RU2375790C1 - Пьезорезонансный датчик водорода - Google Patents
Пьезорезонансный датчик водорода Download PDFInfo
- Publication number
- RU2375790C1 RU2375790C1 RU2008130177/28A RU2008130177A RU2375790C1 RU 2375790 C1 RU2375790 C1 RU 2375790C1 RU 2008130177/28 A RU2008130177/28 A RU 2008130177/28A RU 2008130177 A RU2008130177 A RU 2008130177A RU 2375790 C1 RU2375790 C1 RU 2375790C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sensor
- hydrogen
- piezoelectric
- detector
- whiskers
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к массочувствительным пьезорезонансным датчикам, предназначенным для детектирования водорода. Технический результат: повышение быстродействия на появление взрывоопасных концентраций водорода. Сущность: пьезорезонансный датчик водорода содержит пьезоактивный элемент в виде кварцевой пластины с нанесенным на него чувствительным слоем. В качестве чувствительного слоя используется сенсорное вещество на основе манганитных вискеров, выращенных или нанесенных, по крайней мере, на одной поверхности кварцевой пластины. Датчик снабжен блоком питания. Манганитные вискеры могут быть промотивированы катализатором. Датчик может быть снабжен эталонным пьезогенератором без сенсорного слоя. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к массочувствительным пьезорезонансным датчикам, предназначенным для детектирования водорода.
Известно использование пьезорезонансных датчиков на объемных и поверхностных акустических волнах для определения компонентного состава газовых смесей (В.В.Малов. Пьезорезонансные датчики. М.: Энергоатомиздат, 1989). Детектирование газов этими датчиками, чувствительными к изменению массы, основано на изменении частоты колебаний кварцевой пластины или скорости распространения поверхностной акустической волны при сорбции определяемого газа чувствительными слоями.
Известны пьезорезонансные датчики влажности, выполненные на основе пьезорезонансных первичных преобразователей с селективным влагочувствительным покрытием. Принцип действия таких преобразователей заключается в том, что модуляция частоты в зависимости от влажности вызывается изменением массы воды, сорбированной влагочувствительным покрытием резонатора. Таким образом, влажность измеряется непосредственно по изменению массы, сорбированной на резонаторе влаги.
Первичный преобразователь датчика влажности (В.В.Малов. Пьезорезонансные датчики. М.: Энергоатомиздат, 1989) изготовлен на основе пьезорезонатора АТ-среза, а в качестве адсорбирующего слоя использован полиекапроамид, нанесенный из раствора на поверхность пьезоэлемента. Кроме того, в первичных преобразователях датчиков влажности в качестве адсорбирующего слоя используют силикагель и так называемые «молекулярные сита» [1], которые позволяют увеличить их чувствительность.
В первичном преобразователе датчика влажности (King W.H. Using quartz crystals as sorption detectors // Res. Develop.1969, Vol.20, №2, P.28-34, №5, P.29-332) в качестве адсорбирующего слоя, наносимого на поверхность пьезоэлемента, использован сульфатированный полистирол, обладающий высокой селективностью адсорбции влаги относительно большинства других компонентов газовой среды.
Основным недостатком данных преобразователей является их высокая инерционность. Это объясняется, во-первых, достаточно большим временем установления выходного сигнала (несколько минут и более), а, во-вторых, продолжительностью последействия при десорбции влаги с гигроскопического покрытия, которая может составлять час и более. При меньших временах измерения инерционность процесса десорбции воспринимается как гистерезис. Для устранения этого недостатка применяют специальные дополнительные устройства для принудительной осушки преобразователя.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является датчик на поверхностных акустических волнах для детектирования диоксида углерода (п. РФ №2132584, опубл.27.06.1999 г.). Датчик содержит пьезоактивный элемент с нанесенным на него чувствительным слоем. В качестве чувствительного слоя он содержит пленку на основе трет-бутилзамещенных фталоцианиновых комплексов.
Недостатком данного изобретения является низкая чувствительность и селективность датчика.
В настоящее время все большее внимание уделяется изучению полупроводниковых металлооксидных материалов, обладающих большим соотношением площади поверхности к объему, что приводит к ощутимому изменению чувствительности сенсора.
