ANDURID
GAASIANDURID
Gaasiandurite tootmiseks kasutatakse arvukalt füüsikalisi põhimõtteid. Nende üldiseks omaduseks on, et tundlik element taastub pärast seda, kui gaasi enam ei esine. Gaasiandurite tundlikud elemendid põhinevad suurele hulgale materjalidele ja tehnoloogiatele. Praktikas kasutatavate gaasiandurite põhimõttelised tüübid on esitatud joonisel 9.1.
Joonis 9.1 Gaasiandurite põhimõttelised tüübid [60]
Pooljuht-gaasiandurid
Metall-oksiid pooljuhtgaasiandurid
Metall-oksiid gaasiandurite tundlike materjalidena kasutatakse erinevaid metallioksiide, nagu SnO2, ZnO, Fe2O3, WO3, Co3O4 jne. Nende tööpõhimõte põhineb tundliku elemendi pinnapiirkonna elektrijuhtivuse suurenemisele imendunud gaasi tulemusena. Sõltuvalt tundliku kihi koostisest andur reageerib erinevatele gaasidele, nagu C2H5OH, CO, CH4, H2, O2 jne. Töötemperatuur on vahemikus 200оС kuni 500оС.
Metall-oksiid pooljuhtgaasiandureid toodetakse tööstuslikult >tina dioksiidialusel erinevate lisanditega. Nende tööpõhimõte on takistuse muutus gaasi esinemisel. Kui SnO metall-oksiidkihti kuumutada teatud temperatuuril õhus, siis hapnik adsorbeerub kristalli pinnale negatiivse laenguga. Tekkinud pinnapotentsiaal toimib elektronide läbimisel potentsiaalibarjäärina (joonis 9.2а).
Joonis 9.2 Metall-oksiid pooljuhtgaasianduri tööpõhimõte [60]
Elektrivool kulgeb anduris läbi SnO2 mikrokristallide ühendusosade (terade piiri). Adsorbeerunud hapnik moodustab potentsiaalibarjääri piki terade piiri, mis väldib elektronide vaba liikumist. Anduri elektriline takistus sõltub sellest potentsiaalibarjäärist. Redutseeriva gaasi olemasolul negatiivselt laetud hapniku pinnatihedus väheneb ja seega barjääri kõrgus terapiiril väheneb (joonis 9.2b). Vähenenud kõrgus vähendab ka anduri takistust. Nende protsesside kiirus ja pööratavus sõltuvad temperatuurist, mille juures tundlik element töötab. Metalloksiidanduritel on suur tundlikkus gaaside suhtes isegi madalatel kontsentratsioonidel, kuna anduri takistuse ja gaasi kontsentratsiooni vaheline sõltuvus on logaritmiline.
Kaasaegsed seda tüüpi andurid on toodetud:
- paksukihi tehnoloogiaga;
- õhekile tehnoloogiaga;
Alumiiniumoksiidist alusele kantakse plaatinakontaktid ja need kaetakse tundliku materjali kihiga. Aluse vastasküljele tekitatakse õhekile plaatina takistuskütteelement. Andur võib talitleda erinevatel viisidel, kuid levinuim on takistuse mõõtmine konstantsel temperatuuril. Teine viis on temperatuurimodulatsioon ja takistuse mõõtmine eri temperatuuridel. Seda tüüpi anduri tundlikkust saab parandada filtrite kasutamisega ja tundlikku elementi erinevate materjalide lisamisega.
Polümeer-pooljuht gaasiandurid
Tundlike elementidena kasutatakse ftalotsüaniinidele põhinevaid kihte. Neil on kõrge soojuslik ja keemiline takistus. Need kihid on p-tüüpi pooljuhid ja hapnikul on tugev mõju nende elektrijuhtivusele. Gaasi olemasolul pinnakihi laeng muutub. Anduri tundlikkus suureneb, kui kihtidesse lisatakse raskemetalle.
