PL226779B1

PL226779B1 - Swiatłowodowy czujnik gazów oraz sposób wytwarzania swiatłowodowego czujnika gazów

Info

Publication number: PL226779B1
Application number: PL411431A
Authority: PL
Inventors: Karol Wysokiński; Karol Wysokinski; Marek Napierała; Michał Szymański; Michał Szymanski; Małgorzata Broczkowska; Michał Murawski; Tomasz Stańczyk; Tomasz Stanczyk; Agnieszka Kołakowska; Tomasz Nasiłowski
Original assignee: Inphotech Spółka Z Ograniczoną Odpowiedzialnością
Priority date: 2015-02-28
Filing date: 2015-02-28
Publication date: 2017-09-29
Also published as: PL411431A1; WO2016137348A1; WO2016137348A4

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest światłowodowy czujnik gazów służący do badania zawartości CO2, NO2, SO2, NH3 i H2O oraz innych gazów w powietrzu oparty na zjawisku zmiany zabarwienia przez wskaźniki pH oraz sposób wytwarzania światłowodowego czujnika gazów.

Efektywna metoda pomiaru stężenia gazów strategicznych m.in. przy pomiarach w środowiskach zagrożonych wybuchem jest poszukiwana w technice. Ze względu na to, że pomiar gazów zazwyczaj odbywa się w środowiskach zagrożonych wybuchem, w wielu przypadkach wymogi dot. czujników są bardzo ścisłe, w szczególności czujniki nie mogą powodować powstawania iskier. Dlatego idealnymi kandydatami na wykonanie elementów czułych są światłowody będące elementami pasywnymi.

W technice znane są różne sposoby wykorzystania światłowodów do pomiaru stężeń gazów.

W patencie US5714121 został ujawniony optyczny czujnik dwutlenku węgla oraz sposób jego wytwarzania. Czujnik przeznaczony jest do wykrywania CO2 w próbce w stanie ciekłym i zawiera wprowadzoną nakładkę/kapsułkę nasuwaną na koniec włókna światłowodu zawierającą cząstki fluorescencyjnego wskaźnika reagującego z CO2. Kapsułka wykonana jest z silikonu.

Patent US5408999 dotyczy światłowodowego czujnika do pomiaru parametrów płynów. Ujawnione rozwiązanie przeznaczone jest do badania pH oraz stężenia gazów we krwi (w tym tlenu i CO2). Zasada działania wynalazku opiera się na wykorzystaniu powłoki lub warstwy reaktywnej naniesionej na powierzchnię światłowodu. Wynikająca z reakcji warstwy reaktywnej z otoczeniem zmiana propagacji światła pozwala ocenić pH/stężenie.

W patencie US4842783 przedstawiono sposób wytwarzania światłowodowego czujnika chemicznego, jaki polega na naniesieniu na część falowodu fotokrystalicznego żelu, najlepiej polimerowego, który sieciując zwiększa objętość. Żel nasycany jest barwnikiem, który zmienia propagację światła i może być użyty do oceny pH, stężenia tlenu, CO2 lub innych gazów.

Patent US5280548 dotyczy czujnika światłowodowego do analizy CO2, który może służyć także do pomiaru stężenia tlenu lub pomiaru pH.

DE19900019 - wynalazek dotyczy czujnika światłowodowego do pomiarów pH i CO₂ oraz innych parametrów fizykochemicznych. Światłowód w obszarze wykrywania pokryty jest membraną, w której znajduje się substancja (wskaźnik) zmieniająca swoje właściwości absorpcyjne pod wpływem zmian właściwości otoczenia.

Czujnik według wynalazku zawiera co najmniej jedno włókno światłowodowe pokryte warstwą silikażelową zmieniającą barwę przy zmianie stężenia gazów wybranych co najmniej spośród CO2, NO2, SO2, NH3 i H2O. Warstwa silikażelowa naniesiona jest na powierzchnię światłowodu pozbawioną płaszcza i zawiera co najmniej jedną substancję wrażliwą na zmianę odczynu środowiska pracy światłowodu, korzystnie gdy substancją tą jest oranż metylowy, błękit tymolowy czy też fenoloftaleina lub inna substancja wrażliwa na zmianę pH w zakresie od 0 do 14.

Korzystnie gdy warstwa silikażelu naniesiona jest na powierzchnię światłowodu przewężonego i/lub przetrawionego i/lub zgiętego lub na czoło światłowodu. Przy czym światłowód jest włóknem jednomodowym lub wielomodowym lub niedomieszkowanym (zrobionym z czystej krzemionki). W innym przykładzie wykonania wykorzystywane są też włókna mikrostrukturalne. Przy czym włókna na jakie naniesiony jest silikażel charakteryzują się niską tłumiennością.

