Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Сенсори вологості на метал-оксидах. Наведіть еквівалентну електричну схему для контакту гранула–гранула–електрод для адсорбції води. Сенсорний метод контролю процесів горіння




Сенсори провідності порошкового типу та плівкового типу на метал-оксидах. Пелістор (сенсор Тягучі). Які виміри використовуються для визначення концентрації адсорбованих молекул кисню та редокс – газу?

Сенсори провідності порошкового типу. Одним із найпоширеніших методів формування метал-оксидних сенсорів є пресування порошку цього матеріалу з наступним термічним відпалом. Це так звані керамічні сенсори. При високих температурах електропровідність у таких матеріалах можна вивчати в моделі тісного електричного контакту між гранулами порошку (рис. 2.4). Модель утворення контактів типу Шотткі між гранулами справедлива, коли дебаївська довжина екранування LD менше радіуса гранули LD<r.

Для виникнення умов протікання електричного струму електрони мусять рухатися від гранули до гранули. Проте кожна гранула має поверхневий бар'єр (збіднену область) на поверхні, і тому електрони повинні мати відповідну активаційну енергію для надбар'єрного проходження, що дорівнює висоті цього потенціального бар'єра eψS. Висота потенціального бар'єра збільшується при адсорбції кисню й зменшується при адсорбції редукованих молекул. Висота потенціального бар'єра буде визначати поверхневу концентрацію електронів ns і, відповідно, поверхневу провідність.

Якщо припустити, що всі гранули однакові й контактна площа між гранулами пропорційна G0, то:

(2.24)

 

Рис.2.4. Бар'єри на міжгранульному контакті в пресованому порошку. Три гранули з адсорбованим киснем утворюють поверхневу збіднену область. Ці збіднені шари викликають високий контактний опір. Внизу – відповідна зонна модель для кількісного аналізу переносу електронів над поверхневим бар'єром

Чутливість сенсора визначають як відношення логарифму опору R до логарифму тиску газу, де , A – константа:

(2.25)

де парціальний тиск PR, пропорційний концентрації газу [R]. Взявши цю похідну знаходимо, що (2.26) де a=k-1Ns, b=A(k1[O2]‑k2Ns).

Таким чином, у загальному випадку чутливість сенсора залежить від концентрації (парціального тиску) кисню та редукованого газу (2.26). Сенсори, побудовані за цим принципом, використовуються, наприклад, для вимірювання відношення концентрацій повітря/паливо у вихлопах автомобілів, алкоголю та альдегідів.

Сенсори провідності плівкового типу.

Прикладом сенсора провідності плівкового типу є так званий сенсор Тагучі або пелістор (рис. 2.8). У ньому золоті електроди нанесені на невелику керамічну трубку, паста напівпровідника наноситься ззовні трубки. До складу пасти, крім метал-оксиду SnO2 входять добавки металевих чи оксидних каталізаторів. За допомогою нагрівального елементу в центрі трубки створюється температура, оптимальна для максимальної чутливості сенсора до певного газу. Задля більшої точності вимірювання опору проводять за 4-електродною схемою.

 

Рис. 2.8. Сенсор Тагучі (патент компанії Фігаро, Японія, 1974): керамічна трубка з нанесеною пастою SnO2 + Pd ззовні та нагрівачем усередині Рис. 2.9. Відносна зміна провідності сенсора (плівка SnO2 з каталізатором Sb) залежно від температури в атмосфері 1000 ppm редокс-газів C2H5OH, CO, H2, CH4

Такі сенсори створюють також при використанні інших метал-оксидних напівпровідників – WO3, Fe2O3, LaCrO3, CoO, TiO2, NiO, Nb2O3, In2O3. Як каталізатори використовують благородні метали, оксиди перехідних металів та ін. Залежно від температури процес хімадсорбції на поверхні сенсора відбувається з відповідною швидкістю. Чутливість до визначеного газу може контролюватися вибором напівпровідника, каталізатора та робочої температури (рис. 2.9). Чутливість промислових SnO2 сенсорів до органічних газів становить: 11 ppm (CH3SH), 1000 ppm (H2), 4000 ppm (C2H4, C3H8), 4400 ppm (CO), 10000 ppm (C2H5OH, SO2), 20000 ppm (C2H6, C4H10), 40000 ppm (CO2).

