Устройство для контроля газовой среды
Полезная модель относится к газоаналитическому приборостроению и микроэлектронике и может быть использована при конструировании газоанализаторов, предназначенных для детектирования и измерения концентрации газов в воздухе. Технической задачей, на решение которой направлена предложенная полезная модель, является сокращение времени, повышение достоверности и производительности измерений, выполняемых устройством, по идентификации компонентов газовой смеси при анализе состава многокомпонентных газовых смесей по энергии активации молекул, взаимодействующих с поверхностью твердого тела за счет обеспечения возможности проведения синхронных измерений. Поставленная техническая задача решается тем, что в устройстве для контроля газовой смеси в устройстве для контроля газовой среды, включающем блок питания, систему напуска анализируемой газовой среды, микроконтроллер, управляющий температурным режимом в процессе измерения, вакуумную измерительную камеру, содержащую, элемент Пельтье, на рабочей поверхности которого установлены датчик температуры и газовый сенсор, включающий газочувствительный слой с контактами, сформированный в виде модифицированной ионной имплантацией аргона структуры на поверхности высокоомной полупроводниковой подложки, зарядочувствительный усилитель, соединенный с газовым сенсором, согласно предложенной полезной модели, элемент Пельтье выполнен, по меньшей мере, двухкаскадным, на рабочей поверхности каждого каскада установлен газовый сенсор и датчик температуры, зарядочувствительный усилитель выполнен многоканальным, количество каналов зарядочувствительного усилителя соответствует количеству газовых сенсоров, устройство снабжено блоком управления и обработки данных с аналого-цифровым преобразователем и дискретными каналами ввода-вывода и блоком исполнительных реле для переключения режимов работы устройства. Предложенное устройство обеспечивает одновременную адсорбцию/десорбцию атомов и молекул анализируемых газов газочувствительными слоями, находящимися при различных температурах, что позволяет сравнивать спектры электрофлуктуационных сигналов, полученных при этом, используя более совершенную методику идентификации анализируемых газов.
Полезная модель относится к газоаналитическому приборостроению и микроэлектронике и может быть использована при конструировании газоанализаторов, предназначенных для детектирования и измерения концентрации газов в воздухе.
Известен газоанализатор, содержащий блок питания, побудитель расхода газа, по крайне мере один газочувствительный датчик, блок обработки и передачи информации с аналого-цифровым преобразователем, и микроконтроллер, управляющий температурным режимом датчика, в котором микроконтроллер позволяет циклически изменять и поддерживать температуру чувствительного слоя полупроводникового датчика путем изменения подаваемого на его нагреватель регулируемого напряжения и осуществлять непрерывное измерение проводимости чувствительного слоя датчика с последующей обработкой полученных данных, в результате чего получают значения концентраций каждого газа анализируемой газовой смеси. Газоанализатор дополнительно содержит цифровой индикатор концентрации газа, световую и звуковую сигнализации и панель управления. (Патент РФ на полезную модель 
70992, МПК G01N 27/00, опубл. 2008.02.20)
Контроль газовой среды с использованием известного газоанализатора осуществляют путем непрерывного измерения проводимости чувствительного слоя датчика с последующей обработкой полученных данных, при этом циклически изменяют температуру сенсора в измерительном цикле. Принудительный нагрев и охлаждение сенсора производят путем подачи на нагреватель датчика напряжения, пропорционального требуемой температуре сенсора, которую задают величиной переменного сопротивления в сравнительном плече моста, в который включен нагреватель сенсора. Изменение температуры производят плавно с высокого уровня нагрева (450°С) на низкий (100°С), по любому заданному закону (импульс прямоугольный, синусоидальный, пилообразный) при этом чувствительный слой сенсора охлаждается и проходит все температурные оптимумы (температуры оптимальной чувствительности) газов. Методика распознавания газообразных веществ в известном устройстве основана на измерении релаксационных токов проводимости полупроводника с адсорбированными на нем газообразными веществами при его охлаждении, поскольку энергия активации каждой газовой молекулы уникальна, то можно различать и идентифицировать разные молекулы, взаимодействующие с полупроводниковым чувствительным слоем датчика.
Недостатком известного устройства является низкая чувствительность к восстановительным газам.