Silikażele, w których znajduje się co najmniej jeden wskaźnik, w zależności od przykładu wykonania wykonane są za pomocą dwóch podstawowych metod: z wykorzystaniem krzemianów nieorganicznych np. krzemianu sodu lub z wykorzystaniem organicznych silanów.

Sposób wykonania czujnika gazów według wynalazku polega na tym, że światłowód ko rzystn ie jednomodowy pozbawia się fragmentu pokrycia, odsłonięty fragment włókna światłowodowego poddaje się obróbce poprzez przewężenie, wytrawienie lub przecięcie, a następnie na obrobioną powierzchnię światłowodu nanosi się korzystnie poprzez zanurzenie obrobionego fragmentu światłowodu w roztwór silikażelu.

Korzystnie gdy światłowód pozbawiony na swej części pokrycia światłowód przewęża się tak, że jego włókno za pomocą dedykowanej spawarki światłowodowej ogrzewa się i rozciąga. Korzystnie gdy przewężenie wykonuje się na spawarce światłowodowej GPX-3400 zachowując parametry przewężenia wykonanego na standardowym światłowodzie jednomodowym SMF-28 w następującej postaci:

- długość przewężenia: co najmniej 1 mm,

- średnica przewężenia: korzystnie nie mniejsza niż 5 pm,

- długość stref przejściowych: co najmniej 1 mm.

PL 226 779 B1

Przy czym roztwór silikażelu w korzystnym przykładzie wykonania uzyskuje się tak, że do wodnego roztworu o odczynie kwasowym wkrapla się rozcieńczony roztwór krzemianu sodu aż do uzyskania zakładanej wartości pH znajdującej się w zakresie od 1 do 9. Następnie po upływie określonej ilości czasu wynoszącego min. 10 sek. tak przygotowany roztwór żeluje, co następuje tym szybciej, im wyższą wartość pH osiągnięto. Następnie żel płucze się a potem suszy w warunkach pokojowych. Alternatywnie można przeprowadzić reakcję w przeciwny sposób, tj. wkraplać krzemian do kwasu, lecz wówczas reakcja zachodzi błyskawicznie, przez co otrzymana krzemionka może nie nadawać się do wykorzystania do celów czujnikowych.

Po czym powierzchnię przewężenia pokrywa się silikażelem jaki zawiera 10-60% wagowych roztworu etanolu zawierającego 0,1% wagowych błękitu tymolowego oraz 20-70% wagowych trietoksymetylosilanu do jakich dodany jest 0-20% wagowych tetraetoksysilanu i 5-30% wagowych wody wraz z 1-10% wagowych wodnego roztworu wodorotlenku tetrametyloamoniowego, jakie tworzą jednorodną pochodnych krzemianów, w których można rozpuścić barwniki będące wskaźnikami pH. W wyniku reakcji hydrolizy krzemiany ze stanu ciekłego przechodzą w stały, a po odparowaniu rozpuszczalników stają się bardzo porowate. Porowatą krzemionkę można uzyskać wykorzystując jako odczynniki np. tetraetoksysilan, trietoksymetylosilan, trietoksyoktylosilan, krzemiany lub inne podobne związki zawierające krzem. Barwniki można także rozpuścić w wielu substancjach polimerowych jak np. etyloceluloza, jednak nie wykazują one wówczas tak szybkich czasów reakcji.

Doprowadzenie światła do warstwy silikażelu zawierającej wskaźnik pH według wynalazku odbywa się za pomocą światłowodów z wykorzystaniem jednej z poniższych metod:

- pokrycie warstwą aktywną przewężki wykonanej na światłowodzie jednomodowym, wielomodowym lub niedomieszkowanym, przy czym korzystnie może być zastosowany również światłowód mikrostrukturalny,

- pokrycie warstwą aktywną przetrawionego fragmentu światłowodu jednomodowego, wielomodowego lub niedomieszkowanego, przy czym korzystnie może być zastosowany również światłowód mikrostrukturalny,

- pokrycie warstwą aktywną fragmentu światłowodu wielomodowego lub niedomieszkowanego, przy czym korzystnie może być zastosowany również światłowód mikrostrukturalny,

- pokrycie warstwą aktywną czoła światłowodu.

W pierwszych trzech przypadkach pomiar odbywać się może poprzez badanie transmisji włókna lub poprzez zbadanie zmian intensywności światła odbitego od czoła światłowodu przeciwnego do tego, przez które wprowadzane jest światło, co wiąże się z koniecznością użycia sprzęgacza światłowodowego. W ostatnim przypadku pomiar można prowadzić transmisyjnie odbierając światło ze światłowodu z pokrytym czołem za pomocą innego światłowodu, co można zrobić poprzez dokładne ustawienie ich naprzeciw siebie. Alternatywnie pomiar ten również można wykonać odbiciowo mieszaninę. Przy czym silikażel naniesiony jest na powierzchnię światłowodu w procesie zanurzania, po jakim jedna z części przewężki znajduje się wyżej niż druga, a po odczekaniu 1 minuty zanurzenie korzystnie powtarza się co najmniej 3 razy i suszy się co najmniej 24 godziny.

