RU104731U1

RU104731U1 - DEVICE FOR DETERMINING ELECTROPHYSICAL, PHYSICAL-CHEMICAL PROPERTIES AND GAS-SENSITIVE CHARACTERISTICS OF NANOSIZED MATERIALS

Info

Publication number: RU104731U1
Application number: RU2010148267/28U
Authority: RU
Inventors: Николай Константинович Полуянович; Виктор Владимирович Петров; Артем Николаевич Притула; Марина Николаевна Дубяго
Priority date: 2010-11-25
Filing date: 2010-11-25
Publication date: 2011-05-20

Abstract

Устройство для определения электрофизических, физико-химических свойств и газочувствительных характеристик наноразмерных материалов, включающее газочувствительный материал, первый дифференциальный усилитель, второй дифференциальный усилитель, преобразователь ток - напряжение, отличающееся тем, что в него введены первый контроллер, второй контроллер, персональный компьютер, цифроаналоговый преобразователь, первый аналого-цифровой преобразователь, первое электрическое реле, второе электрическое реле, третье электрическое реле, четвертое электрическое реле, второй аналого-цифровой преобразователь, усилитель мощности, первый насос, первый ротаметр, второй насос, баллон с эталонной газовой смесью, первый клапан, второй ротаметр, камера формирования газовой смеси, третий насос, третий ротаметр, второй клапан, датчик температуры, нагревательный элемент, газочувствительный материал, камера для исследования характеристик газочувствительных материалов, персональный компьютер, который по каналу USB через первый контроллер, цифроаналоговый преобразователь и первый дифференциальный усилитель соединен с газочувствительным материалом, выходные электроды газочувствительного материала подключены к преобразователю ток-напряжение, а он по каналу обратной связи соединен с первым и вторым дифференциальными усилителями и через второй дифференциальный усилитель, первый аналого-цифровой преобразователь подключен ко второму контроллеру, который по каналу USB соединен с персональным компьютером, выход датчика температуры соединен со входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с первым ко A device for determining the electrophysical, physico-chemical properties and gas-sensitive characteristics of nanoscale materials, including gas-sensitive material, a first differential amplifier, a second differential amplifier, a current-voltage converter, characterized in that a first controller, a second controller, a personal computer, a digital-to-analog converter are introduced into it , the first analog-to-digital converter, the first electrical relay, the second electrical relay, the third electrical relay, even fourth electric relay, second analog-to-digital converter, power amplifier, first pump, first rotameter, second pump, cylinder with a reference gas mixture, first valve, second rotameter, gas mixture formation chamber, third pump, third rotameter, second valve, temperature sensor , heating element, gas-sensitive material, a camera for studying the characteristics of gas-sensitive materials, a personal computer that is connected via USB through the first controller, a digital-to-analog converter and the first diff The potential amplifier is connected to the gas-sensitive material, the output electrodes of the gas-sensitive material are connected to the current-voltage converter, and it is connected via the feedback channel to the first and second differential amplifiers and through the second differential amplifier, the first analog-to-digital converter is connected to the second controller, which is connected via the channel USB is connected to a personal computer, the output of the temperature sensor is connected to the input of an analog-to-digital converter, the output of which is connected to the first

Description

Предполагаемая полезная модель относится к области химии и физике поверхности твердого тела и может быть использована для определения электрофизических и физико-химических свойств газочувствительного материала с помощью измерения электрических параметров его эквивалентной электрической схемы.The proposed utility model relates to the field of chemistry and physics of a solid surface and can be used to determine the electrophysical and physicochemical properties of a gas-sensitive material by measuring the electrical parameters of its equivalent electrical circuit.

Известно устройство для измерения изменяющихся параметров пассивного двухполюсника (патент РФ №2307365, МПК G01N 27/02 от 20.04.2007 г.), содержащее генератор высокочастотного гармонического электрического сигнала, выход генератора подключен к первому входу дифференциального усилителя и к первому вентилю, выход которого подключен ко второму входу дифференциального усилителя, а также через фильтр и кабельную линию - к исследуемому двухполюстнику, и регистратор электрического сигнала, выход генератора подключен к первому входу дифференциального усилителя через второй вентиль, к выходу которого подключен также эталонный резистор, к выходу генератора также подключены входы третьего и четвертого вентилей, причем их выходы через фазовращатели соединены с первыми входами двух смесителей, вторые входы которых соединены с выходом дифференциального усилителя, при этом сдвиг фаз между фазовращателями составляет 90°, а выходы смесителей подключены к регистратору электрического сигнала, который выполнен двухканальным.A device for measuring the changing parameters of a passive bipolar device (RF patent No. 2307365, IPC G01N 27/02 of 04/20/2007) containing a high-frequency harmonic electric signal generator, the output of the generator is connected to the first input of the differential amplifier and to the first valve, the output of which is connected to the second input of the differential amplifier, as well as through the filter and cable line - to the studied bipolar cable, and an electrical signal recorder, the output of the generator is connected to the first input of the differential through the second valve, to the output of which a reference resistor is also connected, the inputs of the third and fourth valves are also connected to the generator output, and their outputs are connected through phase shifters to the first inputs of two mixers, the second inputs of which are connected to the output of the differential amplifier, while the phase shift between phase shifters is 90 °, and the outputs of the mixers are connected to an electrical signal recorder, which is made of two-channel.

Признаки аналога, совпадающие с существенными признаками полезной модели:Signs of an analogue that coincide with the essential features of a utility model:

а) дифференциальный усилитель, (в заявленной полезной модели используются два дифференциальных усилителя);a) differential amplifier (in the claimed utility model, two differential amplifiers are used);

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является: погрешность выходного сигнала двух канального регистратора электрического сигнала и фазовращателей, соединенных со смесителями, так как отклик, снимаемый с исследуемого образца имеет небольшие значения тока (напряжения) в пределах от 1 до 10 мкА, что сопоставимо с уровнем внешних воздействий (шумов), а аналоговые элементы очень чувствительны к таким воздействиям, следовательно затрудняется определение электрофизических и физико-химических свойств материала.The reason hindering the achievement of the technical result is: the error of the output signal of the two channel electrical signal recorder and phase shifters connected to the mixers, since the response taken from the test sample has small current (voltage) values ranging from 1 to 10 μA, which is comparable with level of external influences (noise), and analog elements are very sensitive to such influences, therefore, it is difficult to determine the electrophysical and physico-chemical properties of the material.