Katalüütilised gaasiandurid
Katalüütiliste gaasiandurite pinnal vabaneb soojust katalüütiliste reaktsioonide tulemusena. See soojus põhjustab gaasianduri temperatuurimuutuse, mida mõõdetakse temperatuurianduriga. Neid nimetatakse ka pelistorideks. Oksiidmaterjalist plaati on manustatud plaatinamähis. Tundlik oksiidmaterjal on kaetud poorse plaatina või pallaadiumkatalüsaatoriga. Mähis talitleb takistusliku temperatuurianduri kütteseadmena. Kui uuritav gaas reageeri, siis vabaneb soojus anduri katalüütilisel pinnal. See tõstab plaadi ja sellesse manustatud mähise temperatuuri. Selle tulemusena mähise takistus suureneb, mida registreeritakse elektroonikaskeemiga.
Elektrokeemilised gaasianduri
Need andurid kuuluvad mitmeotstarbeliste gaasiandurite hulka. Sõltuvalt tööpõhimõttest elektrokeemilised gaasiandurid jaotatakse potentsiomeetrilisteks ja аmpermeetrilisteks Igal elektrokeemilisel gaasianduril on vähemalt kaks elektroodi (anood ja katood), mille vahel tekib keemiline reaktsioon. Elektroodid on valmistatud katalüütilisest metallist nagu plaatina ja pallaadium.
Potentsiomeetrilised andurid
Need põhinevad reagendi kontsentratsiooni efektile, mis mõjub oksüdatsiooni-reduktsiooni reaktsioonide vahelisele tasakaalule elektrokeemilise elemendi elektroodi ja elektrolüüdi vahel. Elemendi potentsiaali mõõtmine tehakse praktiliselt nullise vooluga. Selleks mõõtmiseks on vaja väga suure sisendtakistusega mõõteriista.
Ampermeetrilised andurid
Ampermeetrilist andurit läbiva voolu amplituud sõltub membraani läbiva gaasi kontsentratsioonist uuritavas keskkonnas. Ampermeetriline meetod on aluseks tahkele elektrolüüdile põhinevatele gaasianduritele, mida kasutatakse hapniku ja vääveldioksiidide sisalduse määramiseks. Elektrolüüdina kasutatakse tsirkooniumdioksiidi erinevate doonorlisanditega. Tundlik element (tahke elektrolüüt) talitleb temperatuuril üle 300 оС.
Optilised gaasiandurid
Nad põhinevad elektromagnetiliste lainete ja uuritava gaasi vastasmõjul. Selle tulemusena muutuvad mõned kiirguskarakteristikud: tugevus, polarisatsioon jne. Optilised gaasiandurid võib jagada mitmesse põhigruppi:
Optoelektroonilised andurid on valgusallika (valgusdioodi või pooljuhtlaseri) ja fotovastuvõtja (fotodiood, fototransistor) kombinatsioon. Nende vahel paikneb läbipaistev keskkond. Gaasi kontsentratsiooni mõõtmiseks kasutatava anduri väljundsignaali mõjutab keskkonna optiliste omaduste muutus uuritava gaasi mõjul;
Optilistele kiududele põhinevad andurid
Nendes andurites valgusallika ja vastuvõtja vaheline valgus kantakse edasi optilise kiuga, mille parameetrid sõltuvad uuritava gaasi kontsentratsioonist;
- Ultraviolett- ja luminestsents-spektroskoopiale põhinevad andurid;
- Infrapuna- ja Ramani spektroskoopiale põhinevad andurid;
- Pinna plasmaresonantsile põhinevad andurid.
Gravimeetrilised andurid
Need on andurid, milles süsteemi mehaanilised omadused muutuvad gaasi molekuli adsobtsiooni ja väga väikese massi muutuse tulemusena.. Neis ei teki keemilisi protsesse ja nende tööpõhimõte on puhtalt füüsikaline. Piesokristallidele põhinevad generaatorid on eriti tundlikud nende elektroodide massi muutustele. Sellel põhimõttel gaasiandurite valmistamiseks tuleb tagada uuritava gaasi molekulide adsorbtsioon elektroodipindadel, millele on kantud õhuke kiht adsorbeerivat materjali. Seega, kui uuritava gaasi kontsentratsioon keskkonnas tõuseb, siis suureneb piesokristalli pinda adsorbeerunud mass. Generaatori väljundsagedus väheneb sellega võrdeliselt.