Газовые сенсоры на основе нитей металлооксидных материалов, обладающие высокой чувствительностью и селективностью, способны работать в широком диапазоне концентраций и при различных значениях температуры и влажности. Такие устройства могут найти широкое практическое применение в экологическом мониторинге и определении повышенных концентраций вредных газов в быту и на производстве.
Задачей настоящего изобретения является создание компактного более чувствительного датчика и повышение его быстродействия на появление взрывоопасных концентраций водорода.
Сущность изобретения заключается в том, что пьезорезонансный датчик водорода содержит пьезоактивный элемент в виде кварцевой пластины с нанесенным на него чувствительным слоем, в качестве чувствительного слоя используется сенсорное вещество на основе манганитных вискеров, выращенных или нанесенных, по крайней мере, на одной поверхности кварцевой пластины. Датчик снабжен блоком питания. Манганитные вискеры могут быть промотивированы катализатором. Датчик может быть снабжен эталонным пьезогенератором без сенсорного слоя.
На фиг.1 представлена конструкция пьезорезонансного датчика водорода, на фиг.2 - вариант пьезорезонансного датчика.
Ниже приведен пример исполнения датчика.
Пьезорезонансный датчик водорода содержит пьезоактивный элемент 1 в виде кварцевой пластины с нанесенным на него чувствительным слоем, газопроницаемый корпус 2. Пьезопластина 1 закреплена на держателе 3 с электроконтактами, подсоединенными к электронной схеме генерации колебаний 4 пьезопластины 1 и схеме преобразования частоты в напряжение 5. В качестве чувствительного слоя используется сенсорное вещество на основе манганитных вискеров, например,
Ва6Мn24O48, выращенных на обеих гранях кварцевой пластины. Манганитные вискеры промотивированы катализатором. В качестве катализатора использован палладий.
Принцип действия кварцевого пьезоэлектрического датчика заключается в следующем: частота колебаний кварцевого кристалла изменяется в зависимости от степени снижения концентрации кислорода в оксиде при взаимодействии его с водородом и испарения молекул воды. Частота колебаний пьзорезонансной пластинки 1 уменьшается при увеличении веса пластинки и увеличивается при снижении веса пластинки. Селективность датчика обеспечивается путем осаждения сенсорного вещества на основе промотированных манганитных вискеров, выращенных на обеих гранях кристалла.
Работа кварцевой пьезопластинки заключается в следующем: молекулы водорода, адсорбируясь поверхностью пластинки, вступают в реакцию, в ходе которой образуются молекулы воды, которые десорбируются с поверхности. Вес пластинки уменьшается на величину, равную весу потерянных молекул кислорода.
Изменение частоты колебаний ΔF подчиняется соотношению ΔF=KC, где С - концентрация анализируемого вещества, а К - постоянная, характерная для кристалла. Частоту колебаний можно измерить с точностью до 1 Гц, причем порог чувствительности датчика составляет около 10-9 грамма.
Для реализации принципа действия предложенного датчика разработана блок-схема (см. фиг.2), где введен эталонный пьезогенератор без сенсорного слоя 6. В этом случае принцип действия датчика основан на измерении разности частот двух кварцевых генераторов: эталонного 6 и измерительного 7. Эталонный датчик может быть выполнен, например, в виде кварцевого резонатора типа РГ-06 на частоту 5 мГц (0,5-10 мГц). Основу схем составляют два одинаковых генератора, построенных на кварцевых резонаторах и логических микросхемах (ДД1, ДД2).
Один из резонаторов вводится в измерительную камеру и служит датчиком массы. Сигналы с выходов обоих генераторов одновременно поступают на вход смесителя частот на диодах Д1, Д2. Напряжение разностной частоты поступает на повторитель (ДД3) и усилитель (ДД4) через фильтр нижних частот (R5, С4), который отсекает все паразитные В4 составляющие сигнала. Сигнал с выхода усилителя поступает на частотомер или осциллограф. Частота генерируемого сигнала регулируется с помощью подстроечной емкости (C1, С2). Частоты генерации обоих генераторов неизбежно отличаются друг от друга - сказываются индивидуальные особенности кварцевых резонаторов, емкость монтажа, емкость подводящих проводов. Изменение конструкции измерительного резонатора (пористый корпус) также приводит к изменению частоты генерации. Регулировкой емкости конденсаторов добиваются минимального значения частоты выходного сигнала перед измерениями.
