparowane lub naniesione metodą fotolitografii aluminiowe elektrody palcowe oraz warstwa gazoczuła z ftalocyjaniny miedzi o grubości 100-10000 A. Do elektrod przymocowane są kontakty elektryczne w postaci cienkich drutów, łączące sensor z miernikiem rezystancji. Sensor wyposażony jest w element grzejny, umożliwiający utrzymywanie stałej temperatury z zakresu 30-65°C, w której sensor wykazuje najwyższą czułość na amoniak. Wartość rezystancji warstwy materiału gazoczułego jest zależna od stężenia amoniaku w badanym środowisku, w którym umieszczono sensor. Sensor ten służy do detekcji gazowego amoniaku pochodzącego ze środowiska wodnego np. rzek, jezior, oczyszczalni ścieków w celu kontroli czystości.

Z opisu patentowego nr PL 186163 znany jest rezystancyjny czujnik gazowy wyposażony w c eramiczną obudowę, wewnątrz której jest umieszczona warstwa gazoczuła, w postaci wypraski z tlenku półprzewodzącego np. SnO₂ i ewentualnie środka izolującego elektrycznie, o grubości co najmniej 0,01 mm, zawierająca elektrody z folii metalicznej np. palladu, posiadające wyprowadzenia do miernika rezystancji. Warstwa gazoczuła jest od dołu pokryta warstwą grzewczą w postaci wypraski z materiału izolacyjnego np. a-AI₂O₃, o grubości co najmniej 0,2 mm, zawierającej element grzejny, korzystnie w postaci spirali z drutu oporowego. Ponadto nad warstwą gazoczułą jest umieszczony dodatkowy element grzejny połączony szeregowo z elementem grzejnym wprasowanym w warstwę grzewczą. Obydwa elementy grzejne są zaopatrzone w wyprowadzenia do źródła zasilania. W ściance obudowy, nad elementem grzejnym, znajduje się otwór do doprowadzania badanego medium gazowego do wnętrza czujnika.

Znany jest także z opisu patentowego US 7442555 sensor, który składa się z elementu przeznaczonego do odsiarczania analitu w postaci wypraski CaO, MgO lub ceramiki perowskitowej, oraz rozdzielnika gazu na dwa strumienie i komór niskotemperaturowej oraz wysokotemperaturowej, przy czym każda z nich zawiera katalizator w postaci związków i metali takich jak np. NiAl₂O₄, V₂O₅, MoO₃, WO₃, FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄, CeO₂, CuO, MnO₂, RuO₂, Ag, Pt, Cu. Sensor zawiera także segment, który służy do obniżania zawartości NO₂ w strumieniach analizowanego gazu oraz spalania węglowodorów i utleniania CO do CO₂. Ponadto sensor zawiera amperometryczny lub potencjometryczny detektor NO_x o mieszanym potencjale oraz detektor z półprzewodnikową warstwą gazoczułą, zawierającą WO3. Sygnałem analitycznie użytecznym pod kątem oznaczania NO_x jest rezystancja lub pojemność warstwy gazoczułej. Sensor służy do oznaczania zawartości gazowego amoniaku w spalinach powstających w silnikach samochodowych oraz elektrowniach. Oznaczanie NH₃ odbywa się na podstawie różnicy zawartości NO_x w strumieniach gazu komór nisko - i wysokotemperaturowej. Pierwszym etapem detekcji są reakcje katalityczne na amoniaku, których produktami są N₂ i H₂O (niskotemperaturowa) oraz NO i H2O (wysokotemperaturowa).

Rezystancyjny sensor amoniaku, według wynalazku, składający się z obudowy, zawierającej dwie komory oddzielone od siebie elementem z materiału gazoczułego z naniesionymi na powierzchniach kontaktu z gazem porowatymi elektrodami platynowymi, połączonymi z miernikiem rezystancji, charakteryzuje się tym, że materiał gazoczuły stanowi spiek żelazianu bizmutu o wzorze chemicznym BiFeO₃.

Zaletą sensora według wynalazku jest to, że dzięki zastosowaniu materiału gazoczułego w postaci spieku żelazianu bizmutu możliwe jest określenie stężenia amoniaku w badanej atmosferze na podstawie pomiaru rezystancji, która w określonej temperaturze zależy od stężenia amoniaku w atmosferze, z którą kontaktuje się za pośrednictwem elektrod.