Известен способ анализа состава газовых смесей и газоанализатор для его реализации (патент РФ №2171468, МПК G01N 27/12, G01N 27/416 от 10.04.2000 г). Электронная схема газоанализатора, содержащая генератор переменного тока, первый, второй и третий разделительные конденсаторы, блок преобразования сигналов сравнительного элемента, N блоков преобразования сигналов амперометрических электрохимических элементов, М блоков преобразования сигналов потенциометрических электрохимических элементов, коммутатор аналоговых сигналов, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор и дисплей, причем в состав блока преобразования сигналов сравнительного элемента входят первый и второй разделительные конденсаторы, масштабирующий усилитель, дифференциальный усилитель, переменный резистор, синхронный детектор, регулятор температуры, фильтр нижних частот и усилитель постоянного напряжения, в состав каждого из N блоков преобразования сигналов амперометрических электрохимических элементов входят разделительный конденсатор, масштабирующий усилитель, дифференциальный усилитель, синхронный детектор, фильтр нижних частот, преобразователь ток-напряжение, источник постоянного напряжения, в состав каждого из М блоков преобразования сигналов потенциометрических электрохимических элементов входят разделительный конденсатор, масштабирующий усилитель, дифференциальный усилитель, синхронный детектор, фильтр нижних частот, усилитель постоянного напряжения, причем выход генератора переменного тока связан через разделительные конденсаторы с первым, вторым, третьим и четвертым контактами электронной схемы, соединенными соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым контактами многофункционального твердоэлектролитного сенсора, пятый и шестой контакты электронной схемы соединены с пятым и шестым контактами сенсора для подачи напряжения на нагревательный элемент сенсора; в блоке преобразования сигналов сравнительного элемента переменный резистор одновременно соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя, с синхронизирующим входом синхронного детектора и через разделительный конденсатор - с генератором переменного тока, неинвертирующий вход дифференциального усилителя соединен с выходом масштабирующего усилителя, а выход дифференциального усилителя соединен с входом синхронного детектора, выход которого соединен с входом регулятора температуры, выходы которого соединены с пятым и шестым контактами электронной схемы, вход масштабирующего усилителя соединен через разделительный конденсатор со вторым входным контактом электронной схемы преобразователя, выход масштабирующего усилителя соединен с синхронизирующими входами синхронных детекторов и с инвертирующими входами дифференциальных усилителей N блоков преобразования сигналов амперометрических элементов и М блоков преобразования сигналов потенциометрических элементов, вход фильтра нижних частот подключен к первому контакту электронной схемы, а выход фильтра нижних частот соединен с входом усилителя постоянного напряжения, выход которого соединен с первым входом коммутатора аналоговых сигналов, в блоке преобразования сигналов амперометрических электрохимических элементов третий контакт электронной схемы соединен через разделительный конденсатор с входом масштабирующего усилителя и одновременно непосредственно соединен с входом фильтра нижних частот, выход масштабирующего усилителя соединен с неинвертирующим входом дифференциального усилителя, выход которого соединен с входом синхронного детектора, выход которого соединен со вторым входом коммутатора аналоговых сигналов, выход фильтра нижних частот соединен с входом преобразователя ток-напряжение, выход которого соединен с третьим входом коммутатора аналоговых сигналов, кроме того, другой вход преобразователя ток-напряжение соединен с источником постоянного напряжения; в блоке преобразования сигналов потенциометрического элемента входной четвертый контакт электронной схемы соединен через разделительный конденсатор с входом масштабирующего усилителя и одновременно непосредственно соединен с входом фильтра нижних частот, выход масштабирующего усилителя соединен с неинвертирующим входом дифференциального усилителя, выход которого соединен с входом синхронного детектора, выход которого соединен с четвертым входом коммутатора аналоговых сигналов, выход фильтра нижних частот соединен с входом усилителя постоянного напряжения, выход которого соединен с пятым входом коммутатора аналоговых сигналов; выход коммутатора аналоговых сигналов соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом микропроцессора, информационный выход микропроцессора подключен к дисплею, а тактовый выход соединен с синхронизирующим входом коммутатора аналоговых сигналов.A known method of analyzing the composition of gas mixtures and a gas analyzer for its implementation (RF patent No. 2171468, IPC G01N 27/12, G01N 27/416 from 04/10/2012 g). An electronic circuit of a gas analyzer containing an alternating current generator, first, second and third isolation capacitors, a signal conversion unit of a comparative element, N signal conversion units of amperometric electrochemical elements, M signal conversion units of potentiometric electrochemical elements, an analog signal switch, an analog-to-digital converter, a microprocessor and a display, the first and second sections being included in the signal conversion unit of the comparative element natural capacitors, a scaling amplifier, a differential amplifier, a variable resistor, a synchronous detector, a temperature controller, a low-pass filter and a DC voltage amplifier, each of the N signal conversion blocks of amperometric electrochemical elements includes a separation capacitor, a scaling amplifier, a differential amplifier, a synchronous detector, low-pass filter, current-voltage converter, constant voltage source, each of the M blocks transform The signals of potentiometric electrochemical elements include an isolation capacitor, a scaling amplifier, a differential amplifier, a synchronous detector, a low-pass filter, a DC amplifier, and the output of the alternating current generator is connected through the isolation capacitors to the first, second, third, and fourth contacts of the electronic circuit connected respectively to the first, second, third and fourth contacts of the multifunctional solid electrolyte sensor, the fifth and sixth contacts ics circuit connected to the fifth and sixth sensor contacts for supplying a voltage to the heating element of the sensor; in the signal conversion unit of the comparative element, the variable resistor is simultaneously connected to the inverting input of the differential amplifier, with the synchronizing input of the synchronous detector and through the isolation capacitor to the alternating current generator, the non-inverting input of the differential amplifier is connected to the output of the scaling amplifier, and the output of the differential amplifier is connected to the input of the synchronous detector whose output is connected to the input of the temperature controller, the outputs of which are connected to the fifth and By using the contacts of the electronic circuit, the input of the scaling amplifier is connected through a isolation capacitor to the second input terminal of the converter electronic circuit, the output of the scaling amplifier is connected to the synchronizing inputs of synchronous detectors and to the inverting inputs of differential amplifiers N signal conversion blocks of ampereometric elements and M signal conversion blocks of potentiometric elements, input low-pass filter is connected to the first contact of the electronic circuit, and the output of the fil a low-frequency circuit is connected to the input of a DC amplifier, the output of which is connected to the first input of the analog signal commutator, in the signal conversion unit of amperometric electrochemical elements, the third contact of the electronic circuit is connected via an isolation capacitor to the input of the scaling amplifier and simultaneously directly connected to the low-pass filter input, the output a scaling amplifier is connected to a non-inverting input of a differential amplifier, the output of which is connected to the input Synchro detector, whose output is connected to the second input switch analogue signals, the low pass filter output connected to the input of the current-voltage converter, whose output is connected to the third input switch analogue signals, in addition, the other input of current-voltage converter connected to the DC voltage source; in the signal conversion unit of the potentiometric element, the input fourth contact of the electronic circuit is connected through an isolation capacitor to the input of the scaling amplifier and is simultaneously directly connected to the input of the low-pass filter, the output of the scaling amplifier is connected to the non-inverting input of the differential amplifier, the output of which is connected to the input of the synchronous detector, the output of which is connected with the fourth input of the analog signal switch, the low-pass filter output is connected to the amplifier input a direct current voltage amplifier, the output of which is connected to the fifth input of the analog signal switch; the output of the analog signal switch is connected to the input of an analog-to-digital converter, the output of which is connected to the input of the microprocessor, the information output of the microprocessor is connected to the display, and the clock output is connected to the synchronizing input of the switch of analog signals.