W innym przykładzie wykonania stosuje się organiczne silany w ilości co najmniej 20% zawierające w szczególności grupę metylową lub oktylową, co pozwala osiągnąć silikażele o różnych parametrach i to bez konieczności stosowania płukania, co ułatwia proces wytwarzania czujników. Korzystanie z etoksysilanów z dodatkowymi grupami alkilowymi pozwala uzyskiwać różny poziom porowatości oraz przenikalności dla różnych gazów. Wówczas miesza się ze sobą silany (korzystnie etoksysilany), rozpuszczalnik (np. alkohol etylowy), wodę oraz katalizator. Woda i katalizator konieczne są do przeprowadzenia reakcji hydrolizy podczas gdy rozpuszczalnik ułatwia zmieszanie składników, co może być kłopotliwe.

W innym przykładzie wykonania fragment światłowodu jednomodowego, pozbawia się pokrycia, a następnie przez co najmniej 10 minut poddaje się działaniu 40% roztworu kwasu fluorowodorowego, zachowując parametry uzyskanego przetrawienia jako:

- średnica przetrawionego światłowodu wynosi korzystnie nie mniej niż: 5 pm,

- długość przetrawienia wynosi co najmniej: 0,5 cm.

Później wytrawiony fragment unieruchamia się, korzystnie na podwyższeniu, dzięki czemu nie będzie się on poruszać podczas pokrywania i pracy czujnika i pokrywa się silikażelem.

Silikażel jakim pokrywa się wytrawioną powierzchnię przewężenia ma postać roztworu etanolu zawierającego 0,1% czerwieni fenolowej lub błękitu tymolowego, w ilości 10-60% wagowych do którego dodaje się 20-70% wagowych trietoksymetylosilanu, do jakich dodane jest 0-20% wagowych

PL 226 779 B1 tetraetoksysilanu i 5-30% wagowych wody do jakich dodane jest 1-10% wagowych wodnego roztworu wodorotlenku tetrametyloamoniowego jakie tworzą jednorodną mieszaninę w jakiej zanurza się wytrawiony obszar światłowodu. Po zanurzeniu światłowód wyciąga się z niej tak, by jeden z końców przetrawionego fragmentu znajdował się wyżej niż drugi, a po czasie 1 minuty czynność powtarza się co najmniej 3 krotnie i suszy światłowód przez co najmniej 24 godziny.

W innym przykładzie wykonania na odcinku ok. 12 cm światłowód niedomieszkowany pozbawia się pokrycia, a na ten odcinek nanosi się warstwę silikażelu. Silikażel jakim pokrywa się odsłoniętą powierzchnię światłowodu ma postać roztworu etanolu zawierającego 0,1% czerwieni fenolowej w ilości 10-60% wagowych, 20-70% wagowych trietoksymetylosilanu oraz 0-20% wagowych tetraetoksysilanu i 5-30% wagowych wody do jakich się dodane są 1-10% wagowych wodnego roztworu wodorotlenku tetrametyloamoniowego wymieszane do jednorodnej mieszaniny. Po kąpieli światłowód wyciąga się z niej tak, by jeden z końców znajdował się wyżej niż drugi, a po czasie 1 minuty czynność powtarza się co najmniej 3 krotnie i suszy światłowód przez co najmniej 24 godziny. Pokryty fragment światłowodu zagina się tak, że promień gięcia wynosi około 2 cm i jest unieruchomiony. Do wykonania warstwy sensorowej używa się substancji będących wskaźnikami pH tj. takich, które zmieniają barwę przy zmianie pH w odpowiednim zakresie. Zaliczają się do nich m.in. zieleń brylantowa, erytrozyna B, fiolet krystaliczny, zieleń malachitowa, błękit tymolowy, żółcień metylowa, dinitrofenol, błękit bromofenolowy, antocyjanidyny, antoksantyny, antocyjaniny, czerwień Kongo, oranż metylowy, zieleń bromokrezolowa, czerwień metylowa, fiolet metylowy, resazuryna, nitrazyna, auryna, lakmus, czerwień chinolidynowa, nitrofenol, czerwień chlorofenolowa, czerwień bromokrezolowa, fiolet bromokrezolowy, błękit bromotymolowy, czerwień fenolowa, czerwień toluidynowa, naftoloftaleina, czerwień krezolowa, krezoloftaleina, żółcień pomarańczowa, fenoloftaleina, tymoloftaleina, żółcień alizarynowa, indygokarmin, tropeolina, polifenole oraz inne, podobne związki.

