газоаналитическая мультисенсорная система на основе

ГАЗОАНАЛИТИЧЕСКАЯ МУЛЬТИСЕНСОРНАЯ СИСТЕМА НА ОСНОВЕ
ТЕРМОКАТАЛИТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ
Лашков А.В., Сысоев В.В.
кафедра ФИЗ
В настоящее время все большую актуальность приобретает разработка
газоаналитических приборов индивидуального применения для обеспечения химической
безопасности, решения задач медицины и экологии. Традиционные приборы, спектрометры
различного вида, хроматографы и пр., имеют высокую стоимость, требуют длительного
времени для проведения анализа и квалифицированный персонал для обслуживания.
Поэтому большой интерес вызывают разработки газовых сенсоров и устройств, имеющих
доступную цену и удобство в использовании. Наиболее значимые успехи были достигнуты
при объединении сенсоров в линейки, которые часто называются мультисенсорными
системами. В этом случае анализ газовых сред возможен через
обработку векторных сигналов таких систем методами
распознавания образов 1.
При построении мультисенсорных систем наибольшее
распространение получили полупроводниковые хеморезисторы.
Однако не исключается возможность использования и других
типов сенсоров. В частности, одним из наиболее дешевых типов
датчиков является термокаталитический.
В этих датчиках чувствительный элемент состоит из пары
платиновых спиралей, включенных в измерительный мост.
Платиновая спираль покрывается керамикой, например, из оксида
алюминия, образуя, так называемый, пеллистор (pellistor). Один
из пеллисторов покрывается слоем палладиевого или родиевого
катализатора (Рис. 1), в то время как второй остается без
катализатора 2.
Действие термокаталитического датчика основано на том,
что при попадании горючих газов на поверхность катализатора
происходит реакция адсорбированного газа с кислородом,
поступающим из воздуха, в результате чего выделятся тепловая
энергия, повышающая сопротивление пеллистора покрытого
катализатором. Сопротивление второго пеллистора не изменяется
в присутствии газа, в результате чего происходит разбалансировка
моста. Сопротивление прямым образом зависит от вида газа и его
РИС. 1.
концентрации в окружающей среде.
В настоящей работе была проведена оценка возможности Термокаталитический
построения
мультисенсорных
устройств
на
основе датчик
термокаталитических датчиков.
Исследование воздействия газа на линейку из десяти термокаталитических сенсоров
проводилось с помощью лабораторной установки, включающей в себя следующие основные
компоненты (Рис. 2): 1) баллон с калиброванной газовой смесью; 2) персональный
компьютер; 3) поплавковый ротаметр; 4) камеру с размещенными термокаталитическими
датчиками; 5) источник питания. Измерение сенсорных сигналов обеспечивалось
многоканальным устройством измерения напряжений, управляемым с помощью
персонального компьютера. Этот же компьютер использовался для сбора и обработки
сенсорных сигналов. Для поддержания постоянного потока тестовых газов при подаче на
сенсоры применялся ротаметр. Для формирования газовых смесей в эксперименте
использовались три калиброванные смеси газов с искусственным воздухом: метан
(концентрация 6900 ppm), пропан (концентрация 4300 ppm), оксид углерода (концентрация
61,5 ppm).
РИС. 2. Фотография лабораторной установки для исследования
отклика мультисенсорной линейки: 1 – баллон с калиброванной газовой
смесью; 2 – персональный компьютер; 3 – поплавковый ротаметр; 4 –
камера с размещенными термокаталитическими датчиками; 5 –
источник питания
Датчики, используемые в исследовании, были изготовлены на НПЦ «Газотрон-С» 3.
На Рис. 3 представлены результаты воздействия различных газов на измеряемое
напряжение сенсоров мультисенсорной линейки. Как видно из рисунка, величина
напряжения во всех сенсорах зависит от вида газа.
РИС. 3. Изменение сигнала сенсоров под воздействием СН4 концентрацией 6900
ppm, С3Н8 - 4300 ppm, СО - 61,5 ppm
На примере откликов 2-го и 3-го сенсоров видно, насколько может быть различна
реакция сходных по начальному сопротивлению пеллисторов. Это связанно с технологией
производства термокаталитических датчиков. Одним из наиболее важных факторов,
определяющих функциональные свойства пеллисторов, является керамическая обмазка, в
частности ее пористость. В образцах, у которых пористость различна, последующее
нанесение катализаторов приводит к различиям в пропитке (Рис. 4). В результате,
чувствительность пеллисторов к воздействию газа варьируется от образца к образцу. Таким
образом, сенсоры с бóльшей глубиной пропитки имеют более высокую чувствительность к
воздействию горючих газов.
В результате, даже следуя одному и тому же технологическому процессу,
термокаталитические датчики из одной партии имеют различные характеристики, что
позволяет построить на их основе мультисенсорные линейки и провести селективную
идентификацию газов.
(a)
(b)
РИС. 4. Фотографии разлома керамической обмазки
двух пеллисторот изготовленных по одинаковой
технологии (a,b). Глубина пропитки пеллисторов – h.
Область пеллистора, пропитанная катализатором,
окрашена в черный цвет
Полученные с сенсоров данные были обработаны алгоритмами распознавания образов.
После
обработки
данных
линейнодискриминантным методом было построено
соответствующее фазовое пространство (Рис.
5) 4. Сенсорные сигналы к одному газу
группируются в этом пространстве в виде
кластера.
Принадлежность
векторных
значений к одному из кластеров определяет, к
какой смеси относится детектируемый газ.
Эвклидово расстояние между центрами
кластеров воздуха и газовых смесей
составляет 28,9 ед (метан), 57,9 ед (пропан),
18,1 ед (оксид углерода).
Полученные в ходе обработки данных
результаты
показывают
возможности
применения линеек термокаталитических
датчиков для распознавания газового состава
окружающей среды. Показано, в частности,
5.
Результат
обработки
что возможна селективная идентификация РИС.
векторных
сигналов
мультисенсорной
воздействия пропана, метана и СО, которые
термокаталитических
селективно не распознаются индивидуальным линейки
датчиков
с
помощью
линейнодатчиком.
дискриминантрного анализа
Следует отметить, что низкая чувствительность пеллисторов существенно
ограничивает их применение, главным образом, анализом горючих газов. Для расширения
номенклатуры детектируемых газов возможно применение новых каталитических добавок,
способных повысить чувствительность сенсоров.
Список литературы
[1] Сысоев В.В. Мультисенсорные системы распознавания газов типа «электронный нос»:
краткий обзор литературы / В.В. Сысоев, Ю.А. Зюрюкин // Вестник СГТУ. - 2007.- № 2
(24). - Вып. 1. - C. 111-119.
[2] Рязанов А.В. Чувствительные элементы на основе литого микропровода / А.В. Рязанов,
А.Н. Докичев // Датчики и системы. – 2007.-№11. – С. 42-45.
[3] www.gazotron.ru
[4] Scott S.M. Data analysis for electronic nose systems: review / S.M. Scott, D. James, Z. Ali //
Microchim. Acta. – 2007.- № 156. – P. 183–207.