а) аналого-цифровой преобразователь, (в заявленной полезной модели используются два аналого-цифровых преобразователя);a) analog-to-digital converter, (two analog-to-digital converters are used in the claimed utility model);

б) дифференциальный усилитель, (в заявленной полезной модели используется два дифференциальных усилителя);b) a differential amplifier (in the claimed utility model, two differential amplifiers are used);

в) преобразователь ток-напряжение;c) current-voltage converter;

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является: использование микропроцессора который не является самостоятельной работоспособной единицей, ему необходимы дополнительные внешние переферийные устройства такие как: ОЗУ, ПЗУ, таймеры, счетчики, интерфейсы; при установке таких устройств увеличиваются связи, увеличивается время прохождения сигнала, появляется вероятность сбоя устройства, увеличиваются погрешности сигналов, по которым определяются электрофизические и физико-химические свойства материала.The reason that impedes the achievement of the technical result is: the use of a microprocessor which is not an independent workable unit, it needs additional external peripheral devices such as: RAM, ROM, timers, counters, interfaces; when such devices are installed, communications increase, the signal transit time increases, the probability of a device failure appears, signal errors increase, by which the electrophysical and physicochemical properties of the material are determined.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству, является устройство измерения параметров электрохимических объектов (патент РФ №2204839, МПК G01R 27/02 от 20.05.2003 г), содержащее электрохимическую измерительную ячейку с вспомогательным, рабочим и сравнения электродами, источники программно-изменяющегося и гармонического напряжений, соединенные через сумматор с первым входом дифференциального усилителя, подключенного своим потенциальным выходом к вспомогательному электроду, а вторым входом - к выходу первого повторителя напряжения, потенциальный вход которого соединен с электродом сравнения, блок фазочувствительных детекторов, содержащий первый и второй фазочувствительные детекторы, сигнальные входы которых объединены и являются сигнальным входом блока, а их выходы подключены соответственно к первому и второму отсчетным устройствами, опорный вход блока фазочувствительных детекторов соединен с опорным входом первого фазочувствительного детектора, измерительный преобразователь ток-напряжение, второй повторитель напряжения, три масштабных преобразователя, третий фазочувствительный детектор, квадратурный фазовращатель, модульный указатель, третье отсчетное устройство, формирователь уровня постоянной составляющей, делитель напряжения, два измерительных усилителя, два нуль-органа, операционный усилитель, четыре образцовых резистора и образцовый конденсатор, при этом рабочий электрод электрохимической ячейки по цепи вход измерительного преобразователя ток-напряжение и выход второго повторителя напряжения подключен к общей шине, опорный вход второго фазочувствительного детектора через квадратурный фазовращатель соединен с опорным входом первого фазочувствительного детектора, сигнальный вход блока фазочувствительных детекторов через первый измерительный усилитель соединен с выходом операционного усилителя с первым образцовым резистором в цени его обратной связи, вход операционного усилителя соединен через второй образцовый резистор с выходом измерительного преобразователя ток-напряжение и входами первого масштабного преобразователя и формирователя уровня постоянной составляющей, а также с сигнальным входом третьего фазочувствительного детектора, через третий образцовый резистор - с выходом формирователя уровня постоянной составляющей и входом третьего отсчетного устройства, через образцовый конденсатор - с выходом второго масштабного преобразователя, вход управления которого соединен с выходом второго нуль-органа, и через четвертый образцовый резистор - с выходом третьего масштабного преобразователя, соединенного о своим входом управления с выходом первого нуль-органа, выход источника гармонических напряжений соединен через делитель напряжения и второй измерительный усилитель с опорным входом блока фазочувствительных детекторов и непосредственно - с сигнальными входами второго и третьего масштабных преобразователей и опорным входом третьего о фазочувствительного детектора, выход которого подключен к сигнальному входу модульного указателя, соединенного своим входом управления с выходом генератора тактовых импульсов и входом управления источника гармонических напряжений, первый управляющий выход модульного указателя соединен с первым входом управления первого масштабного преобразователя, а его второй управляющий выход - со вторым входом управления первого масштабного преобразователя и с входом управления генератора тактовых импульсов. Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками устройства:The closest in technical essence to the claimed device is a device for measuring parameters of electrochemical objects (RF patent No. 2204839, IPC G01R 27/02 of 05.20.2003), containing an electrochemical measuring cell with auxiliary, working and comparison electrodes, sources of programmable and harmonic voltages connected through the adder to the first input of the differential amplifier connected by its potential output to the auxiliary electrode, and the second input to the output of the first repeater voltage, the potential input of which is connected to the reference electrode, a phase-sensitive detector unit containing the first and second phase-sensitive detectors, the signal inputs of which are combined and are the signal input of the unit, and their outputs are connected respectively to the first and second readout devices, the reference input of the phase-sensitive detector unit is connected to the reference input of the first phase-sensitive detector, a current-voltage converter, a second voltage follower, three scale converters a third phase-sensitive detector, a quadrature phase shifter, a modular pointer, a third reading device, a constant-level shaper, a voltage divider, two measuring amplifiers, two zero-elements, an operational amplifier, four reference resistors and a reference capacitor, while the working electrode of the electrochemical cell circuit input of the current-voltage measuring transducer and the output of the second voltage follower is connected to a common bus, the reference input of the second phase-sensitive detector through a quadrature phase shifter is connected to the reference input of the first phase-sensitive detector, the signal input of the phase-sensitive detector unit through the first measuring amplifier is connected to the output of the operational amplifier with the first model resistor for its feedback, the input of the operational amplifier is connected through the second model resistor to the output of the current-voltage measuring transducer and the inputs of the first large-scale converter and the level shaper of the constant component, as well as with a signal in by the third phase-sensitive detector, through the third reference resistor - with the output of the level shaper of the constant component and the input of the third reading device, through the reference capacitor - with the output of the second scale converter, the control input of which is connected to the output of the second zero-organ, and through the fourth reference resistor - with the output of the third scale converter, connected about its control input to the output of the first zero-organ, the output of the harmonic voltage source is connected through a voltage amplifier and a second measuring amplifier with a reference input of the phase-sensitive detector unit and directly with the signal inputs of the second and third scale converters and a reference input of the third phase-sensitive detector, the output of which is connected to the signal input of a modular pointer connected by its control input to the output of the clock generator and the control input of the harmonic voltage source, the first control output of the modular pointer is connected to the first control input the first scale converter, and its second control output with the second control input of the first scale converter and with the control input of the clock generator. Signs of the prototype, coinciding with the essential features of the device:

в) электрохимический объект, (в заявленной полезной модели используется газочувствительный материал);c) an electrochemical object (gas-sensitive material is used in the claimed utility model);

г) преобразователь ток-напряжение;d) current-voltage converter;

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются:The reasons that impede the achievement of a technical result are:

а) наличие четырех образцовых резисторов и образцовый конденсатор, так как образцовым может быть только один элемент, а также тот факт, что емкость является частотно зависимым элементом, параметры которого зависят как от внешних воздействующих факторов, так и от режимов работы измерительной цени, тем самым затрудняется определение электрофизических и физико-химических свойств материала.a) the presence of four exemplary resistors and an exemplary capacitor, since only one element can be exemplary, as well as the fact that the capacitance is a frequency-dependent element, the parameters of which depend on both external influencing factors and the operating modes of the measurement value, thereby it is difficult to determine the electrophysical and physico-chemical properties of the material.

б) использование внешнего источника программно изменяющегося гармонического напряжения, имеющего сложности синхронизации с работой генератора тактовых импульсов. При сбое синхронизации не ясно от какого сигнала получен отклик, а следовательно несоответствие измеренных электрофизических и физико-химических свойств материала.b) the use of an external source of software-varying harmonic voltage, having difficulty synchronizing with the operation of the clock generator. If synchronization fails, it is not clear from which signal the response is received, and therefore the discrepancy between the measured electrophysical and physico-chemical properties of the material.

Задача предполагаемой полезной модели - определение электрофизических и физико-химических свойств газочувствительного материала с помощью измерения электрических параметров его эквивалентной электрической схемы.The objective of the proposed utility model is to determine the electrophysical and physicochemical properties of a gas-sensitive material by measuring the electrical parameters of its equivalent electrical circuit.

Технический результат достигается тем, что в устройство введены первый контроллер, второй контроллер, персональный компьютер, цифро-аналоговый преобразователь, первый аналого-цифровой преобразователь, первое электрическое реле, второе электрическое реле, третье электрическое реле, четвертое электрическое реле, второй аналого-цифровой преобразователь, усилитель мощности первый насос, первый ротаметр, второй насос, баллон с эталонной газовой смесью, первый клапан, второй ротаметр, камера формирования газовой смеси, третий насос, третий ротаметр, второй клапан, датчик температуры, нагревательный элемент, газочувствительный материал, камера для исследования характеристик газочувствительных материалов, персональный компьютер, персональный компьютер через первый контроллер, цифро-аналоговый преобазователь и первый дифференциальный усилитель соединен с газочувствительным материалом, выходные электроды газочувствительного материала подключены к преобразователю ток-напряжение, а он по каналу обратной связи соединен с первым и вторым дифференциальными усилителями и через второй дифференциальный усилитель, первый аналого-цифровой преобразователь, подключен ко второму контроллеру, соединен с персональным компьютером, выход датчика температуры соединен со входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с первым контроллером, вход нагревательного элемента соединен с выходом усилителя мощности, вход которого соединен с выходом первого контроллера, первый контроллер соединен со входом первого электрического реле, выход которого соединен с первым клапаном, первый контроллер соединен со входом второго электрического реле, выход которого соединен с первым насосом, первый контроллер соединен со входом третьего электрического реле, выход которого соединен с третьим насосом, первый контроллер соединен со входом четвертого электрического реле, выход которого соединен со вторым насосом, баллон с эталонной смесью через первый клапан и второй ротаметр соединен камерой формирования газовой смеси, в нее также подключен выход первого ротаметра, вход которого подключен с выходом первого насоса, далее, выход камеры формирования газовой смеси через третий насос и третий ротаметр соединен с одним из входов второго клапана, в другой вход подключается второй насос, а выход второго клапана подключен к камере для исследования характеристик газочувствительных материалов.The technical result is achieved by the fact that a first controller, a second controller, a personal computer, a digital-to-analog converter, a first analog-to-digital converter, a first electrical relay, a second electrical relay, a third electrical relay, a fourth electrical relay, and a second analog-to-digital converter are introduced into the device , power amplifier, first pump, first rotameter, second pump, reference gas cylinder, first valve, second rotameter, gas mixture formation chamber, third pump, third a rotameter, a second valve, a temperature sensor, a heating element, a gas-sensitive material, a chamber for studying the characteristics of gas-sensitive materials, a personal computer, a personal computer through the first controller, a digital-analog converter and a first differential amplifier are connected to the gas-sensitive material, the output electrodes of the gas-sensitive material are connected to the converter current-voltage, and it is connected via a feedback channel to the first and second differential amplifiers and h Through the second differential amplifier, the first analog-to-digital converter, connected to the second controller, connected to a personal computer, the output of the temperature sensor is connected to the input of the analog-to-digital converter, the output of which is connected to the first controller, the input of the heating element is connected to the output of the power amplifier, the input of which connected to the output of the first controller, the first controller is connected to the input of the first electric relay, the output of which is connected to the first valve, the first controller is connected n with the input of the second electric relay, the output of which is connected to the first pump, the first controller is connected to the input of the third electric relay, the output of which is connected to the third pump, the first controller is connected to the input of the fourth electric relay, the output of which is connected to the second pump, cylinder with a reference mixture through the first valve and the second rotameter is connected to the gas mixture formation chamber, the output of the first rotameter is also connected to it, the input of which is connected to the output of the first pump, then the chamber output is formed the gas mixture through a third pump and a third rotameter is connected to one of the inputs of the second valve, the second pump is connected to the other input, and the output of the second valve is connected to the chamber to study the characteristics of gas-sensitive materials.