Sensor ten jest stosowany podczas analizowania atmosfery pod kątem oznaczania stężenia gazowego amoniaku i posiada pożądane parametry użytkowe tj. niską granicę oznaczalności, szeroki zakres dynamiczny, powtarzalność, krótki czas odpowiedzi i powrotu oraz długi czas życia.

Sensor ten do prawidłowej pracy wymaga wysokich temperatur rzędu kilkuset stopni Celsjusza. Zapewnione jest wówczas wysokie przewodnictwo elektryczne w zastosowanym materiale gazoczułym oraz szybka kinetyka reakcji chemicznych w sensorze.

Wynalazek przedstawiony jest w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie sensor w przekroju poprzecznym, fig. 2 - wykres zależności rezystancji materiału gazoczułego od czasu przebywania sensora w temperaturze 400°C, fig. 3 - przebieg zmian stężenia

PL 221 805 B1

NH₃ w czasie dla temperatury 400°C, a fig. 4 - krzywą kalibracyjną - wykres zależności rezystancji od stężenia amoniaku.

Rezystancyjny sensor amoniaku składa się z obudowy złożonej z dwóch części alundowych 1 i 2, zawierających komory 3 i 4, do których dostarczany jest gaz z badanej atmosfery. Komory 3 i 4 oddzielone są od siebie elementem 5 wykonanym z materiału gazoczułego, przy czym element 5 ma postać kwadratowej płytki o boku 8 mm i grubości 0,3 mm i jest spiekiem o wzorze chemicznym BiFeO₃ z naniesionymi na płaskich powierzchniach kontaktu z badaną atmosferą porowatymi elektrodami 6 i 7 wykonanymi z platyny. Elektrody 6 i 7 poprzez platynowe końcówki połączone są przewodami elektrycznymi 8 i 9 z miernikiem rezystancji nieuwidocznionym na rysunku.

Sensor zamocowano w uchwycie i umieszczono w rurowym przelotowym piecu oporowym, który nagrzano do temperatury 400°C i przystąpiono do pomiarów rezystancji atmosfery gazowej, której przebieg w czasie przedstawiono na fig. 2. W pierwszej kolejności poprzez wloty pompowano do obu komór 3 i 4 samo powietrze, które opływając powierzchnię elementu 5 poprzez wyloty wydostawało się z nich na zewnątrz. Po 20 minutach przystąpiono do pompowania do komór 3 i 4 mieszaniny powietrza z gazowym amoniakiem o stężeniu 1000 ppm, potem samo powietrze, a następnie cyklicznie co 20 minut zmieniano stężenie gazowego amoniaku zgodnie z wykresem przedstawionym na fig. 3, przy czym prędkość przepływu gazów w obu komorach 3 i 4 utrzymywano na stałym poziomie wynoszącym 100 sccm, a rezystancję mierzono dla każdej zmiany atmosfery gazowej.

Wykresy, przedstawione na fig. 2 i 3, stanowią tzw. charakterystyki kalibracyjne i dzięki nim możliwe jest przyporządkowanie do każdej wartości rezystancji elementu 5 wartości stężenia gazowego amoniaku w badanej atmosferze. Przeprowadzając badania atmosfery o nieznanym stężeniu amoniaku, mierzy się wartość rezystancji elementu 5 i na tej podstawie z krzywej kalibracyjnej przedstawionej na fig. 4 odczytuje się wartość stężenia gazowego amoniaku, zawartego w badanej atmosferze.

Sensor charakteryzuje się następującymi parametrami użytkowymi w temperaturze najbardziej efektywnej pracy wynoszącej 400°C:

granica oznaczalności: 300 ppm NH₃ w powietrzu, zakres dynamiczny: 300-3000 ppm NH₃ w powietrzu, czas odpowiedzi t₆₃%: « 2 minuty czas powrotu « 5 minut czas życia: minimum 2 miesiące.

Claims (1)

1. Rezystancyjny sensor amoniaku, składający się z obudowy, zawierającej dwie komory oddzielone od siebie elementem z materiału gazoczułego z naniesionymi na powierzchniach kontaktu z gazem porowatymi elektrodami platynowymi, połączonymi z miernikiem rezystancji, znamienny tym, że materiał gazoczuły stanowi spiek żelazianu bizmutu o wzorze chemicznym BiFeO₃.