Патент на изобретение №2360238

(54) ДАТЧИК ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ

(57) Реферат:

Изобретение может быть использовано для определения содержания бензола, гексана, циклогексанона, циклогексанола в области рабочей зоны для контроля лабораторных загрязнений. Датчик для определения лабораторных загрязнений выполнен на основе кварцевого резонатора с мезогенным полиморфным покрытием, находящимся в жидкокристаллическом состоянии. В качестве покрытия кварцевого резонатора используется: 4-н-амилфенилового эфира 4′-н-гексилокси-фенилциклогексан-2-карбоновой кислоты; 4-н-амилфенилового эфира 4′-н-гептилокси-фенилциклогексан-2-карбоновой кислоты; 4-н-амилфенилового эфира 4′-н-октилокси-фенилциклогексан-2-карбоновой кислоты; 4-н-амилфенилового эфира 4′-н-нонилокси-фенилциклогексан-2-карбоновой кислоты. Изобретение обеспечивает повышение селективной чувствительности датчика на основе кварцевого резонатора к присутствию паров органических растворителей и уменьшение энергопотребления. 6 табл., 6 ил.

Изобретение относится к технике газового анализа и может быть использовано, например, для определения содержания бензола, гексана, циклогексанона, циклогексанола в области рабочей зоны для контроля лабораторных загрязнений.

Известны термокаталитические, оксидно-полупроводниковые, полупроводниковые и электрохимические сенсоры на основе полимерных материалов, имеющие высокую чувствительность к измеряемым веществам [1]. Термокаталитические и оксидно-полупроводниковые сенсоры имеют низкую селективность и требуют дополнительной энергии для нагрева чувствительного слоя. Сенсоры амперометрического типа нуждаются в подогреве рабочего слоя обычно до 600°С и при 24 или 5-12 вольтах и токе 0.4-2 А соответственно потребляют до 1000 мВт [1, 2].

Высокая температура, необходимая для работы их анализаторов, является существенным недостатком их эксплутационных характеристик.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является датчик для измерения влажности газов, включающий пьезокварцевую пластину с полимерной пленкой на основе капрона [3]. Это датчики влажности газов, содержащие чувствительный элемент, выполненный в виде кварцевой пластины с электродами, покрытыми слоем вязкого вещества, полученного из 1-10% раствора капрона в муравьиной кислоте [3-6]. Данный сорбент используется для фиксирования наличия водяных паров в области рабочей зоны. Измеряемой величиной является отношение R/ (где – влажность) Ом на % относительной влажности [3-6]. Он не обладает необходимой чувствительностью к парам указанных выше легколетучих растворителей.

В датчике применяются кварцевые резонаторы (КР) среза ДТ (xyl/-52) с соотношением ширины к длине l_m/l_o=0,38÷0,41 (l_о=1,559·10^-2 м, l_m=6,18·10^-3 м, толщина KP l_d=3,8·10^-4÷6,5·10^-4 м, плотность кварца =2650 кг/м³, при толщине металлизированных электродов h2·10^-4 м). При таком срезе пьезоэлемент имеет колебания сдвига по контуру.

Целью изобретения является повышение селективной чувствительности датчика на основе кварцевого резонатора к присутствию паров органических растворителей (таблица 1) при помощи тонкого жидкокристаллического (ЖК) покрытия, находящегося в определенном фазовом состоянии, и уменьшение энергопотребления, свойственного амперометрическим датчикам.

Предложенный датчик состоит из жидкокристаллического сорбента, нанесенного (из 5% раствора хлороформа) на поверхность электродов пьезоэлектрической пластинки кварцевого резонатора слоем в 30·10^-6 м, тем самым образуя сенсорное устройство.

