RU181295U1 - Устройство для обнаружения водорода - Google Patents

Устройство для обнаружения водорода Download PDF

Info

Publication number
RU181295U1
RU181295U1 RU2018116457U RU2018116457U RU181295U1 RU 181295 U1 RU181295 U1 RU 181295U1 RU 2018116457 U RU2018116457 U RU 2018116457U RU 2018116457 U RU2018116457 U RU 2018116457U RU 181295 U1 RU181295 U1 RU 181295U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
hydrogen
input
measuring device
recorder
processor
Prior art date
Application number
RU2018116457U
Other languages
English (en)
Inventor
Елена Александровна Гребенщикова
Александр Анатольевич Капралов
Валерий Георгиевич Сидоров
Вадим Аркадьевич Шутаев
Юрий Павлович Яковлев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Priority to RU2018116457U priority Critical patent/RU181295U1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU181295U1 publication Critical patent/RU181295U1/ru

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

Использование: для обнаружения водорода. Сущность полезной модели заключается в том, что устройство для обнаружения водорода включает источник ближнего ИК-излучения, чувствительный элемент и измерительное устройство, чувствительный элемент выполнен в виде пластины из монокристаллического фосфида индия InP n-типа проводимости, по меньшей мере на центральную область первой поверхности которой последовательно нанесены слой анодного оксида индия и фосфора, слой палладия и первый омический электрод, на вторую поверхность пластины нанесен второй омический электрод, источник ближнего ИК-света оптически соединен с чувствительным элементом, а первый и второй омические электроды подключены к измерительному устройству, при этом измерительное устройство содержит последовательно соединенные усилитель, низкочастотный фильтр, аналого-цифровой преобразователь и процессор, блок памяти и регистратор, при этом вход/выход процессора соединен с входом/выходом блока памяти, а выход процессора подключен к входу регистратора. Технический результат - обеспечение возможности повышенной точности количественного измерения концентрации водорода. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Настоящая полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для количественного определения концентрации водорода в окружающей среде при различных температурах, включая комнатную.
В настоящее время водород широко применяют не только в химической промышленности, но и в качестве альтернативного углеводородам энергоносителя. Наряду с созданием водородных топливных элементов предпринимают многочисленные попытки по созданию приборов для регистрации утечек водорода из этих элементов, а также из контейнеров при транспортировке и хранении водорода. Особое внимание уделяют надежному определению взрывоопасной концентрации водорода в воздухе (~4,7%).
Известно устройство для обнаружения водорода (см. заявка JP 2012096965, МПК B01J 23/40, B01J 35/02, C01G 23/053, опубликована 24.05.2012), содержащее источник света, фотоприемник и чувствительный элемент в виде прозрачной проводящей подложки, на которую нанесен слой пористого оксида титана, содержащего в порах металлический катализатор, например, платину, или палладий, или золото, или серебро, или никель, или родий, или осмий, при этом источник света, фотоприемник и чувствительный элемент оптически соединены между собой. Известное устройство определяет содержание водорода в окружающей среде по поглощению или отражению света, проходящего через чувствительный элемент.
Недостатком известного устройства является сложность и длительность процесса дегазации чувствительного элемента после каждого его использования.
Известно устройство для определения кислорода и водорода (см. патент RU 2305278, МПК G01N 27/417, 27.08.2007), содержащее соединенные последовательно газовым трактом осушитель и первую кулонометрическую твердоэлектролитную ячейку (КТЭЯ-1) с источником постоянного напряжения, измерителем тока и двумя электрическими вентилями, а также Устройство содержит вторую кулонометрическую твердо-электролитную ячейку (КТЭЯ-2) с источником постоянного напряжения и измерителем тока, расположенную по газовому тракту после КТЭЯ-1, а напряжение, прикладываемое к электродам КТЭЯ-2, рассчитывают по определенной формуле.
Известное устройство не обеспечивает достаточную точность при определении кислорода и водорода при их совместном присутствии в анализируемом газе, требует нагрева реактора до высокой температуры; и имеет высокую постоянную времени (в зависимости от измеряемой концентрации, от 1 минут до 5 минут).
Известно устройство для обнаружения водорода (см. Г.Г. Ковалевская, Л. Кратена, М.М. Мередов, A.M. Маринова, С.В. Слободчиков. Письма в ЖТФ, т. 15, №12, с. 55-58, 1989), включающее источник ближнего инфракрасного излучения, измеритель электрического тока или напряжения и чувствительный элемент в виде пластины монокристаллического фосфида индия InP n-типа проводимости, на первую поверхность которой последовательно нанесены слой палладия (поверх собственного оксида индия и фосфора) и первый омический электрод, а на вторую поверхность пластины нанесен второй электрод, при этом источник видимого света оптически соединен со слоем палладия, а первый и второй электроды подключены к измерителю электрического тока.
Недостатком известного устройства для обнаружения водорода является достаточно большие токи утечки по поверхности чувствительного элемента, что приводит к снижению чувствительности устройства.
Известно устройство для обнаружения водорода (см. патент RU 166907, МПК G01N 27/407, опубликован 10.12.2016), совпадающее с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Устройство-прототип включает чувствительный элемент, оптически соединенный с источником ближнего инфракрасного (ИК) излучения, и измерительное устройство в виде измерителя электрического тока или напряжения. Чувствительный элемент выполнен в виде пластины из монокристаллического фосфида индия InP n-типа проводимости, на центральную область первой поверхности которой последовательно нанесены слой анодного оксида индия и фосфора, слой палладия и первый омический электрод, на периферийную область первой поверхности нанесен диэлектрический слой из нитрида кремния Si3N4, на вторую поверхность пластины нанесен второй омический электрод. Первый и второй омические электроды подключены к измерительному устройству.