Для достижения технического результата в устройство для определения электрофизических, физико-химических свойств и газочувствительных характеристик наноразмерных материалов, содержащее газочувствительный материал, первый дифференциальный усилитель, второй дифференциальный усилитель, преобразователь ток-напряжение, введены первый контроллер, второй контроллер, персональный компьютер, цифро-аналоговый преобразователь, первый аналого-цифровой преобразователь, первое электрическое реле, второе электрическое реле, третье электрическое реле, четвертое электрическое реле, второй аналого-цифровой преобразователь, усилитель мощности первый насос, первый ротаметр, второй насос, баллон с эталонной газовой смесью, первый клапан, второй ротаметр, камера формирования газовой смеси, третий насос, третий ротаметр, второй клапан, датчик температуры, нагревательный элемент, газочувствительный материал, камера для исследования характеристик газочувствительных материалов, персональный компьютер, который по каналу USB через первый контроллер, цифро-аналоговый преобазователь и первый дифференциальный усилитель соединен с газочувствительным материалом, выходные электроды газочувствительного материала подключены к преобразователю ток напряжение, а он по каналу обратной связи соединен с первым и вторым дифференциальными усилителями и через второй дифференциальный усилитель, первый аналого-цифровой преобразователь, подключен ко второму контроллеру, который по каналу USB соединен с персональным компьютером, выход датчика температуры соединен со входом аналоге цифрового преобразователя, выход которого соединен с первым контроллером, вход нагревательного элемента соединен с выходом усилителя мощности, вход которого соединен с выходом первого контроллера, первый контроллер соединен со входом первого электрического реле, выход которого соединен с первым клапаном, первый контроллер соединен со входом второго электрического реле, выход которого соединен с первым насосом, первый контроллер соединен со входом третьего электрического реле, выход которого соединен с третьим насосом, первый контроллер соединен со входом четвертого электрического реле, выход которого соединен со вторым насосом, баллон с эталонной смесью через первый клапан и второй ротаметр соединен камерой формирования газовой смеси, в нее также подключен выход первого ротаметра, вход которого подключен с выходом первого насоса, далее, выход камеры формирования газовой смеси через третий насос и третий ротаметр соединен с одним из входов второго клапана, в другой вход подключается второй насос, а выход второго клапана подключен к камере для исследования характеристик газочувствительных материалов.To achieve a technical result, a device for determining the electrophysical, physico-chemical properties and gas-sensitive characteristics of nanoscale materials contains a gas-sensitive material, a first differential amplifier, a second differential amplifier, a current-voltage converter, a first controller, a second controller, a personal computer, and digital-to-analog are introduced converter, first analog-to-digital converter, first electric relay, second electric relay, third electric a relay, a fourth electric relay, a second analog-to-digital converter, a power amplifier, a first pump, a first rotameter, a second pump, a cylinder with a reference gas mixture, a first valve, a second rotameter, a gas mixture formation chamber, a third pump, a third rotameter, a second valve, temperature sensor, heating element, gas-sensitive material, a camera for studying the characteristics of gas-sensitive materials, a personal computer that is connected via USB through the first controller, a digital-to-analog converter, and The first differential amplifier is connected to the gas-sensitive material, the output electrodes of the gas-sensitive material are connected to the current-voltage converter, and it is connected via the feedback channel to the first and second differential amplifiers and, through the second differential amplifier, the first analog-to-digital converter, is connected to the second controller, which the USB channel is connected to a personal computer, the output of the temperature sensor is connected to the input of an analog of a digital converter, the output of which is connected with the first controller, the input of the heating element is connected to the output of the power amplifier, the input of which is connected to the output of the first controller, the first controller is connected to the input of the first electric relay, the output of which is connected to the first valve, the first controller is connected to the input of the second electric relay, the output of which is connected to the first pump, the first controller is connected to the input of the third electric relay, the output of which is connected to the third pump, the first controller is connected to the input of the fourth electric p barely, the output of which is connected to the second pump, the cylinder with the reference mixture through the first valve and the second rotameter is connected to the gas mixture formation chamber, the output of the first rotameter is also connected to it, the input of which is connected to the output of the first pump, then the output of the gas mixture formation chamber through the third the pump and the third rotameter are connected to one of the inputs of the second valve, the second pump is connected to the other input, and the output of the second valve is connected to the chamber to study the characteristics of gas-sensitive materials.