Известно устройство для контроля газовой среды, включающее блок питания, систему напуска анализируемой газовой среды, микроконтроллер, управляющий температурным режимом, блок обработки данных с аналого-цифровым преобразователем, вакуумную измерительную камеру, содержащую, по меньшей мере, один газовый сенсор. Устройство снабжено излучателем и датчиком температуры, зарядочувствительным усилителем, соединенным с газовым сенсором, при этом газовый сенсор, излучатель и датчик температуры установлены на рабочей поверхности элемента Пельтье, а газовый сенсор включает газочувствительный слой с контактами, сформированный в виде модифицированной ионной имплантацией аргона структуры на поверхности высокоомной полупроводниковой подложки. (Патент РФ 79182, МПК G01N 27/00, G01N 27/12, опубл. 20.12.2008)
Недостатком известного устройства является необходимость проведения последовательности измерений при различных температурах при анализе состава многокомпонентных смесей с целью сканирования величин энергий активации адсорбированных на поверхности газочувствительного слоя молекул и сложность алгоритмов, которые требуются для идентификации компонент газовых смесей
Технической задачей, на решение которой направлена предложенная полезная модель, является сокращение времени, повышение достоверности и производительности измерений, выполняемых устройством, по идентификации компонентов газовой смеси при анализе состава многокомпонентных газовых смесей по энергии активации молекул, взаимодействующих с поверхностью твердого тела за счет обеспечения возможности проведения синхронных измерений.
Поставленная техническая задача решается тем, что в устройстве для контроля газовой смеси в устройстве для контроля газовой среды, включающем блок питания, систему напуска анализируемой газовой среды, микроконтроллер, управляющий температурным режимом в процессе измерения, вакуумную измерительную камеру, содержащую, элемент Пельтье, на рабочей поверхности которого установлены датчик температуры и газовый сенсор, включающий газочувствительный слой с контактами, сформированный в виде модифицированной ионной имплантацией аргона структуры на поверхности высокоомной полупроводниковой подложки, зарядочувствительный усилитель, соединенный с газовым сенсором, согласно предложенной полезной модели, элемент Пельтье выполнен, по меньшей мере, двухкаскадным, на рабочей поверхности каждого каскада установлен газовый сенсор и датчик температуры, зарядочувствительный усилитель выполнен многоканальным, количество каналов зарядочувствительного усилителя соответствует количеству газовых сенсоров, устройство снабжено блоком управления и обработки данных с аналого-цифровым преобразователем и дискретными каналами ввода-вывода и блоком исполнительных реле для переключения режимов работы устройства.
Технический результат, достижение которого обеспечивается реализацией всей заявленной совокупности существенных признаков, состоит в том, что обеспечивается синхронное измерения электрофлуктуационных спектров на газочувствительных элементах, находящихся одновременно в одной и той же анализируемой газовой атмосфере при постоянном или переменном газовом потоке, облучении газочувствительных слоев видимым светом, воздействию на слои электромагнитных полей (по мере необходимости), что позволяет сократить время анализа за счет одновременной регистрации электрофлуктуационных сигналов газочувствительных элементов, повысить достоверность измерений.
Предложенное устройство обеспечивает одновременную адсорбцию/десорбцию атомов и молекул анализируемых газов газочувствительными слоями, находящимися при различных температурах, что позволяет сравнивать спектры электрофлуктуационных сигналов, полученных при этом, используя более совершенную методику идентификации анализируемых газов.
Полезная модель иллюстрируется рисунком, где
на фиг.1 представлено схема заявляемого устройства;
на фиг.2 структура газового сенсора на основе кремния.
на фиг.3 представлена конструкция двухкаскадного элемента Пельтье.
На фиг.1 указаны следующие позиции:
1 - газовый сенсор 1;
2 - газовый сенсор 2;
3 - светодиоды;
4 - датчики температуры;
5 - двухкаскадный элемент Пельтье;
6 - зарядочувствительные усилители;
7 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
8 - блок управления;
9 - исполнительное устройство;
10 - микроконтроллер, управляющий температурным режимом в процессе измерения;
11 - источник питания элемента Пельтье;
12 - источник питания и управления светодиодами;
13 - реле вакуумное;
14 - клапан напуска;
15 - вакуумный насос;
16 - вакуумная измерительная камера;
17 - анализируемый газ
Блок исполнительных реле для переключения режимов работы устройства включает: исполнительное устройство 9, реле вакуумное 13.