В качестве селективного сорбента взяты 4 полиморфных ЖК соединения: 4-н-амилфенилового эфира 4-н-гексилокси-фенилциклогексан-2-карбоновой кислоты, (I); 4-н-амилфенилового эфира 4-н-гептилокси-фенилциклогексан-2-карбоновой кислоты, (II); 4-н-амилфенилового эфира 4-н-октилокси-фенилциклогексан-2-карбоновой кислоты, (III); 4-н-амилфенилового эфира 4-н-нонилокси-фенилциклогексан-2-карбоновой кислоты, (IV); (фиг.1). Для предложенных сорбентов характерно несколько видов мезофаз при соответствующих температурах (ниже температуры кипения воды, таблица 2).

Мера диссипации колебательной энергии кварцевого резонатора (KP) с пленкой сорбента является величиной, определяющей взаимодействие ЖК пленки сорбента с парами органических растворителей, и зависит от их концентрации в области рабочей зоны.

Датчик включается на резонансной частоте в цепь автогенератора, в котором с помощью пьезоэлектрического эффекта мера диссипации колебательной энергии системы KP – сорбент преобразуется в изменение электрического сигнала переменного тока, удобного как для усиления узкополосным резонансным усилителем, так и для последующего измерения. Наличие паров органических растворителей в области рабочей зоны определяет изменение электрического сигнала переменного тока от датчика, фиксируемое по регистрирующему прибору (например, стрелочному амперметру). Пьезокварцевая пластина может иметь резонансную частоту в пределах 0,05-3 МГц. На Фиг.2 показан пример конструкции пьезоэлектрического сенсорного датчика лабораторных загрязнений.

Датчик (Фиг.2) состоит из пьезопластины 1, металлических электродов 2 и сенсорного слоя 3, подогрев ячейки 4 не более чем до 70°С.

При подведении к электродам 2 высокочастотного напряжения резонансной частоты пьезокварцевая пластина 1 возбуждается и совершает механические колебания, которые передаются сенсорному веществу.

Для электрической цепи сенсорный датчик представляет собой эквивалентное сопротивление, величина которого будет изменяться при увеличении или уменьшении внутреннего трения сенсорного вещества в результате взаимодействия ЖК-пленки сорбента с парами органических растворителей.

Использование пьезокварцевой пластины позволяет обойтись без модулирующих устройств и источников стабилизированного постоянного напряжения, а также без сложных электрических усилителей.

Для численного представления чувствительности датчика к различной концентрации паров растворителей используется формула (1) относительного изменения сопротивления, где R₀ или R – значение сопротивления или потерь электрического сигнала, проходящего через колебательную систему чистого КР; R_Т – текущее значение сопротивления или потерь электрического сигнала, проходящего через колебательную систему КР – пленка в среде с определенной концентрацией паров легколетучих соединений; R – разность R₀-R_T.

В таблице 3 приведены значения концентрации паров растворителей для диаграмм на Фиг.3-6. В таблице 4 приведены значения минимальной чувствительности (на единицу потерь) датчика к определенной концентрации паров растворителей. Для различных фаз сенсорного ЖК покрытия датчика существует значение максимальной концентрации паров растворителей, при которой измерения перестают быть достоверными (табл.5).

Пример. Жидкокристаллическое соединение I (таблица 2, Фиг.1) наносят на поверхность КР (Фиг.2). В присутствии паров одного из растворителей (таблица 1) датчик имеет следующий отклик (Фиг.3 и таблица 6). При этом его чувствительность к парам исследованных растворителей указана в таблице 4. Максимальный различимый уровень концентрации приведен в таблице 4. Для соединений II-IV измерения проводятся аналогично, значения характеристик чувствительности приведены в тех же таблицах (4-6) и на Фиг.3-6. В предлагаемом нами датчике на основе КР были решены следующие технические задачи:

– датчик имеет достаточное быстродействие ~1 с;

– датчик малогабаритен ~1-2 см;

– датчик рассеивает при измерении мощность ~1 нВт;

– имеет чувствительность ~10 мг/м³.

ЛИТЕРАТУРА

1. Каталог продукции фирмы Figaro (wwvv.figarosensor.com).

