Учебное пособие 800594

измерительную камеру. Результат вычитания энергий этих потоков пропорционален концентрации определяемого компонента. Достоинства оптических газоанализаторов заключаются в отсутствии контакта между газом и чувствительным элементом. Через исследуемую газовую смесь проходит лишь луч света, а излучатель и фотоприемник защищены прозрачными окнами из химически стойкого стекла. Поэтому для оптических газоанализаторов безопасны химически агрессивные вещества и соединения (аммиак, оксиды азота и др.), которые обычно выводят из строя газоанализаторы, основанные на химических реакциях.

Работа полупроводниковых химических датчиков основана на изменении электрофизических свойств чувствительного элемента при изменении состава анализируемого газа. В резистивном полупроводникового датчике, чувствительным элементом является поликристаллическая плёнка металлооксидных полупроводников. Выходным сигналом резистивного датчика служит либо величина сопротивления чувствительного слоя, либо аналоговый сигнал по напряжению. Полупроводниковые датчики для определения NOx в качестве чувствительных слоев используют оксиды индия (In2O3) вольфрама (WO3), цинка (ZnO), олова (SnO2), как чистые, так и с различными примесями [7].

Рассмотренные способы и устройства могут обнаруживать неизвестные анализируемые вещества, но они обычно медленны, дороги и громоздки. Миниатюрные датчики и способы обычно не имеют достаточной чувствительности, избирательности и достоверности; и могут быть в существенной степени недостаточными для обнаружения одного или нескольких анализируемых веществ в сложных смесях, таких как окружающий воздух или выдыхаемый воздух. Поэтому существует необходимость в разработке миниатюрных датчиков газов на основе металлооксидных полупроводников, которые обладают более высокой чувствительностью и быстродействием. Их небольшая стоимость при массовом производстве, делает такие датчики привлекательными для использования в газоаналитических приборах.

140

Литература

1.Газоанализаторы, сигнализаторы, датчики азота NO. – Электрон. дан. – режим доступа: https://novapribor.ru/reviews/gazoanalizatory-signalizatory-datchiki-po- gazam/gazoanalizatory_signalizatory_datchiki_azota_no/.

2.Газоанализаторы, сигнализаторы, датчики диоксида азота

NO2. - Электрон. дан. – режим доступа: https://novapribor.ru/reviews/gazoanalizatory-signalizatory-datchiki-po- gazam/gazoanalizatory_signalizatory_datchiki_dioksida_azota_no2/.

3.Пат. 2493556 Российская Федерация МПК G01N 21/76 Способ и устройство для определения концентрации оксида азота(NO) в газовой среде / Челибанов В. П. и др. патентообладатель Челибанов Владимир Петрович (RU). - № 2012105701. заявл. 10.02.12, опубл. 20.09.13, Бюл. № 26. – 13 с.

4.Проблемы применения электрохимических датчиков диоксида азота при наружном мониторинге воздуха. – Электрон. дан. – режим доступа: https://theseuslab.by/a49334-problemy-primeneniya- elektrohimicheskih.html

5.Диоксид азота NO2 - Электрон. дан. – режим доступа: http://www.gassensor.ru/ru/gas/dioksid-azota-no2

6.Пат. 2692520 Российская Федерация, МПК C03C 17/28, G01N 27/12. Способ получения электропроводящих полимерных пленок на поверхности оксидных стекол для определения содержания оксидов азота в воздушной среде / Булатов М.Ф. и др., патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «МИРЭА - Российский технологический университет» (RU). - № 2018126260. заявл. 17.07.18, опубл. 25.06.19, Бюл. № 18. – 6 с.

7.Обвинцева Л.А. Полупроводниковые металлооксидные сенсоры для определения химически активных газовых примесей в воздушной среде [Текст] / Л.А. Обвинцева // Рос. хим. журнал об-ва им. Д.И. Менделеева. – 2008. - Т. LII. - № 2. - С. 113 – 121.

Воронежский государственный технический университет

141

УДК 621.372

К.Э. Ангарита Лорес, А.П. Гавриленко, Е.В. Богатиков, Е.Н. Бормонтов

ОПТОВОЛОКОННЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ МИКРОБИОРЕАКТОРА

Разработан и изготовлен оптоволоконный датчик давления, регистрирующий изменение поглощения оптического излучения при его прохождении через деформируемый объем полидиметилсилоксана (ПДМС). Проведено измерение калибровочной кривой датчика, определена чувствительность и точность датчика. Предлагается использовать разработанный датчик для контроля давления и скорости потока жидкости в транспортной системе микробиореакторов.