MOS-struktuurilepõhinevad gaasiandurid
MOS-struktuuri, mille metallelektroodid on valmistatud siirdemetallidest (pallaadium, plaatina, nikkel), omadused muutuvad gaaside mõjul. MOS-transistori lävipinge muutub ning pinge-voolu tunnusjoon nihkub. MOS-kondensaatorites nihkub pinge-mahtuvuse tunnusjoon kuju muutmata piki pingetelge. Neid efekte kasutatakse eri ehitusega gaasiandurite tootmiseks (perforeeritud pais, jaotatud pais jne).
Vaadeldud anduritel on oma eelised ja puudused, mis suures osas määravad nende rakendusvaldkonnad. Optilised gaasiandurid on kõrge selektiivsusega ja tundlikkusega, kuid nad on kalleimad. Seetõttu neid rakendatakse portatiivsetes gaasianalüsaatorites. Metall-oksiid gaasianduritel on kõrge tundlikkus, madal hind, kiire reaktsioon, kuid neil on suhteliselt madal selektiivsus ning nende tööd mõjutavad keskkonna niiskus ja temperatuur. Neid kasutatakse gaasilekke kontrollsüsteemides, õhukvaliteedi seireks suletud ruumides ‘elektroonilise nina süsteemide arendamiseks ja tootmiseks jne.
Elektrokeemiliste pooljuhtanduritega mõõdetakse hapnikusisaldust automootorites, kus tuleb reguleerida vingugaasi, süsivesinike ja lämmastikoksiidide emissiooni. Neid kasutatakse ka katlaseadmetes põlemise juhtimiseks, metallurgias termotöötluse gaasi koostise juhtimiseks jne.
Katalüütilisi gaasiandureid kasutatakse tööstuses peamiselt plahvatusohtlike gaaside kindlakstegemiseks.
Gaasiandurite tootjad
Peamised metalloksiid-gaasiandurite tootjad on järgmised firmad: FIGARO Engineering Inc. (Jaapan), SYNKERA Technologies Inc. (USA), e2v Technologies (Suurbritannia), Sencera (Taiwan), Henan Hanwei Electronics (Hiina), Microsens (Šveits) jne. Mõningad metalloksiid-andureid keskkonna reguleerimiseks pakkuvad firmad on toodud tabelis 9.1. [60]
Tabel 9.1
Tootja |
Anduri tüüp |
Mõõdetav gaas |
Gaasi sisaldus, ppm |
Energiatarve, mW |
FIGARO |
TGS2442 |
CO |
50-1000 |
14 |
TGS2444 |
NH3 (ammoniaak) |
10-100 |
56 |
|
TGS825 |
H2S (vesiniksulfiid) |
5-100 |
660 |
|
TGS 2611 |
Metaan |
500-10 000 |
280 |
|
TGS 4161 |
CO2 |
400-9 000 |
300 |
|
SYNKERA |
705 |
NH3 (ammoniaak) |
25-10 000 |
975 |
706 |
NOx |
0,5-10 |
500 |
|
707 |
VOCd |
kuni 100 |
400 |
|
714 |
H2S (vesiniksulfiid) |
1-100 |
900 |
|
711 |
Metaan, propaan |
90-10 000 |
900 |
|
e2v tehnoloogiad |
MiCS-2710 |
NO2 |
0,05-5 |
50 |
MiCS-5135 |
VOCd |
10-1 000 |
120 |
|
MiCS-5525 |
CO |
1-1 000 |
88 |
|
MiCS-5914 |
NH3 (ammoniaak) |
0,1-10 |
88 |
|
Sencera |
HS134 |
CO |
kuni 100 |
800 |
HS811 |
CO2 |
350-10 000 |
1 200 |
|
HS131 |
Metaan, propaan |
1 000-5 000 |
800 |
>
>