Преимуществами известного устройства для обнаружения водорода являются низкие токи утечки по поверхности чувствительного элемента и высокое быстродействие. Однако известное устройство не обеспечивает достаточную точность количественного измерения концентрации водорода в окружающей среде, так как на результаты измерений влияют такие неопределенные факторы, как эффективная площадь чувствительного элемента, величина сопротивления нагрузки, структура анодного оксида индия и фосфора, которые проблематично зафиксировать при изготовлении чувствительных элементов.
Задачей настоящего технического решения являлась разработка устройства для обнаружения водорода, которое бы обеспечивало повышенную точность количественного измерения концентрации водорода в окружающей среде.
Поставленная задача решается тем, что устройство для обнаружения водорода включает источник ближнего ИК-излучения, чувствительный элемент и измерительное устройство. Чувствительный элемент выполнен в виде пластины из монокристаллического фосфида индия InP n-типа проводимости, по меньшей мере на центральную область первой поверхности которой последовательно нанесены слой анодного оксида индия и фосфора, слой палладия и первый омический электрод, на вторую поверхность пластины нанесен второй омический электрод. Источник ближнего ИК-излучения оптически соединен с чувствительным элементом, а первый и второй омические электроды подключены к измерительному устройству. Новым в устройстве является то, что измерительное устройство содержит последовательно соединенные усилитель, низкочастотный фильтр, аналого-цифровой преобразователь и процессор, блок памяти и регистратор, при этом вход/выход процессора соединен с входом/выходом блока памяти, а выход процессора подключен к входу регистратора.
На периферийную область первой поверхности чувствительного элемента может быть нанесен диэлектрический слой из нитрида кремния Si3N4, что позволяет уменьшить токи утечки по поверхности чувствительного элемента.
Регистратор выполнен в виде дисплея или в виде цифрового индикатора.
Настоящая полезная модель поясняется чертежом,
где на фиг. 1 схематически представлено устройство-прототип для обнаружения водорода;
на фиг. 2 показана блок-схема настоящего устройства для обнаружения водорода
Настоящее устройство для обнаружения водорода (см. фиг. 1 - на фиг. 2) включает источник 1 ближнего ИК-излучения, измерительное устройство 2 и чувствительный элемент 3. Чувствительный элемент 3 выполнен в виде пластины 4 из монокристаллического фосфида индия InP n-типа проводимости, легированной, например, оловом до концентрации n основных носителей 1016-1017 см-3. На центральную область 5 первой поверхности 6 пластины 4 последовательно нанесены слой 7 анодного оксида индия и фосфора, слой 8 палладия и первый омический электрод 9, например, из золота. На периферийную область 10 первой поверхности 6 пластины 4 может быть нанесен диэлектрический слой 11 из нитрида кремния Si3N4. На вторую поверхность 12 пластины 4 нанесен второй омический электрод 13, например из последовательно нанесенных слоев Cr/AuGe/Au. Источник 1 ближнего ИК-излучения (например, светодиод) оптически соединен со слоем 8 палладия чувствительного элемента 3, а первый омический электрод 9 и второй омический электрод 13 подключены к измерительному устройству 2. Измерительное устройство 2 в настоящем техническом решении (см. фиг. 2) содержит последовательно соединенные усилитель (У) 14 (например, малошумящий операционный усилитель) низкочастотный фильтр (НФ) 15, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 16 и процессор (П) 17 (например, прецизионный аналоговый микроконтроллер). В устройство для обнаружения водорода входит также блок памяти (БП) 18 и регистратор (Р) 19 (например, в виде дисплея или в виде цифрового индикатора). Вход/выход П 17 соединен с входом/выходом БП 18, а выход П 17 подключен к входу Р 19.
Первоначально изготовленное устройство градуируют, для чего помещают чувствительный элемент 3 в тестирующую камеру и подключают к измерительному устройству 2. Включают питание источника 1 ближнего ИК-излучения, излучение которого направляют на чувствительный элемент 3. Из тестирующей камеры откачивают воздух, заполняют ее последовательно смесью азота с водородом разных концентраций. При каждой величине установившейся в тестирующей камере концентрации водорода величину скорости спада фотоэдс чувствительного элемента 3, обработанную АЦП 16 и П17, записывают в БП 18 в виде параметра S, соответствующего данной величине концентрации водорода. После измерения, по меньшей мере, пяти значений концентраций водорода строят калибровочную зависимость величины параметра S от концентрации водорода в тестирующей камере, которую сохраняют в БП 18.
Настоящее устройство для обнаружения водорода работает следующим образом. Устройство устанавливают рядом с контролируемым объектом и включают питание источника 1 ближнего ИК-излучения (например, светодиода), излучение которого направляют на чувствительный элемент 3. В присутствии в окружающем пространстве водорода чувствительный элемент 3 вырабатывает электрический сигнал, который усиливается У 14. Далее усиленный сигнал поступает на НФ 15, который отсекает импульсные и высокочастотные помехи и наводки. С выхода НФ 15 низкочастотный сигнал поступает в АЦП 16, а затем оцифрованный сигнал S подают на вход П 17. В П 17 оцифрованный сигнал S сравнивается со значениями S калибровочной зависимости параметра S от концентрации водорода, записанной в БП 18. Полученное количественное значение концентрации водорода фиксируется Р 19.
Пример. Был изготовлен опытный образец устройства для обнаружения водорода. Устройство включало источник ближнего ИК-излучения в виде светодиода (длина А волны излучения 0,9 мкм, марка АЛ-107), малошумящий операционный усилитель ADA4841-1 (фирма Analog Device) и микроконтроллер ADuC7026BSTZ той же фирмы. В состав микроконтроллера входят многоканальный 12-ти разрядный АЦП и блок памяти.
Сравнительные испытания опытного образца устройства для обнаружения водорода и известного устройства-прототипа показали, что опытный образец устройства для обнаружения водорода имеет точность 0,1% в области порога опасной концентрации (~4,7%), что превышает на 3 порядка точность количественного измерения концентрации водорода в окружающей среде устройством-прототипом.