Достижения в области микро- и нанотехнологий позволили перейти от биореакторов к новому перспективному направлению лабораторий-на-кристалле – микробиореакторам [1]. Их отличительной особенностью является возможность культивирования микроорганизмов в малых объемах с низкой себестоимостью. Поэтому их часто применяют в исследовательских целях, например, для поиска оптимальных условий роста (или, наоборот, подавления роста) микроорганизмов.

В состав микробиореактора входят две основные части: блок управления и клеточный блок. Клеточный блок (КБ) содержит основные датчики, контролирующие условия развития клеток: датчик давления, датчик pH, датчик CO2 и т.д., а блок управления осуществляет поддержку параметров в КБ.

Датчики давления в микробиореакторе контролирует избыточное давление в транспортной системе микробиореактора, которая обеспечивает подведение, смешение и отведение большого количества жидкостей и газов. Типичная чувствительность, необходимая для микробиореакторов, ~ 1-10 кПа [2].

142

Целью работы является разработка датчика давления с низкой себестоимостью, применимого для использования в составе микробиореакторов.

За основу была взята оптоволоконная конструкция, часто применяемая в тактильных датчиках в робототехнике [3]. Разработанный и изготовленный сенсор содержит деформируемый полимер (использовался ПДМС как один из наиболее распространенных материалов в технологии изготовления микробиореакторов) с парой соосных пластиковых оптических волокон (рис. 1). К одному оптическому волокну подключается светодиод, к другому – фотоприемник. При деформации чувствительного слоя ПДМС происходит уменьшение светового потока, достигающего фотоприемника. Конструкция может быть легко встроена в состав микробиореактора, не содержит дорогостоящих материалов и не требует дорогостоящих технологических операций.

Рис. 1. Структура оптоволоконного датчика давления

Для испытания датчика давления был разработан специальный стенд, в состав которого вошли: весы с точностью 0,1 г, разработанный датчик давления, индентор (площадь контакта с датчиком давления 1 мм2), а также привод с шаговым двигателем, обеспечивающим контролируемое давление индентора на датчик (рис. 2). При данных параметрах стенда обеспечивалось измерение давления на сенсор с точностью 1 кПа.

143

Рис. 2. Схематическое изображение стенда для испытания датчика давления

Для устранения влияния фоновой засветки использовался переменный оптический сигнал с частотой 600 Гц. В фотоприемнике использовался серийный фотодиод BPW34, сигнал с которого подавался на трансимпедансный усилитель и полосовой фильтр, выделяющий несущую частоту 600 Гц. Полученный сигнал оцифровывался АЦП с разрешением 12 бит, подвергался преобразованию Фурье для определения интенсивности сигнала на несущей частоте. По результатам измерений строилась калибровочная кривая (рис. 3).

Полученная кривая хорошо аппроксимируется параболической зависимостью, близкой к линейной. Анализ разброса экспериментальных точек относительно аппроксимирующей калибровочной кривой показывает, что точность измерения разработанным датчиком давления составляет ~ 5 кПа, что вполне достаточно для использования в составе большинства микробиореакторов. Для повышения точности может быть использована конфигурация датчика, в котором происходит не сжатие чувствительного слоя ПДМС, а его изгиб под действием избыточного давления.

144

Рис. 3. Результаты калибровки датчика давления

Литература

1. Szita N. Development of a multiplexed microbioreactor system for high-throughput bioprocessing [Текст] / N. Szita, P. Boccazzi,

Z.Zhang et al. // Lab.Chip. – 2005. – № 8. – P.819 - 826.

2.Giusti S. Environmental Control in Flow Bioreactors [Текст] / S. Giusti, D. Mazzei, L. Cacopardo et al. // Processes. – 2017. – V. 5, - № 2. – P. 2 - 16.

3.Yousef H. Tactile sensing for dexterous in-hand manipulation in robotics—A review [Текст] / H. Yousef, M. Boukallel, K. Althoefer // Sensor and Actuators A. – 2011. – V. 167. – P. 171 - 187.

