RU2156971C1 - Сенсор паров углеводородов и бензинов - Google Patents
Сенсор паров углеводородов и бензинов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2156971C1 RU2156971C1 RU99122656A RU99122656A RU2156971C1 RU 2156971 C1 RU2156971 C1 RU 2156971C1 RU 99122656 A RU99122656 A RU 99122656A RU 99122656 A RU99122656 A RU 99122656A RU 2156971 C1 RU2156971 C1 RU 2156971C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sensor
- sensitive layer
- hydrocarbons
- gasolines
- concentration
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано для определения концентрации паров углеводородов и бензинов в воздухе. Изобретение может применяться для предупреждения пожаро- и взрывоопасных ситуаций в химических производствах, автозаправочных станциях, гаражах, а также для проведения экологического мониторинга. Сущность: в сенсоре, выполненном в виде кварцевого пьезорезонатора на объемных акустических волнах с пленочным чувствительным слоем, нанесенным на электроды, в качестве материала чувствительного слоя использованы полимеры и сополимеры группы полисилилацетиленов с содержанием Si 18-25%. Технический результат: снижение предела обнаружения углеводородов и бензинов ниже уровня ПДК, повышение селективности, точности и быстродействия в широком (1-40000 мг/м3) концентрационном интервале при 0 - 50oС. 1 ил., 3 табл.
Description
Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано для определения концентрации паров углеводородов и бензинов в воздухе. Изобретение может применяться для предупреждения пожаро- и взрывоопасных ситуаций в химических производствах, автозаправочных станциях, гаражах, а также для проведения экологического мониторинга, санитарного надзора.
Известен ряд химических сенсоров для определения концентрации паров углеводородов различной природы в воздухе.
Известен сенсор паров органических соединений, выполненный на основе линии задержки поверхностных акустических волн [1]. Сенсор представляет собой пьезокварцевую пластину, на одной плоскости которой имеются электроды. Между электродами нанесено сорбирующее покрытие (поли-бис-цианоаллилсилоксан). При сорбции определяемых соединений изменяется скорость распространения поверхностных акустических волн между электродами, что приводит к изменению частоты электронного генератора, в цепь которого включена линия задержки.
Недостатком сенсора является высокий предел обнаружения. Так, например, для бензола и толуола, представляющих наибольшую опасность для здоровья человека (ПДК бензола = 15 мг/м3 ПДК толуола = 15 мг/м3 [2]), предел обнаружения составляет 200-400 мг/м3 и 70-170 мг/м3 соответственно. Такие значения пределов обнаружения превосходят значения ПДК для этих соединений и не позволяют использовать данный сенсор для экологического мониторинга.
Известен сенсор для определения концентрации паров ароматических углеводородов в воздухе [3]. Сенсор выполнен на основе кварцевого пьезорезонатора на объемно-акустических волнах с частотой колебания 16 МГц, на электроды которого нанесен пленочный чувствительный слой. В качестве чувствительного слоя использован кремнийсодержащий полимер - поливинилтриметилсилан (содержание Si-28%).
Недостатком сенсора являются:
- большая продолжительность измерений (2,5 - 3,5 мин);
- невозможность использования сенсора для определения концентрации углеводородов других классов или их смесей.
- большая продолжительность измерений (2,5 - 3,5 мин);
- невозможность использования сенсора для определения концентрации углеводородов других классов или их смесей.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является сенсор паров углеводородов, выполненный в виде кварцевого пьезорезонатора на объемно-акустических волнах, на электроды которого нанесен пленочный чувствительный слой [4]. В качестве чувствительного слоя пьезорезонатора использован Carbowax 400.
Недостатком известного сенсора является его низкая чувствительность к определяемым углеводородам и, следовательно, высокий предел обнаружения, а также невысокая селективность определения. Так, предел обнаружения для предельных и непредельных углеводородов нормального и изостроения, а также ароматических углеводородов изменяется в интервале 200-300 мг/м3, а на результаты анализа оказывает влияние наличие в анализируемой газовой смеси паров воды, спиртов, кетонов, оксидов азота и серы.
Задачей, решаемой в данном изобретении, является снижение предела обнаружения углеводородов различной природы и бензинов, повышение селективности определения и быстродействия сенсора.
