4.2. Конструкции и параметры датчиков
4.2.1. Термокондуктометрическая измерительная ячейка
Измерительная ячейка датчика состоит из двух камер – измерительной и сравнительной. Измерительная камера снабжена фильтром для очистки газа от загрязнений – рис. 4.2. В камерах размещаются две платиновые спирали – измерительная и эталонная, включенные в мостовую схему. Исследуемая проба газа диффундирует в измерительную камеру, в которой находится спираль, нагретая до температуры на 40 – 100 ºС выше температуры окружающей среды. Спираль в эталонной камере с воздухом находится в том же тепловом режиме. ТКС платины αR = 3,8∙10-3 K-1.
Изменение сопротивления измерительной спирали относительно эталонной контролируется мостовой схемой с высокой точностью, например, водород контролируется с точностью до ± 0,1 %, а диоксиды углерода и серы – до ±1 %.
Достоинствами термокондуктометрических датчиков являются универсальность, широкий диапазон измеряемых концентраций газов, отсутствие реакций газов с чувствительным элементом.
Рис. 4.2. Схема термокондуктометрического датчика
4.2.2. Термохимическая (каталитическая) ячейка
Термохимическая ячейка содержит две одинаковые измерительные спирали из платины, одна из которых покрыта слоем активного катализатора (например, палладия). Обе спирали включены в измерительный мост – рис. 4.3.
Рис. 4.3. Схема каталитической ячейки для контроля содержания горючих газов
Горючий газ, поступивший в измерительную ячейку, сгорает на спирали с катализатором, повышая температуру спирали и ее сопротивление, что приводит к разбалансу моста, величина которого пропорциональна концентрации горючего газа в воздухе. Чувствительность датчика довольно высока: СО обнаруживается в концентрациях около 10-4 % в воздухе, чувствительность к метану имеет близкое значение.
Термохимический ячейки недороги, надежны в работе, имеют хорошую чувствительность для измерения ПДК горючих газов. Область применения: контроль содержания угарного газа (СО) в гаражах, туннелях, подводных лодках; контроль содержания метана и бытового газа в шахтах, на трассах газопроводов, в больницах, универмагах, школах. Недостатком датчиков является невозможность анализа смесей нескольких газов, ограниченность их применения только для горючих газов.
4.2.3. Конструкция и параметры топливных элементов
Схема устройства топливного элемента приведена на рис. 4.4. Внешний корпус измерительной ячейки – пластмасса, проницаемая для контролируемых газов. Между электродами находится жидкий или твердый электролит. Датчики контроля кислорода в выхлопных газах автомобилей применяются для регулировки и оптимизации режимов работы двигателей, для контроля полного сгорания топлива. Контроль ПДК кислорода в воздухе используется в шахтах, рудниках, в колодцах систем водоснабжения и газораспределения. Недостатком датчиков является невозможность контроля нейтральных газов.
Рис. 4.4. Схема топливной ячейки
4.2.4. Конструктивные и технологические особенности твердотельных датчиков газов
Схема полупроводникового газового датчика приведена на рис. 4.5. Датчик содержит токовые электроды для измерения сопротивления газочувствительного слоя, нагреватель для достижения температуры максимальной адсорбции контролируемого газа и для нагрева датчика до температуры десорбции, а также термометр для контроля температуры. Лидером в области серийно выпускаемых полупроводниковых датчиков газов является Япония. Фирма Figaro выпускает широкий класс датчиков типа TGS (Тагучи газовый сенсор), состоящих из керамического трубчатого основания, выдерживающего нагрев до 500 ºС, двух электродов из Pt, между которыми наносится полупроводниковый оксид металла – газочувствительный слой. Внутри керамического основания размещен спиральный нагреватель, задающий рабочую температуру датчика. При взаимодействии газа с газочувствительным слоем поверхностное сопротивление последнего изменяется пропорционально концентрации контролируемого газа и измеряется с помощью мостовой схемы. Датчик размещается в пластмассовом или керамическом корпусе диаметром 20 мм с шестью выводами и защищен сеткой от механических повреждений. Все датчики TGS включаются по сходной электрической схеме: напряжение на нагревателе 5 В, на чувствительном элементе – 24 В, нагрузочное сопротивление – 4 кОм, рассеиваемая мощность – 1,5 – 3 Вт. Измерение электрического сигнала осуществляется по мостовой схеме. Масса прибора с блоком питания до 1 кг. На рис. 4.6 приведена характеристика чувствительности датчика TGS к различным газам.
.
Рис. 4.5. Схема полупроводникового датчика газов
По технологии изготовления чувствительных элементов твердотельных датчиков различают керамическую технологию, тонко- и толстопленочную технологию.
Перспективно использование в качестве датчиков газов диодов Шоттки, полевых транзисторов и других приборных структур. В конструкцию прибора включается газочувствительный элемент, слой или более сложная структура. МДП-структуры, металлический электрод которых выполнен из переходных металлов (Pd, Pt, Ni), меняют свой характеристики под воздействием газов. Преимуществом таких приборов является высокая чувствительность и возможность работы при низких температурах (до 120 ºС). Недостаток – высокая чувствительность к влажности.
Рис. 4.6. Чувствительность датчика TGS к различным газам