Наприклад, при постійному парціальному тиску кисню та робочій температурі, експериментальні залежності між провідністю та парціальним тиском моногазу добре апроксимуються залежністю:

(2.27)

де γ – постійна, яка залежить від матеріалу, Pgas – парціальний тиск газу, m – стала, яка характеризує чутливість напівпровідника до адсорбції даного типу молекул. Якщо монокристалічний шар напівпровідника повністю збіднений електронами, то для адсорбції СО (у присутності сталого тиску кисню) величина m = 1/2. Проте для полікристалічних тонких плівок метал-оксидів (SnO2 з каталізатором Bi2O3, Т = 723 К), величина m=1/3 для адсорбції Н2, СО та СН4 в області концентрацій 102–104 ppm.

Електричні сенсори вологості на метал-оксидах мають задовольняти такі вимоги: діапазон вимірювання вологості – від десятків ppm до 100 % вологості, зміна опору сенсора від 102 до 107 Ом, невеликий гістерезис, час відповіді – у межах кількох хвилин, мала ціна, висока надійність і довготривалість роботи.

Типові сенсори вологості створюють на метал-оксидній кераміці, яку отримують шляхом розпилення метал-оксиду та наступного термічного відпалу при Т = 1100–1200 0С протягом кількох годин. Механізм чутливості визначається типом матеріалу метал-оксиду та парціальним тиском пари води. При великому тиску пари води чутливість сенсора пояснюється зміною об'ємного чи поверхневого електричного опору завдяки іонній провідності, викликаній фізичною адсорбцією молекул води. У деяких сенсорах можлива зміна електронної провідності, яка індукується хімічною адсорбцією при приблизно кімнатних температурах. При малих концентраціях води провідність може змінюватись з парціальним тиском пари води як G~ P1/2H2O (недисоціативна адсорбція води), G~ P1/3H2O (дисоціативна адсорбція), і G~ P1/3H2O (дисоціативна адсорбція).

Рис. 2.5. Структура сенсора вологості TiO2+SnO2 дискового типу (а), сенсор вологості з гребінчастими електродами на поверхні чутливого шару (б)

Іонні метал-оксиди схильні до формування шару гідрофільних гідроксильних груп у вологій атмосфері, що веде до хімадсорбції молекул води на поверхні метал-оксиду через певний час роботи. При цьому опір сенсора зростає, і прилад перестає буди чутливим до вологи. Для того, щоб відновити роботу сенсора, необхідно його прогріти до Т = 500 0С.

Рис.2.6.Залежність опору структури гребінчастого типу від відносної вологості: 1 – початкова, 2 – після 500 год роботи при Т = 35 0С та 80 % вологості, 3 – після прогрівання при Т = 450 0С протягом 5 хв Рис. 2.7. Еквівалентна схема для контакту гранула-гранула-електрод  

На рис. 2.5 показано можливі структури таких сенсорів. Чутливий до вологи шар (кераміка TiO2 + SnO2) може знаходитися під, над або між провідними електродами (сандвіч-структура, рис. 2.5, а). Оскільки в сенсорах використовується принцип зміни іонної провідності води, яка зазвичай досить мала, то для зменшення опору структури металеві електроди часто роблять гребінчастого типу, – це так званий трансдьюсер гребінчастого типу чи IDT електроди (interdigital transducer) (рис. 2.5, б).

На рис. 2.6 показано типову залежність опору від відносної вологості. Після 500 год роботи сенсора спостерігається значне зростання опору, проте навіть короткочасний прогрів при Т = 450 0С відновлює характеристики сенсора. Для сенсорів дискового типу різниця між кривими А та В значно менша. Частота роботи сенсора: 0–10 МГц. Типовий час відповіді сенсора – кілька хвилин.

Еквівалентна електрична схема такого сенсора досить складна і включає кілька опорів та ємностей: поверхневу іонну провідність фізично адсорбованої води на поверхні (RB, CB), іонну провідність води як рідини, яка капілярно конденсувалася в горловині між гранулами (RN, CN), опір та ємність подвійного шару в інтерфейсі метал–вода (RE,CE), опори об'єму гранул (rB) і приконтактних областей металевий електрод – гранула (rE) та гранула – гранула (rN) (рис. 2.7).

Основним недоліком сенсорів, які використовують виміри залежності провідності від парціального тиску в пресованих порошках, є їх нестабільність та погана відтворюваність. Тому більш уживаними є металоксидні сенсори, створені за плівковою технологією.

