59. Газовые датчики.

Обнаружение различных газов в помещениях или в составе выхлопных газов осуществляется с помощью газовых датчиков. В присутствии определенных газов (например, СО₂, СО, 0₂, или Н₂) они вырабатывают электрические сигналы, которые более или менее специфичны для различных веществ. Кроме этих простых и надежных газовых детекторов для более ответственных применений существуют еще оптические фотометры, превосходящие газовые детекторы по селективности и точности.

Для простых применений, когда можно обойтись умеренной точностью и селективностью, применяют следующие устройства:

термокондуктометрические ячейки (СО₂, SО₂,SF₆), термохимические (каталитические) ячейки (СО, взрывоопасные и горючие газы), полупроводниковые датчики (спирты, H₂S, углеводороды, токсичные газы), топливные ячейки (кислород).

Термокондуктометрические ячейки.Эти датчики пригодны для обнаружения Н₂, СО₂, S0₂, а также горючих и взрывоопасных газов. Исследуемая проба газа диффундирует в измерительную камеру, в которой имеется платиновая или никелевая проволочная спираль, нагретая до темпе натуры примерно на 40^С выше окружающей. Если состав газовой пробы изменится, то изменится также теплоотвод от нагретой спирали к стенкам ячейки. В случае диоксида углерода (СО₂) при этом происходит повышение температуры спирали, так как теплопроводность СО₂ незначительна. В случае натекания в ячейку водорода (Н₂) спираль охладится вследствие его высокой теплопроводности. Охлаждение или нагрев спирали ведет к изменению ее сопротивления, которое сопоставляется в измерительном мосте со вторым эталонным сопротивлением, расположенным в сравнительной камере. Сигнал датчика определяется изменением теплопроводности газовой смеси, а поскольку одинаковый: тепловой эффект может быть обусловлен смешением разных газов, но в соответственно разных количествах, применение датчика ограничено только анализом бинарных смесей заранее известных газов. Для анализа смесей из трех и более газов данный способ непригоден.

Топливная ячейка Для оценки натекания воздуха по содержащемуся в нем кислороду (20 об. %) применяют датчики с топливной (электрохимической) ячейкой. В такой ячейке обладающий большой поверхностью электропроводящий материал расположен между электролитом и атмосферным воздухом. В присутствии кислорода происходит окисление активной поверхности этого материала с выделением тепла, в результате чего возникает ощутимый электрический сигнал, который может быть измерен. В результате химической реакции с кислородом в измерительной ячейке между катодом и анодом возникает измерительное напряжение, возрастающее пропорционально содержанию кислорода в окружающей атмосфере. Реакция протекает очень быстро, поэтому сразу же определяется содержание кислорода в данный текущий момент. Температурная компенсация, осуществляемая внутри измерительной ячейки, стабилизирует выходной сигнал по отношению к температуре. При определении содержания кислорода в помещении типичный диапазон измерений соответствует 0...21 %.

Термохимическая (каталитическая) ячейка. Термохимическая ячейка обеспечивает часто необходимую потребность в измерении содержания горючих газов - особенно монооксида углерода (СО) - в окружающем воздухе или в автомобильных выхлопных газах.Термохимическая ячейка имеет две измерительные платиновые спирали, включенные в измерительный мост, содержащий еще два постоянных, сопротивления.

Если одну из спиралей покрыть слоем активного катализатора, а вторую - слоем пассивного катализатора, то находящийся в атмосфере монооксид углерода (СО) будет реагировать с кислородом воздуха на активном катализаторе, образуя диоксид углерода (СО₂). Выделяющаяся в результате этой реакции тепловая энергия вызывает повышение сопротивления активной спирали, а в итоге заметный разбаланс моста. С помощью .такого датчика можно обнаруживать весьма незначительные концентрации СО порядка 10^-4 %. В атмосфере помещения минимальный возможный уровень измерения составляет 210^-2 % СО. В принципе, кроме СО, с помощью этой ячейки могут быть обнаружены все горючие газы. Соответствующим подбором катализатора и температуры проволоки можно достигнуть определенной избирательности.

Полупроводниковые датчики.

В самых простых и дешевых газовых датчиках используется изменение электрического сопротивления некоторых полупроводниковых материалов, возникающее вследствие адсорбции газа. Он состоит из керамической основы, способной выдерживать нагрев до 100…500^С. На этой керамической основе находятся два электрода, между которыми наносится полупроводящий оксид металла. Если газ проходит над этим активированным слоем оксида металла, то проводимость последнего изменяется. С помощью мостовой схемы это изменение проводимости преобразуется в изменение напряжения. Важнейшим материалом чувствительного элемента является диоксид олова SnO₂ с различными легирующими добавками. Подбором легирующей добавки и рабочей температуры можно достигнуть определенного повышения избирательности.