Zasada działania wynalazku opiera się na zjawisku, że gdy do światłowodu wprowadzi się światło o długości fali, przy której różne formy warstwy aktywnej (w obecności badanego gazu i bez niej) mają różną absorpcję, to można wówczas badać zmiany stężeń gazu.

Każdy z wymienionych gazów oddziałując w szczególności ze wskazanymi substancjami wrażliwymi powoduje zmianę ich barwy, z tym że CO2, NO2, SO2 są kwaśne, zatem obniżają pH roztworów i ciał stałych, natomiast alkaliczny NH3 podwyższa pH. Obecność wody jest konieczna do zajścia reakcji hydrolizy także zmieniającej pH, w związku z czym wzrost wilgotności wzmacnia zmianę sygnału wywołaną obecnością badanego gazu kwaśnego lub alkalicznego. Obrazować to mogą niżej zamieszczone reakcje hydrolizy CO2:

CO₂ + 2H₂O θ HCO₃ + H₃O⁺hco₃ + h₂o θ co! + h₃o⁺ .

(1) (2)

Aby móc przeprowadzać pomiar obecności badanych gazów należy do materiału zawierającego substancję wskaźnikową wprowadzić światło a następnie odebrać je i mierzyć zmiany transmisji. Biorąc pod uwagę to, że dyfuzja gazów do wnętrza materiału z reguły jest procesem powolnym, to korzystnie, by stosować go w postaci cienkiej warstwy. W takim przypadku gaz będzie potrzebować niewiele czasu, by zmienić kolor warstwy na całym przekroju jej grubości.

Wskaźniki pH w postaci czystej na ogół nie wykazują zmienności barwy na skutek obecności wcześniej wymienionych gazów. Jedną z możliwych przyczyn tego zjawiska są oddziaływania międzycząsteczkowe pomiędzy sąsiadującymi cząsteczkami wskaźnika, które mogą modyfikować ich właściwości elektronowe, a w związku z tym także i widmo absorpcji. Drugą przyczyną mogą być ogran i czenia dyfuzyjne, gdyż gazy mogą nie przechodzić przez stosunkowo ciasno upakowane struktury substancji wskaźnikowych. W związku z powyższymi konieczne jest rozpuszczenie wskaźnika w materiale porowatym. Idealnym kandydatem do tego rodzaju zastosowań są silikażele w postaci np. organicznie modyfikowanej krzemionki. Wykonuje się je z organicznych mierząc intensywność światła odbitego od czoła światłowodu pokrytego warstwą aktywną.

Czujnik według wynalazku charakteryzuje się trzema właściwościami:

1) element czuły czujnika zawiera światłowód pokryty warstwą z porowatej krzemionki lub krzemionki modyfikowanej organicznie, dalej warstwa sensorowa (opisana poniżej),

2) w warstwie krzemionki lub krzemionki organicznej (sensorowej) znajduje się co najmniej jeden wskaźnik pH taki jak: czerwień fenolowa, czerwień metylowa, błękit bromotymolowy, błękit tymoPL 226 779 B1 lowy lub inne, podobne substancje, korzystnie substancje zmieniające zabarwienie pH w granicach od 0 do 14,

3) warstwa sensorowa nałożona jest na światłowód przewężony, przetrawiony lub zagięty światłowód niedomieszkowany lub wielomodowy albo na czoło światłowodu, przy czym korzystnie może zostać użyty także światłowód mikrostrukturalny.

Światłowód będący elementem czułym czujnika przede wszystkim musi mieć możliwość doprowadzenia sygnału do warstwy sensorowej zawierającej barwnik a następnie jego odebrania.

W zależności od wybranej konfiguracji można skonstruować różne układy pomiarowe.

1) Przy stosowaniu przewężki światłowodowej

Przewężkę na światłowodzie jednomodowym pokrytą warstwą silikażelową z dodatkiem czerwieni fenolowej unieruchamia się tak, by nie poruszała się w trakcie pomiaru. Następnie do jednego końca światłowodu wprowadza się światło o długości fali około 530 nm. Za pomocą detektora dostosowanego do pracy przy wyżej wymienionej długości fali mierzy się ilość światła transmitowanego przez światłowód. Wzrost stężenia dwutlenku węgla powoduje wzrost transmisji. Kalibrację czujnika przeprowadza się korzystnie w komorze z wykorzystaniem referencyjnego czujnika gazu.

2) Przy stosowaniu trawionych światłowodów

Światłowód jednomodowy z przetrawionym fragmentem pokrytym warstwą silikażelową z dodatkiem błękitu tymolowego unieruchamia się tak, by fragment nie poruszał się w trakcie pomiaru. Następnie do jednego końca światłowodu wprowadza się światło o długości fali około 635 nm. Za pomocą detektora dostosowanego do pracy przy wyżej wymienionej długości fali mierzy się ilość światła transmitowanego przez światłowód. Wzrost stężenia dwutlenku węgla powoduje wzrost transmisji. Kalibrację czujnika przeprowadza się korzystnie w komorze z wykorzystaniem referencyjnego czujnika gazu.