Поставленная цель достигается тем, что в сенсоре, выполненном в виде кварцевого пьезорезонатора на объемных акустических волнах с пленочным чувствительным слоем, нанесенным на электроды, в качестве материала чувствительного слоя использованы полимеры и сополимеры группы полисилилацетиленов с содержанием Si 18-25%.
На чертеже представлен общий вид сенсора. Сенсор паров углеводородов и бензинов содержит кварцевую пластину 1, на которой помещены электроды 2 с нанесенным на них чувствительным слоем 3, пружины 4 и площадку 5 для крепления пьезорезонатора.
Работа сенсора протекает следующим образом. Сенсор с чувствительным слоем 3 на электродах 2 включают в схему высокочастотного генератора, частоту которого измеряют стандартным прибором. При наличии в атмосфере паров определяемого вещества масса слоя 3 увеличивается за счет сорбции. Это приводит к уменьшению собственной частоты сенсора и, соответственно, частоты генератора. Величина изменения частоты в первом приближении пропорциональна концентрации определяемых веществ [5].
Измерения концентрационной зависимости сенсора проводят следующим образом: в замкнутом сосуде методом объемного разбавления создают модельные концентрации паров углеводородов или бензина. Измеряют частоту колебаний сенсора при прокачивании чистого воздуха, а затем - анализируемой газовой смеси.
Для нанесения чувствительного слоя 3 на электроды 2 используют 1-5%-ный растворы полисилилацетиленов в бензоле или толуоле, в частности 1%-ный раствор полимера с содержанием кремния 25% в толуоле. После нанесения раствора полимера на электроды датчика чувствительный слой высушивается при комнатной температуре в течение часа.
Специально проведенная серия экспериментов по выбору оптимальной массы наносимого чувствительного слоя показала, что на электроды пьезосорбционного датчика с собственной частотой колебаний 5 МГц целесообразно наносить чувствительный полимерный слой массой 45-55 мкг.
Методика испытаний полимерных чувствительных слоев.
На электроды пьезосорбционного датчика с собственной частотой колебаний 5 МГц наносили из раствора полимерный чувствительный слой массой 45-55 мкг. Полученный химический сенсор помещали в газодинамическую установку "Вихрь" (ТУ 561.370-65) и испытывали при следующих параметрах парогазовой смеси (ПГС):
- относительная влажность ПГС 2-98%;
- температура 0 - 50oC;
- расход ПГС 1 л/мин;
- концентрация определяемого компонента - 1/40000 мг/м3;
- время измерения 45 сек.
- относительная влажность ПГС 2-98%;
- температура 0 - 50oC;
- расход ПГС 1 л/мин;
- концентрация определяемого компонента - 1/40000 мг/м3;
- время измерения 45 сек.
Пример 1
Чувствительный слой - полисилилацетилен (содержание Si 25%). Частота колебаний пьезорезонатора - 5 МГц. Работа на первой механической гармонике, колебания вида - сдвиг по толщине. Масса чувствительного слоя 51 мкг. Изменение частоты пьезорезонатора при нанесении чувствительного слоя составило 9280 Гц. Определяемый компонент в составе парогазовой смеси - бензол при 20oC. Параметры сенсора, полученные при измерении концентрационной зависимости: чувствительность определения 2,0 Гц/ppm, предел обнаружения 0,5 ppm. Величина предела обнаружения, вычисленная методом линейной интерполяции, соответствует концентрации, при которой величина отклика в три раза превышает уровень шумов (для испытываемого сенсора уровень шумов 3σ = 1.5 Гц). Продолжительность сорбции составляет 45 секунд, десорбция проводится чистым воздухом в течение 90 секунд (показателем полной десорбции явилось восстановление первоначального значения частоты колебаний пьезорезонатора.
Чувствительный слой - полисилилацетилен (содержание Si 25%). Частота колебаний пьезорезонатора - 5 МГц. Работа на первой механической гармонике, колебания вида - сдвиг по толщине. Масса чувствительного слоя 51 мкг. Изменение частоты пьезорезонатора при нанесении чувствительного слоя составило 9280 Гц. Определяемый компонент в составе парогазовой смеси - бензол при 20oC. Параметры сенсора, полученные при измерении концентрационной зависимости: чувствительность определения 2,0 Гц/ppm, предел обнаружения 0,5 ppm. Величина предела обнаружения, вычисленная методом линейной интерполяции, соответствует концентрации, при которой величина отклика в три раза превышает уровень шумов (для испытываемого сенсора уровень шумов 3σ = 1.5 Гц). Продолжительность сорбции составляет 45 секунд, десорбция проводится чистым воздухом в течение 90 секунд (показателем полной десорбции явилось восстановление первоначального значения частоты колебаний пьезорезонатора.