Claims (4)

1. Устройство для обнаружения водорода, включающее источник ближнего ИК-излучения, чувствительный элемент и измерительное устройство, чувствительный элемент выполнен в виде пластины из монокристаллического фосфида индия InP n-типа проводимости, по меньшей мере на центральную область первой поверхности которой последовательно нанесены слой анодного оксида индия и фосфора, слой палладия и первый омический электрод, на вторую поверхность пластины нанесен второй омический электрод, источник ближнего ИК-света оптически соединен с чувствительным элементом, а первый и второй омические электроды подключены к измерительному устройству, отличающееся тем, что измерительное устройство содержит последовательно соединенные усилитель, низкочастотный фильтр, аналого-цифровой преобразователь и процессор, блок памяти и регистратор, при этом вход/выход процессора соединен с входом/выходом блока памяти, а выход процессора подключен к входу регистратора.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что на периферийную область первой поверхности чувствительного элемента нанесен диэлектрический слой из нитрида кремния Si3N4.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что регистратор выполнен в виде дисплея.
4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что регистратор выполнен в виде цифрового индикатора.
RU2018116457U 2018-05-03 2018-05-03 Устройство для обнаружения водорода RU181295U1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018116457U RU181295U1 (ru) 2018-05-03 2018-05-03 Устройство для обнаружения водорода