Сравнивая предлагаемое устройство с прототипом, видно, что оно содержит новые признаки, т.е. соответствует критерию «новизны». Проведя сравнения с аналогами, видно, что предлагаемое устройство соответствует критерию «существенные отличия», т.к. в аналогах не обнаружены предъявляемые новые признаки.Comparing the proposed device with the prototype, it is clear that it contains new features, i.e. meets the criterion of "novelty." After comparing with analogues, it is clear that the proposed device meets the criterion of "significant differences", because no new signs were found in the analogues.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства для определения электрофизических, физико-химических свойств и газочувствительных характеристик наноразмерных материалов. На фиг.2 приведена эквивалентая электрическая схема образца.Figure 1 shows the structural diagram of a device for determining the electrophysical, physico-chemical properties and gas-sensitive characteristics of nanoscale materials. Figure 2 shows the equivalent electrical circuit of the sample.

На фиг.1 обозначены: 1 - персональный компьютер; 2 - первый контроллер; 3 - второй контроллер; 4 - цифро-аналоговый преобразователь 5 - первый аналого-цифровой преобразователь; 6 - первое электрическое реле; 7 - второе электрическое реле; 8 - третье электрическое реле; 9 - четвертое электрическое реле; 10 - второй аналого-цифровой преобразователь; 11 - усилитель мощности; 12 - первый дифференциальный усилитель; 13 - второй дифференциальный усилитель; 14 - первый насос; 15 - первый ротаметр; 16 - второй насос; 17 - преобразователь ток-напряжение; 18 - баллон с эталонной газовой смесью; 19 - первый клапан; 20 - второй ротаметр; 21 - камера формирования газовой смеси; 22 - третий насос; 23 - третий ротаметр; 24 - второй клапан; 25 - датчик температуры; 26 - нагревательный элемент; 27 - газочувствительный материал; 28 - камера для исследования характеристик газочувствительных материaлов.Figure 1 marked: 1 - personal computer; 2 - the first controller; 3 - second controller; 4 - digital-to-analog converter; 5 - first analog-to-digital converter; 6 - the first electrical relay; 7 - second electrical relay; 8 - the third electric relay; 9 - the fourth electric relay; 10 - the second analog-to-digital Converter; 11 - power amplifier; 12 - the first differential amplifier; 13 - second differential amplifier; 14 - the first pump; 15 - the first rotameter; 16 - second pump; 17 - current-voltage converter; 18 - cylinder with a reference gas mixture; 19 - the first valve; 20 - second rotameter; 21 - a chamber for forming a gas mixture; 22 - the third pump; 23 - third rotameter; 24 - the second valve; 25 - temperature sensor; 26 - heating element; 27 - gas-sensitive material; 28 is a chamber for studying the characteristics of gas-sensitive materials.

Персональный компьютер 1 соединен с первым контроллером 2, первый контроллер 2 через первое электрическое реле 6 соединен с клапаном 19, первый контроллер 2 через второе электрическое реле 7 соединен с первым насосом 14, первый контроллер 2 через третье электрическое реле 8 соединен с третьим насосом 22, первый контроллер 2 через четвертое электрическое реле 9 соединен со вторым насосом. Выход первого контроллера 2 соединен со входом усилителя мощности 11, выход которого соединен с нагревательным элементом 26. Выход датчика температуры 25 через второй аналого-цифровой преобразователь 10 подключен ко входу первого контроллера 2. Выход первого контроллера 2 через цифро-аналоговый преобразователь 4 и первый дифференциальный усилитель 12 соединен со входом газочувствительного материала 27. Выход газочувствительного материала 27 через преобразователь ток-напряжение 17 соединен с первым дифференциальным усилителем 12 и вторым дифференциальным усилителем 13 и напрямую со вторым дифференциальным усилителем 13. Газочувствительный материал 27 через дифференциальный усилитель 13, первый аналого-цифровой преобразователь 5, второй контроллер 3 подключен к персональному компьютеру 1. Баллон с эталонной газовой смесью 18 через первый клапан 19, второй ротаметр 20, камеру формирования газовой смеси 21, третий насос 22, третий ротаметр 23, второй клапан 24, соединен с камерой для исследования характеристик газочувствительных материалов 28, выход первого насоса 14 соединен со входом первого ротаметра 15, выход которого соединен с камерой формирования газовой смеси 21, выход второго насоса 16 соединен со входом клапана 24.The personal computer 1 is connected to the first controller 2, the first controller 2 is connected to the valve 19 through the first electric relay 6, the first controller 2 is connected to the first pump 14 through the second electric relay 7, the first controller 2 is connected to the third pump 22 through the third electric relay 8, the first controller 2 through the fourth electrical relay 9 is connected to the second pump. The output of the first controller 2 is connected to the input of the power amplifier 11, the output of which is connected to the heating element 26. The output of the temperature sensor 25 through the second analog-to-digital converter 10 is connected to the input of the first controller 2. The output of the first controller 2 through the digital-to-analog converter 4 and the first differential the amplifier 12 is connected to the input of the gas-sensitive material 27. The output of the gas-sensitive material 27 through a current-voltage converter 17 is connected to the first differential amplifier 12 and the second diff a potential amplifier 13 and directly with a second differential amplifier 13. A gas-sensitive material 27 through a differential amplifier 13, a first analog-to-digital converter 5, a second controller 3 is connected to a personal computer 1. A cylinder with a reference gas mixture 18 through the first valve 19, the second rotameter 20, a gas mixture forming chamber 21, a third pump 22, a third rotameter 23, a second valve 24, is connected to a chamber for studying the characteristics of gas-sensitive materials 28, the output of the first pump 14 is connected to the input of the first a rotameter 15, whose output is connected with the chamber forming the gas mixture 21, the second output of the pump 16 is connected to the valve entrance 24.