3) Przy stosowaniu zagiętego światłowodu

Zagięty światłowód niedomieszkowany pokryty warstwą silikażelową z dodatkiem czerwieni krezolowej unieruchamia się tak, by nie poruszał się w trakcie pomiaru. Następnie do jednego końca światłowodu wprowadza się światło o długości fali około 530 nm. Za pomocą detektora dostosowanego do pracy przy wyżej wymienionej długości fali mierzy się ilość światła transmitowanego przez światłowód. Wzrost stężenia dwutlenku węgla powoduje wzrost transmisji. Kalibrację czujnika przeprowadza się korzystnie w komorze z wykorzystaniem referencyjnego czujnika gazu.

4) Przy pokryciu czoła światłowodu

Światłowód jednomodowy pokryty warstwą silikażelową z dodatkiem błękitu tymolowego zestawia się naprzeciw włókna niedomieszkowanego i unieruchamia się tak, by światłowody nie poruszały się w trakcie pomiaru. Następnie do niepokrytego końca światłowodu jednomodowego wprowadza się światło o długości fali około 635 nm. Za pomocą detektora dostosowanego do pracy przy wyżej wymienionej długości fali mierzy się ilość światła transmitowanego na wolnym końcu światłowodu niedomieszkowanego. Wzrost stężenia dwutlenku węgla powoduje wzrost transmisji. Kalibrację czujnika przeprowadza się korzystnie w komorze z wykorzystaniem referencyjnego czujnika gazu.

W powyżej opisanych konfiguracjach źródłem sygnału jest korzystnie dioda elektroluminescencyjna, laser gazowy, laser ciała stałego lub inne. Detekcja sygnału przeprowadzana jest korzystnie z użyciem detektora dostosowanego do długości fali światła źródła, korzystnie jest to detektor półprzewodnikowy lub analizator widma.

Za pomocą czujnika według wynalazku można prowadzić pomiar z dala od źródła światła, dzięki czemu w miejscu pomiaru nie ma żadnych sygnałów elektrycznych (światłowód, który jest elementem pasywnym elektrycznie nie powoduje powstawania iskier). Istnieje możliwość umieszczenia kilku czujników na jednym włóknie i w ten sposób rozszerzenia możliwości pomiarowych układów.

Z wykorzystaniem urządzenia według wynalazku możliwe jest mierzenie następujących właściwości otoczenia:

- zakres stężeń CO₂: 0,01%-100%,

- wilgotność: 0-100%,

- zakres stężeń NO2, SO2, NH3: do ok. 1%.

P r z y k ł a d 1

Czujnik według wynalazku zawiera włókno światłowodowe pokryte warstwą silikażelową zmieniającą barwę przy zmianie stężenia gazów wybranych co najmniej spośród CO2, NO2, SO2, NH3 i H2O. Warstwa silkażelowa naniesiona jest na powierzchnię światłowodu pozbawioną pokrycia i za6

PL 226 779 B1 wiera substancję wrażliwą na zmianę odczynu środowiska pracy światłowodu, substancją tą błękit tymolowy wrażliwy na zmianę pH w zakresie od 8,0 do 9,6.

Warstwa silikażelu naniesiona jest na powierzchnię światłowodu przewężonego. Przy czym światłowód jest włóknem jednomodowym i charakteryzuje się niską tłumiennością.

Warstwa silikażelu naniesiona jest na powierzchnię światłowodu w procesie zanurzania, a światłowód jest włóknem jednomodowym i charakteryzuje się niską tłumiennością.

Światłowodowy czujnik gazów wytwarza się tak, że jednomodowy światłowód pozbawia części pokrycia i ucina się go a w miejscu przecięcia światłowodu nanosi się poprzez zanurzenie w roztworze etanolu zawierającego 0,1% wagowych błękitu tymolowego w ilości 23% wagowych, 59% wagowych trietoksymetylosilanu, 15% wagowych wody oraz 3% wagowych ml wodnego roztworu wodorotlenku tetrametyloamoniowego jakie miesza się do uzyskania jednorodnej mieszaniny. Przy czym zanurzenie końca światłowodu wykonane jest tak, że zanurza się w nim czoło światłowodu, następnie wyciąga się je i czeka 1 minutę. Następnie powtarza się operację zanurzania i wyciągania jeszcze 4 razy. Tak przygotowany światłowód z pokrytym czołem pozostawia się do wysuszenia na 24 godziny.

Światłowód z czołem pokrytym silikażelem umieszcza się w V-kształtnym rowku, a na przeciwko niego mocuje się światłowód niedomieszkowany, a oba światłowody unieruchamia się mechanicznie, tak by ich wzajemne położenie nie zmieniało się w znaczący sposób.