Сенсорний метод контролю процесів горіння. Перші спроби створити газові сенсори для систем протипожежної безпеки базувалися на вимірюваннях концентрації СО, Н2 та СО2 і вуглеводневих газів, які утворювалися при горінні різних матеріалів (деревина, папір, бавовна), перегрівання трансформаторів тощо. Залежно від типу матеріалу, який горить, температури та кількості кисню в зоні горіння, можливі суттєві варіації продуктів розпаду. Наприклад, тліюче буре вугілля виділяє частково оксидовані газоподібні продукти, монооксид вуглецю, ненасичені вуглеводневі молекули, альдегіди, органічні кислоти та алкоголь, оскільки при тлінні не вистачає кисню для повного згоряння цих продуктів. Крім того, вугілля, яке перебувало кілька днів на повітрі, десорбує суттєву кількість метану; відбувається також процес холодного окиснення та адсорбція молекул води з атмосфери.

При підвищених температурах молекули води адсорбуються на вугільному пилу і можливий такий перебіг реакції:

(2.32)

Якщо немає каталізатора, то при не досить високих температурах завдяки високій активаційній енергії процесу (2.32) його ймовірність досить мала. Проте, якщо поверхня вугілля тліє при Т = 400 0С, то викидається велика кількість водню та СО

13. Поясніть принцип дії λ-сенсорів резитивного та потенціометричного типів.

Основна причина такого попиту на ці прилади – нові санітарні вимоги в розвинутих країнах щодо зменшення токсичних викидів автомобілів через неповне згоряння палива. Для двигунів внутрішнього згоряння необхідно оптимізувати парціальний тиск кисню та інших газів біля точки запалення горючої суміші, яка називається λ -точкою. Тому прилади, які вимірюють концентрацію O2, й отримали таку назву.

У резистивних λ -сенсорах співвідношення між провідністю та парціальним тиском кисню можна записати як:

(2.28)

де С – стала, Еа – активаційна енергія для об'ємної провідності. Величина чутливості m до кисню визначається типом дефектів, які беруть участь у електричній провідності. Якщо дефектами є двічі іонізовані вакансії кисню, то m = –1/6, якщо дефектами є вакансії металів, то величина чутливості буде іншою. Цікавою є поведінка сенсора на основі SrTiO2, який має різні механізми провідності в трьох областях концентрацій кисню. Зі збільшенням парціального тиску кисню m зростає від –1/6 до –1/4 і дорівнює +1/4 при РО2 =1атм, тобто при підвищенні парціального тиску кисню провідність спочатку зменшується, а потім починає збільшуватись.

У потенціометричних λ -сенсорах використовують твердотільний електроліт ZrO2, який має високу іонну та майже відсутню електронну провідність. Схему сенсора показано на рис. 2.10. У ньому відбувається рух (прокачування) іонів кисню O2- від катода до анода крізь твердотільний електроліт за рахунок прикладання зовнішньої напруги прокачування Up. Електричний струм Ip відповідає струму іонів O2-кисню і, відповідно, потоку молекул кисню ,які дифундують до катода з вихлопного газу:

(2.29) де F – стала Фарадея.

Рис. 2.10. Принцип дії λ -сенсора на основі ZrO2

Кисень з вихлопу направляється на катод крізь дифузійний бар'єр, який уповільнює потік молекул кисню до електрода. Тому дифузійний струм молекул кисню залежить від градієнта концентрації кисню уздовж дифузійного бар'єра, ефективного дифузійного перерізу S та ефективного коефіцієнта дифузії DO2:

(2.30)

Зі збільшенням напруги прокачування Up струм лінійно зростає відповідно до величини внутрішнього опору комірки (рис. 2.11, а). При цьому концентрація кисню на катоді зменшується до нуля і в результаті спостерігається насичення (обмеження) струму при напругах Up, вищих за порогову. Струм обмеження IL, який визначається з умови [O2]= 0 на

катоді пропорційний концентрації кисню в газах вихлопу [O2]:

(2.31) де L – ефективна дифузійна довжина.


 

Рис. 2.11. ВАХ (а) і вихідна характеристика сенсора: залежність струму обмеження від концентрації кисню λ -сенсора до та після калібровки приладу (б)

Якщо напруга Up>1В в області обмеження струму коли [O2]=0, то іони кисню утворюються за рахунок розриву зв'язків у молекулах Н2О та СО2. Подальше підвищення напруги Up, особливо за умов відсутності у вихлопному газі О2, Н2О та СО2, веде до часткового руйнування кераміки. Налагодження карбюратора за допомогою λ -сенсора (рис. 2.11, б) дозволяє підняти ефективність згоряння палива у двигуні (зменшити кількість кисню у вихлопі).





Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2015-01-03; Просмотров: 553; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



studopedia.su - Студопедия (2013 - 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление




Генерация страницы за: 0.03 сек.