Пример 2
Чувствительный слой - полисилилацетилен (содержание Si 25%). Частота колебаний пьезорезонатора 5 МГц. Работа на первой механической гармонике, колебания - сдвиг по толщине. Масса чувствительного слоя 45 мкг. Изменение частоты пьезорезонатора при нанесении чувствительного слоя составило 9000 Гц. Определяемый компонент в составе анализируемой смеси - пары бензина АИ-92 при 20oC. Параметры сенсора, полученные при измерении концентрационной зависимости: чувствительность определения 2,5 Гц/ppm, предел обнаружения 0,4 ppm.
Чувствительный слой - полисилилацетилен (содержание Si 25%). Частота колебаний пьезорезонатора 5 МГц. Работа на первой механической гармонике, колебания - сдвиг по толщине. Масса чувствительного слоя 45 мкг. Изменение частоты пьезорезонатора при нанесении чувствительного слоя составило 9000 Гц. Определяемый компонент в составе анализируемой смеси - пары бензина АИ-92 при 20oC. Параметры сенсора, полученные при измерении концентрационной зависимости: чувствительность определения 2,5 Гц/ppm, предел обнаружения 0,4 ppm.
По аналогичной методике были проведены испытания других полимеров и сополимеров. Результаты приведены в табл. 1
Анализ полученных данных свидетельствует о том, что оптимальными метрологическими характеристиками (max чувствительность, min предел обнаружения) обладает полисилилацетилен с содержанием кремния 25%.
Анализ полученных данных свидетельствует о том, что оптимальными метрологическими характеристиками (max чувствительность, min предел обнаружения) обладает полисилилацетилен с содержанием кремния 25%.
Этот полимер и был исследован в дальнейшем в качестве чувствительного слоя химического сенсора на пары углеводородов различной природы, а также ряда соединений, которые могут находиться в анализируемом воздухе химических предприятий, АЗС, гаражей и др. и являться мешающими примесями. Результаты измерений представлены в табл. 2.
Сопоставление результатов, полученных при исследовании предлагаемого химического сенсора, и прототипа (см. табл. 3), позволяет отметить следующие преимущества предлагаемого изобретения:
- снижение предела обнаружения по бензинам - в 100 раз, по ароматическим углеводородам в 100-300 раз (по бензолу и толуолу ниже ПДК);
- увеличение концентрационного интервала работы химического сенсора;
- проведение измерений в 3 раза быстрее и с большей точностью;
- увеличение селективности определения (по результатам, представленным в табл. 2, чувствительность по отношению к парам воды, этанола, диметилового эфира и др. на 1-2 порядка ниже, чем таковая для углеводородов и бензинов).
- снижение предела обнаружения по бензинам - в 100 раз, по ароматическим углеводородам в 100-300 раз (по бензолу и толуолу ниже ПДК);
- увеличение концентрационного интервала работы химического сенсора;
- проведение измерений в 3 раза быстрее и с большей точностью;
- увеличение селективности определения (по результатам, представленным в табл. 2, чувствительность по отношению к парам воды, этанола, диметилового эфира и др. на 1-2 порядка ниже, чем таковая для углеводородов и бензинов).
Источники информации
1. S. I. Patrash, Е.Т. Zellers. Characterization of polymeric surface acoustic wave sensor coating and semiempirical models of sensors responses to organic vapours. Analyt. Chem., 1993, v. 65. N 15, pp. 2055 - 2066.
1. S. I. Patrash, Е.Т. Zellers. Characterization of polymeric surface acoustic wave sensor coating and semiempirical models of sensors responses to organic vapours. Analyt. Chem., 1993, v. 65. N 15, pp. 2055 - 2066.
2. С. Л. Муравьева, М. Л. Буковский, Е.К. Прохорова. Руководство по контролю вредных веществ в воздухе рабочей зоны. М., "Химия", 1991 г., сс. 283-286.
3. Патент РФ N 2119662, зарегистр. 27.09.1998 г.
4. J. Hiavay, G.G. Guilbault. Applications of the piezoelectric crystal detector in analytical chemistry. Analyt. Chem. 1977, v. 49, N 13, pp. 1890 - 1898.