Wykonany w ten sposób czujnik po kalibracji nadaje się do detekcji CO2, NO2, SO2 i H2O. Przy stosowaniu czujników referencyjnych można mierzyć stężenie wybranego gazu.

Światłowodowy czujnik gazów wytwarza się tak, że światłowód jednomodowy pozbawia się części pokrycia i przewęża się go za pomocą dedykowanej spawarki światłowodowej poprzez ogrzanie go i rozciąganie. Przewężenie wykonuje się na spawarce światłowodowej GPX-3400. Parametry przewężenia wykonanego na standardowym światłowodzie jednomodowym SMF-28 są następujące:

- długość przewężenia: 10 mm,

- średnica przewężenia: 13 pm,

- długość stref przejściowych: 5 mm.

Powierzchnię przewężenia pokrywa się silikażelem jaki wykonuje się z 23% wagowych roztworu etanolu zawierającego 0,1% wagowych błękitu tymolowego oraz 52% wagowych trietoksymetylosilanu, do jakich dodany jest 7% wagowych tetraetoksysilanu i 15% wagowych wody wraz z 3% wagowych wodnego roztworu wodorotlenku tetrametyloamoniowego, jakie tworzą jednorodną mieszaninę. Przy czym silikażel nanosi się na powierzchnię światłowodu w procesie zanurzania, gdy jedna z części przewężki znajduje się wyżej niż druga, a po czasie 1 minuty zanurzanie powtarza się 3 razy i suszy się światłowód przez 24 godziny.

P r z y k ł a d 2

Czujnik według wynalazku zawiera włókno światłowodowe pokryte warstwą silikażelową zmieniającą barwę przy zmianie stężenia gazów wybranych co najmniej spośród CO2, NO2, SO2, NH3 i H2O. Warstwa silkażelowa naniesiona jest na pozbawioną pokrycia i wytrawioną kwasem fluorowodorowym powierzchnię światłowodu i zawiera substancję wrażliwą na zmianę odczynu środowiska pracy światłowodu, substancją tą jest substancja czerwień fenolowa wrażliwa na zmianę pH w zakresie od 6,8 do 8,2.

Warstwa silikażelu naniesiona jest na powierzchnię światłowodu po procesie wytrawiania jego powierzchni, a światłowód jest włóknem jednomodowym i charakteryzuje się niską tłumiennością.

Światłowodowy czujnik gazów wytwarza się tak, że pozbawia się światłowód jednomodowy części pokrycia i fragment ten przez 57 minut poddaje się działaniu 40% roztworu kwasu fluorowodorowego, a parametry uzyskanego przetrawienia to:

- średnica przetrawionego światłowodu: 20 pm,

- długość przetrawienia: 2 cm.

Później wytrawiony fragment unieruchamia się na podwyższeniu, dzięki czemu nie będzie się on poruszać podczas pokrywania i pracy czujnika i pokrywa się silikażelem.

Silikażel jakim pokryta jest wytrawiona powierzchnia przewężenia sporządza się z roztworu etanolu zawierającego 0,1% wagowych w ilości 24% wagowych czerwieni fenolowej, który dodaje się do

55% wagowych trietoksymetylosilanu, do jakich dodane jest 3% wagowych tetraetoksysilanu i 15% wagowych wody do jakich dodane jest 3% wagowych wodnego roztworu wodorotlenku tetrametyloamoniowego jakie tworzą jednorodną mieszaninę w jakiej zanurza się wytrawiony obszar światłowodu.

PL 226 779 B1

Po zanurzaniu światłowód wyciąga się z roztworu tak, by jeden z końców przetrawionego fragmentu znajdował się wyżej niż drugi, a po czasie 1 minuty czynność powtarza się 3 krotnie i suszy światłowód przez 24 godziny.

P r z y k ł a d 3

Czujnik według wynalazku zawiera włókno światłowodowe pokryte warstwą silikażelową zmieniającą barwę przy zmianie stężenia gazów wybranych co najmniej spośród CO2, NO2, SO2, NH3 i H2O. Warstwa silkażelowa naniesiona jest na pozbawioną pokrycia powierzchnię światłowodu i zawiera substancję wrażliwą na zmianę odczynu środowiska pracy światłowodu, substancją tą jest czerwień fenolowa wrażliwa na zmianę pH w zakresie od 6,8 do 8,2.

Światłowodowy czujnik gazów wytwarza się tak, że pozbawia się jednomodowy światłowód części pokrycia i na ten odcinek nanosi się warstwę silikażelu, sporządzonego z roztworu etanolu zawierającego 0,1% czerwieni fenolowej w ilości 20% wagowych, 61% wagowych trietoksymetylosilanu oraz 3% wagowych tetraetoksysilanu i 14% wagowych wody do jakich się dodaje 2% wagowych wodnego roztworu wodorotlenku tetrametyloamoniowego jakie miesza się do jednorodnej mieszaniny.