Блок питания включает источники питания элемент Пельтье 11, светодиодами 12.
На фиг.3 указаны следующие позиции:
18 - корпус;
19 - кольцо установочное;
20 - цоколь монтажный;
21 - элемент Пельтье 2-х каскадный;
22 (1) - сенсор кремниевый газовый 1-й каскад охлаждения;
22 (2) - сенсор кремниевый газовый 2-й каскад;
23 (1) - термосопротивление Pt 1-й каскад;
23 (2) - термосопротивление Pt 2-й каскад;
24 - прокладка изолирующая;
25 - пластина металлическая;
26 - винт из диэлектрика;
27 - вентилирующее отверстие;
28 - выводы электрические;
29 - уплотнение вакуумное витоновое.
Предложенное устройство работает следующим образом.
Измерительный цикл в устройстве состоит из несколько этапов: очистка газочувствительного слоя газового сенсора, установка температуры для проведения измерений, напуск пробы с одновременным измерением электрических флуктуаций на двух газочувствительных сенсорах, находящихся в одном объеме при разных температурах.
Очистка газочувствительного слоя сенсора производится путем нагрева сенсора до температуры 60°С, в вакууме, в течение некоторого времени tн , необходимого для восстановления физико-химической структуры газочувствительного слоя. Время и температура восстановления могут меняться в зависимости от состава исследуемой среды и параметров сенсора.
Установка температуры для проведения измерений осуществляется с помощью контроллера температуры, управляющего напряжением, подаваемым на элемент Пельтье. При этом сенсор, расположенный на втором каскаде охлаждается до температуры Т уст., а сенсор, расположенный на первом каскаде до температуры Туст.-
Т, где Т - определяется физическими принципами работы двухкаскадного элемента Пельтье, его конструктивными особенностями, и четко известен для каждого значения температурной уставки Туст .
Напуск пробы с одновременным измерением электрических флуктуаций на двух газочувствительных сенсорах, находящихся в одном объеме при разных температурах. Измерение электрических флуктуаций газового сенсора проводится непрерывно в течение времени Т с целью получения данных для построения спектра шумового сигнала с частотой дискретизации df=1/T. Наиболее чувствительной областью спектра, реагирующей на присутствие адсорбента на поверхности газочувствительного слоя, является низкочастотная часть спектра (не выше 20 Гц). Критерием для окончания измерений и начала обработки полученных результатов может служить либо заданное заранее количество реализаций, по которым производится усреднение спектров, либо среднеквадратичное отклонение усредненных спектров, полученных на текущей и предыдущей измерительной итерации.
Распознавание состава газовой среды производится на основании данных, полученных при совместной обработке спектров шумового сигнала измеренного на двух газочувствительных сенсорах, усредненных по результатам N измерений.
Решение о присутствии того или иного компонента в анализируемой среде принимается на основании сравнения результата полученного при спектральной обработке сигналов с сенсоров и данных библиотеки фликкер-шумовых признаков различных газов. В процессе измерения одновременно параллельно регистрируются флуктуационные токовые спектры, генерируемые на различных датчиках, находящихся при различных температурах. Тем самым исключается необходимость проведения последовательности измерений таких спектров при различных температурах в разные моменты времени, что позволяет сократить время анализа, повысить достоверность измерений.
1. Устройство для контроля газовой среды, включающее блок питания, систему напуска анализируемой газовой среды, микроконтроллер, управляющий температурным режимом в процессе измерения, вакуумную измерительную камеру, содержащую элемент Пельтье, на рабочей поверхности которого установлены датчик температуры и газовый сенсор, включающий газочувствительный слой с контактами, сформированный в виде модифицированной ионной имплантацией аргона структуры на поверхности высокоомной полупроводниковой подложки, зарядочувствительный усилитель, соединенный с газовым сенсором, отличающееся тем, что элемент Пельтье выполнен, по меньшей мере, двухкаскадным, на рабочей поверхности каждого каскада установлен газовый сенсор и датчик температуры, зарядочувствительный усилитель выполнен многоканальным, количество каналов зарядочувствительного усилителя соответствует количеству газовых сенсоров.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что снабжено блоком управления и обработки данных с аналого-цифровым преобразователем и дискретными каналами ввода-вывода и блоком исполнительных реле для переключения режимов работы устройства.