5. G.Z. Sauerbrey, Z. Phys. 1959, v. 155, pp. 206 - 209.
Claims (1)
- Сенсор паров углеводородов и бензинов, выполненный в виде кварцевого резонатора, на электроды которого нанесен пленочный чувствительный слой, отличающийся тем, что в качестве материала чувствительного слоя использованы полимеры и сополимеры группы полисилилацетиленов с содержанием кремния 18 - 25%.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99122656A RU2156971C1 (ru) | 1999-10-28 | 1999-10-28 | Сенсор паров углеводородов и бензинов |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99122656A RU2156971C1 (ru) | 1999-10-28 | 1999-10-28 | Сенсор паров углеводородов и бензинов |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2156971C1 true RU2156971C1 (ru) | 2000-09-27 |
Family
ID=20226316
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU99122656A RU2156971C1 (ru) | 1999-10-28 | 1999-10-28 | Сенсор паров углеводородов и бензинов |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2156971C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117147795A (zh) * | 2023-10-30 | 2023-12-01 | 中国石油天然气股份有限公司 | 一种加油站油气浓度数据监控装置 |
-
1999
- 1999-10-28 RU RU99122656A patent/RU2156971C1/ru not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| J.HIAVAY, G.G.GOILBAULT. Applications of the piezoelectric crystal detector in analytical chemistry. Analyt. Chem. - 1977, v.49, N 13, p.1890-1898. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117147795A (zh) * | 2023-10-30 | 2023-12-01 | 中国石油天然气股份有限公司 | 一种加油站油气浓度数据监控装置 |
| CN117147795B (zh) * | 2023-10-30 | 2024-01-05 | 中国石油天然气股份有限公司 | 一种加油站油气浓度数据监控装置 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Grate et al. | Method for estimating polymer-coated acoustic wave vapor sensor responses | |
| Carey et al. | Chemical piezoelectric sensor and sensor array characterization | |
| Patel et al. | Chemicapacitive microsensors for volatile organic compound detection | |
| Chen et al. | A study of an electronic nose for detection of lung cancer based on a virtual SAW gas sensors array and imaging recognition method | |
| Kumar et al. | Tetra-tert-butyl copper phthalocyanine-based QCM sensor for toluene detection in air at room temperature | |
| Wohltjen et al. | Surface acoustic wave probes for chemical analysis. III. Thermomechanical polymer analyzer | |
| US6360585B1 (en) | Method and apparatus for determining chemical properties | |
| Grate et al. | Flexural plate wave devices for chemical analysis | |
| US5795993A (en) | Acoustic-wave sensor for ambient monitoring of a photoresist-stripping agent | |
| Dong et al. | Characterization of the gas sensors based on polymer-coated resonant microcantilevers for the detection of volatile organic compounds | |
| Galipeau et al. | Surface acoustic wave microsensors and applications | |
| Lee et al. | Functionalization layers for CO2 sensing using capacitive micromachined ultrasonic transducers | |
| Penza et al. | SAW chemical sensing using poly-ynes and organometallic polymer films | |
| JP4855565B2 (ja) | 化学センサー用ポリマーコーティング | |
| JP2003511676A (ja) | 化学センサ及び当該化学センサ用のコーティング | |
| Horrillo et al. | Detection of volatile organic compounds using surface acoustic wave sensors with different polymer coatings | |
| Cunningham et al. | Design, fabrication and vapor characterization of a microfabricated flexural plate resonator sensor and application to integrated sensor arrays | |
| Holloway et al. | Impedance analysis of the thickness shear mode resonator for organic vapour sensing | |
| Su et al. | Humidity sensing properties of calix [4] arene and functionalized calix [4] arene measured using a quartz-crystal microbalance | |
| CN101713763A (zh) | 一种测定大气中苯系物的方法 | |
| Déjous et al. | A surface acoustic wave gas sensor: detection of organophosphorus compounds | |
| RU2156971C1 (ru) | Сенсор паров углеводородов и бензинов | |
| Yuwono et al. | Performance test of a sensor array-based odor detection instrument | |
| Kumar et al. | Room temperature measurements of aromatic hydrocarbons by QCM-based gas sensors: intercomparison between phthalocyanines and phthalocyanine/CNTs hybrid material | |
| Reichert et al. | Development of a surface acoustic wave sensor array for the detection of methanol in fuel vapours |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20151029 |