Po zanurzeniu światłowód wyciąga się z roztworu tak, że aby jeden z jego końców znajdował się wyżej niż drugi, a po czasie 1 minuty czynność powtarza się co najmniej 3 krotnie i suszy światłowód przez co najmniej 24 godziny. Pokryty fragment światłowodu zagięty jest tak że promień gięcia wynosi około 2 cm i jest unieruchomiony.

P r z y k ł a d 4

Czujnik według wynalazku zawiera włókno światłowodowe pokryte warstwą silikażelową zmieniającą barwę przy zmianie stężenia gazów wybranych co najmniej spośród CO2, NO2, SO2, NH3 i H2O. Warstwa silkażelowa naniesiona jest na czoło światłowodu i zawiera substancję wrażliwą na zmianę odczynu środowiska pracy światłowodu, substancją tą jest błękit tymolowy wrażliwy na zmianę pH w zakresie od 8,0 do 9,6.

Claims

1. Światłowodowy czujnik gazów zawierający co najmniej jedno włókno światłowodowe pokryte warstwą silikażelową zmieniającą barwę przy zmianie stężenia gazów wybranych co najmniej spośród CO2, NO2, SO2, NH3 i H2O, znamienny tym, że warstwa silikażelowa naniesiona jest na powierzchnię światłowodu pozbawioną pokrycia i zawiera co najmniej jedną substancję wrażliwą na zmianę odczynu pH środowiska pracy światłowodu w zakresie od 0 do 14, a substancja wrażliwa na zmianę odczynu naniesiona jest na powierzchnię światłowodu obrobionego - przygotowanego w procesie: przewężania i/lub trawienia i/lub, zaginania i/lub przecięcia.

2. Czujnik według zastrz. 1, znamienny tym, że światłowód jest włóknem jednomodowym lub wielomodowym lub niedomieszkowanym (zrobionym z czystej krzemionki), albo jest włóknem mikrostrukturalnym.

3. Czujnik według zastrz. 2, znamienny tym, że silikażel, w których znajduje się co najmniej jeden wskaźnik, zawiera krzemiany nieorganiczne.

4. Czujnik według zastrz. 2, znamienny tym, że silikażel, w których znajduje się co najmniej jeden wskaźnik, zawiera organiczne silany.

5. Sposób wykonania czujnika gazów według wynalazku w którym światłowód korzystnie jednomodowy pozbawia się fragmentu pokrycia, odsłonięty fragment włókna światłowodowego poddaje się obróbce i nanosi się na niego substancję aktywną chemicznie, znamienny tym, że powierzchnię światłowodu obrabia się poprzez przewężenie, wytrawienie lub przecięcie, substancją aktywną chemicznie jest silikażel jaki nanosi się na powierzchnię obrobionego fragmentu światłowodu w procesie zanurzania.

PL 226 779 B1

6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że światłowód na jaki nanosi się silikażel pozbawia się na części pokrycia i ogrzewa się i rozciąga zachowując parametry przewężenia:

a. długość przewężenia: co najmniej 1 mm,

b. średnica przewężenia: nie mniejsza niż 5 pm,

c. długość stref przejściowych: co najmniej 1 mm, i nanosi się na niego co najmniej jedną warstwę silikażelu.

7. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że przewężenie wykonuje się z użyciem spawarki światłowodowej GPX-3400 a światłowód jest światłowodem jednomodowym SMF-28.

8. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że światłowód na jaki nanosi się silikażel pozbawia się na jego fragmencie pokrycia, a następnie wytrawia się ten fragment 40% roztworem kwasu fluorowodorowego, przez co najmniej 10 minut tak, że:

a. średnica przetrawionego światłowodu wynosi nie mniej niż: 5 pm,

b. długość przetrawienia wynosi co najmniej: 0,5 cm.

a wytrawiony fragment unieruchamia się, korzystnie na podwyższeniu na czas 24 godzin i nanosi się na niego co najmniej jedną warstwę silikażelu.

9. Sposób według zastrz. 5 albo 6 albo 7 albo 8, znamienny tym, że na odcinku ok. 12 cm światłowód niedomieszkowany na jaki nanosi się silikażel pozbawia się pokrycia i nanosi się na niego co najmniej jedną warstwę silikażelu.

10. Sposób według zastrz. 5 albo 6 albo 7 albo 8 albo 9, znamienny tym, że światłowód na jaki nanosi się silikażel pozbawia się na fragmencie pokrycia, a następnie przecina się go i nanosi się na jego czoło co najmniej jedną warstwę silikażelu.