2. Савченко В.Е. Устройство для измерения влажности газов, а.с. 131926. Бюл. 1960. 18.

3. Савченко В.Е. Устройство для измерения относительной влажности газов А.c. 168501. Бюл. 1965. 4.

4. Савченко В.Е. Грибова Л.К. Способ изготовления пьезокварцевого датчика влажности газов, патент 2035731. Бюл. 1995. 14.

5. Савченко В.Е. Датчик влажности газов, а.с. 230464. Бюл. 1968. 34.

6. Виглеб Г. Датчики. Устройство и применение. М.: 1989. С.196.

Таблица 1 Таблица названий легко летучих соединений
	Название аналита	Р насыщенных паров, мм рт.ст.
1a	Циклогексанол	1,2
2а	Циклогексанон	4,4
3а	Гексан	120
4а	Бензол	78,4
Таблица 2 Температуры фазовых переходов соединений IV-VII
	Cr	Тфп	Sm	Тфп	N	Тфп	I
I		39.3°С		54.2°С		66.1°с
II		34.8°С		61.8°С		64.7°С
III		43.9°С		63.3°С		65.3°С
IV		55.1°С		–	–	66.1°С

Таблица 5 Минимальная чувствительность датчика к концентрации, кг/м3

соединения

I

II

III

IV

растворители

Sm

N

I

Sm

N

I

Sm

N

I

Sm

I

Циклогек-нол

6,5·10-5

9·10-9

8,3·10-9

1,5·10-8

7·10-9

7,4·10-9

4,7·10-8

7,7·10-9

9·10-9

4,2·10-8

6·10-8

Циклогек-нон

4,6·10-6

6·10-6

4,9·10-6

1,4·10-5

4,5·10-6

4,8·10-6

1,6·10-5

4·10-6

4,6·10-6

8,7·10-6

5,5·10-6

гексан

4,4·10-6

2·10-6

1,7·10-6

3·10-6

1,9·10-6

1,9·10-6

5,8·10-6

1,7·10-6

1,5·10-6

2,7·10-6

1,8·10-6

бензол

1,7·10-9

6·10-10

5·10-10

1·10-9

5·10-10

5·10-10

2,5·10-9

4,7·10-10

5,4·10-10

6·10-10

5·10-10

Таблица 6 Относительное изменение энергетических потерь (R/R), возникающее присутствием паров различных соединений

Sm

N

I

Sm

N

I

Sm

N

I

Sm

I

I

8,34

6,43

6,97

II

4,05

6,10

7,17

III

3,79

7,87

8,03

IV

3,88

3,07

1а+II

7,83

6,53

7,50

1а+II

4,68

7,52

7,15

1a+III

2,82

6,91

6,18

1a+IV

2,72

2,51

2а+II

4,38

7,17

8,17

2а+II

4,09

8,53

8,09

2а+III

3,69

8,61

8,11

2a+/V

4,26

5,62

3а+II

3,73

7,17

8,00

3а+II

5,08

7,23

6,97

3а+III

3,83

8,32

9,00

За+IV

4,81

6,21

Формула изобретения

Датчик на основе кварцевого резонатора для определения загрязнений в рабочей зоне, отличающийся тем, что для расширения области чувствительности к парам органических соединений использовано мезогенное полиморфное покрытие кварцевого резонатора, находящееся в жидкокристаллическом состоянии, где в качестве покрытия кварцевого резонатора используются 4-н-амилфенилового эфира 4′-н-гексилокси-фенилциклогексан-2-карбоновой кислоты; 4-н-амилфенилового эфира 4′-н-гептилокси-фенилциклогексан-2-карбоновой кислоты; 4-н-амилфенилового эфира 4′-н-октилокеи-фенилциклогексан-2-карбоновой кислоты; 4-н-амилфенилового эфира 4′-н-нонилокси-фенилциклогексан-2-карбоновой кислоты.

РИСУНКИ