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018116457U RU181295U1 (ru) 2018-05-03 2018-05-03 Устройство для обнаружения водорода

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU181295U1 true RU181295U1 (ru) 2018-07-09

Family

ID=62813772

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018116457U RU181295U1 (ru) 2018-05-03 2018-05-03 Устройство для обнаружения водорода

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU181295U1 (ru)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2094795C1 (ru) * 1996-08-02 1997-10-27 Институт химии твердого тела и переработки минерального сырья СО РАН Чувствительный элемент электрохимического датчика парциального давления водорода в газовых смесях
RU7507U1 (ru) * 1997-10-06 1998-08-16 Леонид Владимирович Илясов Детектор водорода
RU2371713C2 (ru) * 2007-11-07 2009-10-27 Некоммерческая организация Институт проблем химической физики Российской академии наук (статус государственного учреждения) (ИПХФ РАН) Сенсор для детектирования водорода и способ его изготовления
EP2362216A1 (en) * 2010-02-27 2011-08-31 Karlsruher Institut für Technologie Carbon nanotube SB-FET hydrogen sensor and methods for its manufacture and operation
RU166907U1 (ru) * 2016-06-21 2016-12-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Устройство для обнаружения водорода

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2094795C1 (ru) * 1996-08-02 1997-10-27 Институт химии твердого тела и переработки минерального сырья СО РАН Чувствительный элемент электрохимического датчика парциального давления водорода в газовых смесях
RU7507U1 (ru) * 1997-10-06 1998-08-16 Леонид Владимирович Илясов Детектор водорода
RU2371713C2 (ru) * 2007-11-07 2009-10-27 Некоммерческая организация Институт проблем химической физики Российской академии наук (статус государственного учреждения) (ИПХФ РАН) Сенсор для детектирования водорода и способ его изготовления
EP2362216A1 (en) * 2010-02-27 2011-08-31 Karlsruher Institut für Technologie Carbon nanotube SB-FET hydrogen sensor and methods for its manufacture and operation
RU166907U1 (ru) * 2016-06-21 2016-12-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Устройство для обнаружения водорода

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Brilmyer et al. Photothermal spectroscopy
US20180164263A1 (en) Optochemical sensor
JP2011149954A (ja) 入力ガス流中の不純物の濃度レベルを測定する装置およびその方法、入力ガス流中の酸素の濃度レベルを測定する装置およびその方法
CN101021503A (zh) 丝网印刷电极及制备工艺和传感器及检测方法
KR101488438B1 (ko) 전기화학식 가스 센서
CA2527498C (en) Total organic carbon (toc) analyzer
RU181295U1 (ru) Устройство для обнаружения водорода
JP2009507219A (ja) 酸化ジルコニウム発光酸素センサー
KR20110120035A (ko) 휘발성 유기화합물 가스 감지장치 및 이를 이용한 휘발성 유기화합물 가스 감지방법
CN116893154A (zh) 一种四通道红外气体传感器抗干扰检测方法
Kocache Gas sensors
CN116893153A (zh) 一种红外气体传感器及红外气体传感器抗干扰检测方法
RU166907U1 (ru) Устройство для обнаружения водорода
JPH02195248A (ja) ガス状又は液体内に溶解した物質を検出するドジメータ
CN212111124U (zh) Ndir检测水蒸气浓度传感器及绝对湿度检测器
CN102507452B (zh) 光学晶体气体检测系统及多孔硅褶皱光学晶体的制备方法
Xie et al. A Solid‐State Ozone Sensor Based on Solid Polymer Electrolyte
CN211927764U (zh) 一种适用于多种气体的快速气体定量检测装置
Chen et al. Fabrication of an electrically heated indium-tin-oxide electrode for electrochemiluminescent detection system
Cohn Instrument for Continuous Measurement of Low Concentrations of Oxygen in Gases
Chen et al. Dissolved oxygen detection based on light-to-frequency conversion
RU200760U1 (ru) Датчик кислорода погружной
JP3387611B2 (ja) Coガスセンサーおよびcoガス検出方法
Lindqvist A differential galvanic atmospheric ozone monitor
Schambach et al. Micromachined mercury sensor