Claims (4)
1. Пьезорезонансный датчик водорода, содержащий пьезоактивный элемент в виде кварцевой пластины с нанесенным на него чувствительным слоем, отличающийся тем, что в качестве чувствительного слоя используется сенсорное вещество на основе манганитных вискеров, выращенных или нанесенных, по крайней мере, на одной поверхности кварцевой пластины.
2. Пьезорезонансный датчик водорода по п.1, отличающийся тем, что он снабжен блоком питания.
3. Пьезорезонансный датчик водорода по п.1, отличающийся тем, что манганитные вискеры промотированы катализатором.
4. Пьезорезонансный датчик водорода по п.2, отличающийся тем, что датчик снабжен эталонным пьезогенератором без сенсорного слоя.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008130177/28A RU2375790C1 (ru) | 2008-07-21 | 2008-07-21 | Пьезорезонансный датчик водорода |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008130177/28A RU2375790C1 (ru) | 2008-07-21 | 2008-07-21 | Пьезорезонансный датчик водорода |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2375790C1 true RU2375790C1 (ru) | 2009-12-10 |
Family
ID=41489752
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008130177/28A RU2375790C1 (ru) | 2008-07-21 | 2008-07-21 | Пьезорезонансный датчик водорода |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2375790C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2638624C2 (ru) * | 2012-12-21 | 2017-12-14 | Ска Хайджин Продактс Аб | Способ и система для определения местоположения калового выброса |
-
2008
- 2008-07-21 RU RU2008130177/28A patent/RU2375790C1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2638624C2 (ru) * | 2012-12-21 | 2017-12-14 | Ска Хайджин Продактс Аб | Способ и система для определения местоположения калового выброса |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| D'amico et al. | Surface acoustic wave hydrogen sensor | |
| US4905701A (en) | Apparatus and method for detecting small changes in attached mass of piezoelectric devices used as sensors | |
| US20100107735A1 (en) | Gas Sensor | |
| Bowers et al. | A surface acoustic wave piezoelectric crystal aerosol mass microbalance | |
| US6958565B1 (en) | Passive wireless piezoelectric smart tire sensor with reduced size | |
| CN101458230A (zh) | 多通道声表面波化学传感系统 | |
| US20060032290A1 (en) | Acoustic wave sensor with reduced condensation and recovery time | |
| WO2005095947A1 (ja) | 環境差異検出装置 | |
| US20070068493A1 (en) | Hydrogen sensor | |
| TWI427290B (zh) | 一種氣體偵測裝置及其方法 | |
| CN201348624Y (zh) | 多通道声表面波化学传感装置 | |
| US4055072A (en) | Apparatus for measuring a sorbate dispersed in a fluid stream | |
| EP1730512A2 (en) | Multiple modes acoustic wave sensor | |
| JPH04233436A (ja) | 表面波ガスセンサ | |
| US20060179918A1 (en) | Gas chromatograph and quartz crystal microbalance sensor apparatus | |
| Penza et al. | SAW chemical sensing using poly-ynes and organometallic polymer films | |
| Brace et al. | A study of polymer/water interactions using surface acoustic waves | |
| RU2375790C1 (ru) | Пьезорезонансный датчик водорода | |
| CN105738470B (zh) | 一种声表面波气体传感器 | |
| EP0094413A1 (en) | Surface acoustic wave oscillator gas detector | |
| US6336368B1 (en) | Method and apparatus for energy efficient tacking of resonant devices | |
| Wen et al. | A novel dual track SAW gas sensor using three-IDT and two-MSC | |
| Avramov | Polymer coated rayleigh SAW and STW resonators for gas sensor applications | |
| RU174317U1 (ru) | Сорбционный электретный газоанализатор | |
| CN114166934B (zh) | 基于石墨烯覆膜石英音叉的气体探测装置及方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100722 |