Воронежский государственный университет

145

УДК 621.372

К.Э. Ангарита Лорес, К.А. Калинина, Е.В. Богатиков, Е.Н. Бормонтов

ФОТОПРИЕМНИК ДЛЯ ОПТОВОЛОКОННОГО ДАТЧИКА pH

Разработан и испытан фотоприемник для оптоволоконного датчика pH. Датчик pH предназначен для применения в составе микробиореакторов и требует высокой чувствительности и низкого уровня шума. Испытание фотоприемника в составе специально разработанного макета микробиореактора показало возможность измерения pH в диапазоне от 6,5

до 9,5.

Одним из наиболее важных составляющих конструкции микробиореакторов – перспективных устройств для культивирования микроорганизмов в малых объемах – является сенсор pH. В настоящее время известны различные реализации датчиков pH для микробиореакторов, однако обычно они являются достаточно дорогостоящими устройствами, что плохо совместимо с одноразовым характером применения микробиореакторов [1].

Одним из методов определения pH среды является метод измерения поглощения света при прохождении через среду с индикатором, например, феноловым красным. Данный индикатор обладает важным для микробиореакторов свойством – биосовместимостью. Структура полос поглощения фенолового красного обеспечивает изменение коэффициента поглощения в синей области спектра при изменении pH в диапазоне от 4 до 6 и изменение коэффициента поглощения в зеленой области спектра при изменении pH в диапазоне от 6 до 10. Более важным диапазоном для применения в микробиореакторах является второй диапазон, так как именно в нем изменяется уровень pH среды под действием продуктов жизнедеятельности большинства микроорганизмов. Однако диапазон pH<6 также может быть важен при работе с некоторыми микроорганизмами, что желательно учитывать при разработке датчика pH.

146

Для испытания фотоприемника был изготовлен стенд, общая схема которого приведена на рис. 1. Она включает: макет микробиореактора с транспортным каналом для жидкости диаметром порядка 0,1 мм (1), реакционной камерой диаметром порядка 1мм (2), каналом с полимерным оптоволокном диаметром порядка 0.9 мм (3), а также RGB-светодиод (4), генератор переменного сигнала с частотой 600 Гц для питания светодиода (5) и разрабатываемый фотоприемник (6).

Рис. 1. Общий вид установки для испытания датчика pH

На рис. 2 представлена разработанная схема фотоприемника для датчика pH. В качестве фотодатчика используется p-i-n фотодиод BPW-34 (VD1). Сигнал с выхода фотодиода через разделительный конденсатор C3 подается на трансимпедансный усилитель с интегратором в цепи обратной связи, который служит фильтром нижних частот, снижающим сопротивление обратной связи для низкочастотной составляющей сигнала. Таким образом достигается подавление сигнала фоновой засветки и искусственного освещения с частотой до 100 Гц. Усилитель реализован на ОУ MCP6022 (D1), который имеет высокое входное сопротивление, позволяющее исполь-

147

зовать сопротивление резистора обратной связи R6, равное 10 МОм, а также низкий уровень шума.

После предварительного усиления и подавления фоновой засветки производится выделение несущей частоты сигнала (600 Гц) полосовым фильтром Баттерворта 4-го порядка, реализованного на звеньях Саллена-Ки (D5).

Рис. 2. Схема устройства датчика pH

148

Дальнейшее усиление полезной составляющей сигнала производится инструментальным усилителем INA118 (D3), коэффициент усиления которого задается равным 500 при помощи резисто-

ра R11.

Для питания устройства использовался литий-полимерный аккумулятор, выходное напряжение которого (3.7 В) стабилизировалось линейным регулятором со сверхмалым (190 мВ) падением напряжения ADP3338 (D4) до напряжения 3,3 В.

Испытание установки проводилось с использованием буферных растворов, имеющих pH от 4,0 до 9,5. Данные с выхода фотоприемника оцифровывались встроенным 12-битным АЦП микроконтроллера Atmel SAM3X8E, который производил расчет спектра Фурье и мощности сигнала на несущей частоте. По результатам 100 измерений вычислялись точка калибровочной кривой и ее погрешность. Результаты приведены на рис. 3.

Рис. 3. Экспериментальный отклик макета датчика pH для зеленого (а) и синего (б) светодиодов

Характер полученных зависимостей хорошо совпадает с теоретическими результатами, приведенными на рис. 4, однако точности измерений достаточно только для достоверного определения pH в диапазоне от 6.5 до 9 при использовании зеленого светодиода.

149