Работает устройство следующим образом. Сигналы с персонального компьютера 1 и наоборот на все элементы установки проходят через первый контроллер 2 и второй контроллер 3. Управляющий сигнал с персонального компьютера 1 поступает на первое электрическое реле 6, оно замыкает контакты первого клапана 19 и эталонная газовая смесь из баллона с эталонной газовой смесью 18 проходит через второй ротаметр 20 в камеру формирования газовой смеси 21. Газовую смесь смешивают с воздухом, для этого с персонального компьютера 1 подают сигнал на второе электрическое реле 7, которое включает первый насос 14 и через первый ротаметр 15 воздух попадает в камеру формирования газовой смеси 21. Управляющий сигнал с персонального компьютера 1 поступает на третье электрическое реле 8, которое включает насос 22 и сформированная газовая смесь из камеры формирования газовой смеси 21 с помощью третьего насоса 22, перекачивают через третий ротаметр 23 и второй клапан 24 в камеру для исследования характеристик газочувствительных материалов 28. В камере для исследования характеристик газочувствительных материалов 28 располагаются газочувствительный материал 27, нагревательный элемент 26, работающий в температурном диапазоне от 20 до 210 С., нагреваемый с помощью напряжения, которое преобразуется усилителем мощности 11 из сигналов, вырабатываемых первым контроллером 2, и датчик температуры 25, позволяющий одновременно измерять температуру газочувствительного элемента 27 в камере для исследования характеристик газочувствительного материала 20. Сигналы от датчика температуры 25 поступают на вход второго аналого-цифрового преобразователя 10, где он оцифровывается. После чего оцифрованный сигнал поступает в персональный компьютер 1 через первый контроллер 2. Гармонические сигналы формируются с помощью персонального компьютера 1 и поступают на газочувствительный элемент 27 через первый контроллер 2, цифро-аналоговый преобразователь 4 и первый дифференциальный усилитель 12. Сигнал с исследуемого газочувствительного материала 27 преобразуется в напряжение с помощью преобразователя ток-напряжение 17 и усиливается посредствам второго дифференциального усилителя 13, затем подается на первый аналою цифровой преобразователь 5, второй контроллер 3 и по каналу USB на персональный компьютер 1. На персональном компьютере 1 контролируют режимы и параметры газочувствительного материала 27 по заданному алгоритму. На газочувствительный материал 27 подается возмущающий гармонический сигнал с персонального компьютера 1 и изучается вызванный им сигнал-отклик на выходе:The device operates as follows. The signals from the personal computer 1 and vice versa to all installation elements pass through the first controller 2 and the second controller 3. The control signal from the personal computer 1 is supplied to the first electrical relay 6, it closes the contacts of the first valve 19 and the reference gas mixture from the cylinder with the reference gas mixture 18 passes through a second rotameter 20 into the gas mixture forming chamber 21. The gas mixture is mixed with air, for this purpose, a signal is sent from the personal computer 1 to the second electric relay 7, which includes the first sos 14 and through the first rotameter 15, air enters the gas mixture formation chamber 21. The control signal from the personal computer 1 is supplied to the third electric relay 8, which includes the pump 22 and the generated gas mixture from the gas mixture formation chamber 21 using the third pump 22, is pumped through the third rotameter 23 and the second valve 24 into the chamber for studying the characteristics of gas-sensitive materials 28. In the chamber for studying the characteristics of gas-sensitive materials 28 are gas-sensitive material Ial 27, a heating element 26, operating in the temperature range from 20 to 210 C., heated by voltage, which is converted by a power amplifier 11 from the signals generated by the first controller 2, and a temperature sensor 25, which allows to simultaneously measure the temperature of the gas-sensitive element 27 in the chamber to study the characteristics of the gas-sensitive material 20. The signals from the temperature sensor 25 are fed to the input of the second analog-to-digital Converter 10, where it is digitized. After that, the digitized signal enters the personal computer 1 through the first controller 2. Harmonic signals are generated using the personal computer 1 and are fed to the gas sensor element 27 through the first controller 2, digital-to-analog converter 4 and the first differential amplifier 12. The signal from the studied gas-sensitive material 27 converted to voltage using a current-voltage converter 17 and amplified by a second differential amplifier 13, then fed to the first analogue Digital the second converter 5, the second controller 3, and via USB to the personal computer 1. On the personal computer 1, the modes and parameters of the gas-sensitive material 27 are controlled according to a predetermined algorithm. A disturbing harmonic signal from a personal computer 1 is supplied to the gas-sensitive material 27 and the output signal-response caused by it is studied:

где ω=2·π·f - круговая частота, θ - фазовый сдвиг.where ω = 2 · π · f is the circular frequency, θ is the phase shift.

определяют модуль комплексного сопротивления Z(ω) и его фазу φ(ω) к соответствии с обобщенным законом Ома:determine the complex resistance modulus Z (ω) and its phase φ (ω) in accordance with the generalized Ohm's law:

Z(ω)=Z·cos(ϕ)-i·sin(ϕ)=Z′-i·Z″Z (ω) = Z · cos (ϕ) -i · sin (ϕ) = Z′-i · Z ″

далее определяют реактивное сопротивление емкости Х_C и модуль комплексное сопротивление Z_k:then determine the reactance of the capacitance X _C and the module complex resistance Z _k :

затем определяем аргумент комплексного сопротивления φ_k и вычислим комплексное сопротивление :then we determine the argument of the complex resistance φ _k and calculate the complex resistance :

В показательном виде комплексное сопротивление газочувствительного материала 27 равно:In an indicative form, the complex resistance of the gas-sensitive material 27 is equal to:

Для оценки параметров механизма химической реакции, были измерены величины емкости и сопротивления в диапазоне частот 0,1-10⁶ Гц. По результатам были рассчитаны реактивные составляющие сопротивления (Хс) и импеданс (Z_к) no следующим расчетным формулам:To evaluate the parameters of the chemical reaction mechanism, the capacitance and resistance values were measured in the frequency range 0.1–10 ⁶ Hz. According to the results, the reactive components of the resistance (Xc) and impedance (Z _to ) were calculated using the following calculation formulas:

где Х_с - реактивная составляющая сопротивления; f - частота; С - емкость.where X _{with the} reactive component of the resistance; f is the frequency; C is the capacity.