11. Sposób według zastrz. 5 albo 6 albo 7 albo 8 albo 9 albo 10, znamienny tym, że roztwór silikażelu uzyskuje się tak, że do wodnego roztworu o odczynie kwasowym wkrapla się rozcieńczony roztwór krzemianu sodu aż do uzyskania zakładanej wartości pH znajdującej się w zakresie od 1 do 9, następnie po upływie co najmniej 10 sek. tak przygotowany roztwór żeluje, po czym żel płucze się a następnie suszy w warunkach pokojowych.

12. Sposób według zastrz. 5 albo 6 albo 7 albo 8 albo 9 albo 10 albo 11, znamienny tym, że krzemian sodu wkrapla się do kwasu.

13. Sposób według zastrz. 5 albo 6 albo 7 albo 8 albo 9 albo 10 albo 11 albo 12, znamienny tym, że silikażel zawiera organiczne silany, w szczególności zawierające grupę metylową lub oktylową.

14. Sposób według zastrz. 13, znamienny tym, że silikażel zawiera silany wybrane z etoksysilanów z dodatkowymi grupami alkilowymi, rozpuszczalnik w szczególności alkohol etylowy, wodę oraz katalizator miesza się kolejno w proporcjach: 59%, 23%, 15%, 3%.

15. Sposób według zastrz. albo 6 albo 7 albo 8 albo 9 albo 10 albo 11 albo 12 albo 13 albo 14, znamienny tym, że silikażel ma postać roztworu etanolu zawierającego 0,1% czerwieni fenolowej, w ilości 10-60% wagowych do którego dodaje się 20-70% wagowych trietoksymetylosilanu, do jakich dodane jest 0-20% wagowych tetraetoksysilanu i 5-30% wagowych wody do jakich dodane jest 1-10% wagowych wodnego roztworu wodorotlenku tetrametyloamoniowego jakie miesza się do uzyskania jednorodnej mieszaniny i w jakiej zanurza się wytrawiony obszar światłowodu.

16. Sposób według zastrz. 15, znamienny tym, że silikażel jakim pokrywa się wytrawioną powierzchnię przewężenia ma postać roztworu etanolu zawierającego 0,1% czerwieni fenolowej w ilości 24% wagowych do którego dodaje się do 55% wagowych trietoksymetylosilanu, do jakich dodane jest 3% wagowych tetraetoksysilanu i 15% wagowych wody do jakich dodany jest 3% wagowych wodnego roztworu wodorotlenku tetrametyloamoniowego jakie tworzą jednorodną mieszaninę w jakiej zanurza się wytrawiony obszar światłowodu, a po zanurzeniu światłowód wyciąga się roztworu tak, by jeden z końców przetrawionego fragmentu znajdował się wyżej niż drugi, a po czasie 1 minuty czynność powtarza się co najmniej 3 krotnie i suszy światłowód przez co najmniej 24 godziny.

17. Sposób według zastrz. 15, znamienny tym, że silikażel jakim pokrywa się odsłoniętą powierzchnię światłowodu ma postać roztworu etanolu zawierającego 0,1% czerwieni fenolowej w ilości 20% wagowych, 61% wagowych trietoksymetylosilanu oraz 3% wagowych tetraetoksysilanu i 14% wagowych wody do jakich się dodane są 2% wagowych wodnego roztworu wodorotlenku tetrametyloamoniowego wymieszane do jednorodnej mieszaniny.

PL 226 779 B1

18. Sposób według zastrz. 6 albo 7 albo 8 albo 9 albo 10 albo 11 albo 12 albo 13 albo 14, znamienny tym, że silikażel z jakim pokrywa się odsłoniętą powierzchnię światłowodu ma postać roztworu zawierającego 0,1% czerwieni fenolowej w ilości 10-60% wagowych, 20-70% wagowych trietoksymetylosilanu oraz 0-20% wagowych tetraetoksysilanu i 5-30% wagowych wody do jakich się dodane są 1-10% wagowych wodnego roztworu wodorotlenku tetrametyloamoniowego wymieszane do jednorodnej mieszaniny.

19. Sposób według zastrz. 18, znamienny tym, że silikażel z jakim pokrywa się odsłoniętą powierzchnię światłowodu ma postać roztworu zawierającego 0,1% wagowych błękitu tymolowego w ilości 23% wagowych, 59% wagowych trietoksymetylosilanu, 15% wagowych wody oraz 3% wagowych ml wodnego roztworu wodorotlenku tetrametyloamoniowego jakie miesza się do uzyskania jednorodnej mieszaniny.

20. Sposób według dowolnego z zastrzeżeń od 5 do 19, znamienny tym, że po kąpieli (zanurzeniu) światłowód wyciąga się tak, żeby jeden z końców znajdował się wyżej niż drugi, a po czasie 1 minuty czynność powtarza się co najmniej 3 krotnie i suszy światłowód przez co najmniej 24 godziny, a pokryty fragment światłowodu zagina się tak, że promień gięcia wynosi minimalnie 2 mm i unieruchamia się go.