где Z_k - импеданс; R - активная составляющая комплексного сопротивления.where Z _k is the impedance; R is the active component of the complex resistance.

Передаточная функция эквивалентной схемы исследуемой газочувствительного материала 27 имеет вид:The transfer function of the equivalent circuit of the studied gas-sensitive material 27 has the form:

Для определения коэффициента полинома H(jw) составляют систему расчетных уравнений. Строят амплитудно- и фазочастотную характеристики цепи. На основании расчета полного импеданса осуществляется построение эквивалентной электрической схемы образца (Фиг.2.)To determine the coefficient of the polynomial H (jw), a system of calculation equations is composed. Build the amplitude and phase frequency characteristics of the circuit. Based on the calculation of the total impedance is the construction of an equivalent electrical circuit of the sample (Figure 2.)

Проведенные измерения позволили синтезировать схемную модель газочувствительного материала, содержащую последовательные и параллельные R, С - цепочки, где: R0 - отвечает объемному сопротивлению образца с пленкой, С0 - соответствует емкости двойного Слоя на контактах электрод-образец, цепочка R1,C1 - отвечает объемному сопротивлению и емкости отдельных зерен поликристаллической пленки, R2C2 - соответствует сопротивлению и емкости границ зерен поликристаллической пленки а также эквивалентная схема для электрода с емкостью двойного слоя Rw, Cw - диффузионный импеданс Варбурга отображает импеданс линейной полубесконечной диффузии.The measurements made it possible to synthesize a schematic model of a gas-sensitive material containing serial and parallel R, C - chains, where: R0 - corresponds to the volume resistance of the sample with the film, C0 - corresponds to the capacity of the double layer at the electrode-sample contacts, the chain R1, C1 - corresponds to the volume resistance and capacitance of individual grains of a polycrystalline film, R2C2 - corresponds to the resistance and capacitance of grain boundaries of a polycrystalline film as well as the equivalent circuit for an electrode with a double layer capacity Rw, Cw - d ffuzionny impedance Warburg impedance displays linear semi-infinite diffusion.

После получения эквивалентной электрической схемы и определения ее параметров вход второго клапана 24 переключают на выход второго насоса 16. Сигнал с персонального компьютера 1 замыкает контакты четвертого электрического реле 9 и включается второй насос 16, который продувает камеру для исследования характеристик газочувствительных материалов 28 от газовой смеси.After receiving the equivalent electrical circuit and determining its parameters, the input of the second valve 24 is switched to the output of the second pump 16. The signal from the personal computer 1 closes the contacts of the fourth electric relay 9 and the second pump 16 is turned on, which blows the chamber to study the characteristics of gas-sensitive materials 28 from the gas mixture.

Предлагаемое устройство определения электрофизических, физико-химических свойств и газочувствительных характеристик наноразмерных материалов содержит персональный компьютер, который является в том числе источником гармонического сигнала, программно изменяющеюся в заданном диапазоне частот, для исследования электрофизических свойств газочувствительного материала. Использование персонального компьютера в качестве источника гармонического сигнала повышает качество сигнала, упрощает синхронизацию с работой всего устройства.The proposed device for determining the electrophysical, physico-chemical properties and gas-sensitive characteristics of nanoscale materials contains a personal computer, which is also a harmonic signal source, programmatically changing in a given frequency range, for studying the electrophysical properties of a gas-sensitive material. Using a personal computer as a source of a harmonic signal improves the signal quality, simplifies synchronization with the operation of the entire device.

Проведя технико-экономическое обоснование, сравнив стоимость используемых в настоящее время устройств и стоимость разрабатываемого устройства, можем сделать вывод, что затраты на разрабатываемое устройство на порядок ниже. При этом повышаются автоматизация исследования газочувствительных характеристик материала и технические характеристики устройства:Having carried out a feasibility study, comparing the cost of the currently used devices and the cost of the developed device, we can conclude that the costs of the developed device are an order of magnitude lower. This increases the automation of the study of gas-sensitive characteristics of the material and the technical characteristics of the device:

- Компактность;- compactness;

- Надежность;- Reliability;

- Меньшее потребление электрической энергии;- Less electricity consumption;

Claims

A device for determining the electrophysical, physico-chemical properties and gas-sensitive characteristics of nanoscale materials, including gas-sensitive material, a first differential amplifier, a second differential amplifier, a current-voltage converter, characterized in that a first controller, a second controller, a personal computer, a digital-to-analog converter are introduced into it , the first analog-to-digital converter, the first electrical relay, the second electrical relay, the third electrical relay, even fourth electric relay, second analog-to-digital converter, power amplifier, first pump, first rotameter, second pump, cylinder with a reference gas mixture, first valve, second rotameter, gas mixture formation chamber, third pump, third rotameter, second valve, temperature sensor , heating element, gas-sensitive material, a camera for studying the characteristics of gas-sensitive materials, a personal computer that is connected via USB through the first controller, a digital-to-analog converter and the first diff The potential amplifier is connected to the gas-sensitive material, the output electrodes of the gas-sensitive material are connected to the current-voltage converter, and it is connected via the feedback channel to the first and second differential amplifiers and through the second differential amplifier, the first analog-to-digital converter is connected to the second controller, which is connected via the channel USB is connected to a personal computer, the output of the temperature sensor is connected to the input of an analog-to-digital converter, the output of which is connected to the first a troller, the input of the heating element is connected to the output of the power amplifier, the input of which is connected to the output of the first controller, the first controller is connected to the input of the first electric relay, the output of which is connected to the first valve, the first controller is connected to the input of the second electric relay, the output of which is connected to the first pump , the first controller is connected to the input of the third electric relay, the output of which is connected to the third pump, the first controller is connected to the input of the fourth electric relay, the output to connected to the second pump, the cylinder with the reference mixture through the first valve and the second rotameter is connected to the gas mixture formation chamber, the output of the first rotameter is also connected to it, the input of which is connected to the output of the first pump, then the output of the gas mixture formation chamber through the third pump and third rotameter connected to one of the inputs of the second valve, a second pump is connected to the other input, and the output of the second valve is connected to the chamber to study the characteristics of gas-sensitive materials.