0314 00 NOP
Математическое моделирование
Задачей математического моделирования является получение теоретических
зависимостей выходной величины датчика (изменение частоты поверхностно-
акустической волны) от входной величины (изменение концентрации
необходимого газа) и получение изменения выходной величины в динамике
(зависимость частоты от времени при скачкообразном изменении концентрации).
Изменение резонансной частоты, обусловленное наличием покрытия на
поверхности распространения поверхностно-акустической волны, описывается
следующим соотношением [2]:
[pic],
где [pic] - сдвиг резонансной частоты за счет изменения чувствительным
покрытием скорости поверхностно-акустической волны,
[pic] и [pic] характеристики пьезоэлектрического материала,
[pic] - начальная резонансная частота,
h - толщина чувствительного покрытия,
[pic] - его плотность.
Не трудно заметить, что произведение [pic] - представляет собой массу
покрытия на единицу площади.
[pic]
где m – масса покрытия;
s – площадь покрытия.
Таким образом, изменение частоты поверхностно-акустической волны
зависит в первую очередь от двух факторов - массы единицы площади пленки и
механических свойств пьезоэлектрической подложки.
Скорость изменения величины адсорбции со временем описывается
следующим уравнением [21]:
где a – содержание адсорбируемого вещества – масса адсорбируемого
вещества к единице объема адсорбента [pic];
(y – коэффициент массоотдачи;
[pic] - концентрации адсорбируемого вещества в парогазовой смеси
инертного газа (входной параметр) [pic].
[pic] - концентрация адсорбируемого вещества в парогазовой смеси,
равновесная поглощенному единицей объема количеству вещества [pic].
Определяется по изотерме адсорбции.
Коэффициент массоотдачи определяется по следующему уравнению[21]:
где Nu – диффузионный критерий Нуссельта;
d – средний размер частиц адсорбента[pic];
D – коэффициент диффузии вещества в газе[pic].
Значение диффузионного критерия Нуссельта для ориентировочных расчетов
коэффициента массоотдачи определяется по критериальному уравнению [20]:
где Re – критерий Рейнольдса.
Для определения критерия Рейнольдса воспользуемся следующей формулой
[20]:
где w – скорость потока на свободном сечении [pic];
[pic] - кинематический коэффициент вязкости.
Кинематический коэффициент вязкости можно определить, пользуясь
следующим соотношением [20]:
где [pic] - динамический коэффициент вязкости газа [pic];
[pic] - плотность газа [pic].
Для определения [pic] - концентрации адсорбируемого вещества в
парогазовой смеси, равновесной поглощенному единицей объема количеству
вещества воспользуемся изотермой адсорбции. Ввиду отсутствия необходимых
табличных данных, описывающих как чувствительное полимерное покрытие, а как
следствие, и отсутствие какого либо конкретного определяемого компонента,
данная математическая модель ставит себе целью получение качественных
характеристик описываемого ПАВ сенсора. Таким образом, за искомую изотерму
адсорбции принимаем изотерму адсорбции бензола [20]. График данной изотермы
приведен ниже.
В качестве определяемого компонента воздушной смеси принят аммиак.
Зависимость концентрации от парциального давления компонента
выражается следующей формулой [20];
где p – парциальное давление компонента в газовой смеси;
R – универсальная газовая постоянная;
Т – абсолютная температура.
Подставляя числовые значения всех вышеперечисленных переменных в
уравнение скорости адсорбции, а величину адсорбции в уравнение изменения
частоты поверхностно-акустической волны и добавив к этому начальные и
граничные условия получаем искомые зависимости величины адсорбции от
времени и изменение частоты от времени.
Как видно из приведенных ниже графиков, время реакции сенсора на
скачкообразное изменение концентрации определяемого компонента составляет
порядка 10-5 сек.
Таким образом, в будущих исследованиях инерционностью процессов,
происходящих в самом датчике можно пренебречь. А основное время процесса
будет состоять из времени определения частоты поверхностно-акустической
волны, времени подвода газа необходимой концентрации и пр. Таким образом,
получаем еще одно подтверждение необходимости дальнейшего повышения
автоматизации измерительной установки.
Для математического получения градуировочной характеристики ПАВ
датчика воспользуемся уравнением [20]:
И подставив полученное тем самым значение величины адсорбции в
уравнение зависимости изменения частоты поверхностно-акустической волны,
получим градуировочный график.
Как видно из этого графика, зависимость изменения частоты поверхностно-
акустической волны от концентрации – величина линейная. Таким образом
получаем еще одно подтверждение перспективности использования поверхностно-
акустических датчиков в качестве газовых сенсоров низких концентраций.
Экспериментальные результаты
Для оценки точности показаний ПАВ сенсора возникает необходимость
оценить влияние различных параметров на частоту. В ходе работы был проведен
ряд экспериментов по выявлению такого влияния.
В ходе работы была проведена серия экспериментов по определению
стабильности частоты ПАВ преобразователей. Для этого они закреплялись в
экспериментальную ячейку, конструкция которой описана в выше. Методика
проведения экспериментов заключалась в следующем. Измерения частоты
производились непрерывно в течение двух с половиной часов.
В течение времени измерений, данные об изменении частоты фиксировались
каждые пять минут. Характерный ход зависимости частоты поверхностно-
акустической волны от времени представлен на рис. 17. Как видно из данной
зависимости, частота ПАВ преобразователя первоначально имеет тенденцию
увеличиваться. Увеличение частоты поверхностно-акустической волны за первые
20-30 минут наблюдений составило порядка 2 – 2.5 кГц. По прошествии этого
времени частота колеблется в гораздо более низких пределах. Изменения
частоты в это время происходят в пределах нескольких десятков герц.
Небольшой рост частоты объясняется нагревом кристалла кварца нагревающимся
в процессе эксперимента ВЧ усилителем Ч3-63. Разные значения установившихся
частот поверхностно-акустической волны объясняются различной температурой в
помещении.
Таким образом, было выяснено, что для проведения исследования
необходимо предварительно провести прогон измерительной системы в течение
20-30 минут. Также было выяснено, что с увеличением температуры частота
также имеет тенденцию увеличиваться.
Также в ходе работы была проведена серия экспериментов, целью которых
было выяснение влияния давления на частоту ПАВ сенсора. Методика
эксперимента заключалась в следующем. После предварительной прогонки ячейки
на холостом ходу, как было указано выше, ее ступенчато откачивали на
вакуум. Величина вакуума в ячейке фиксировалась при помощи вакуумметра.
После чего показания частоты фиксировались каждые 10 секунд. По прошествии
120 секунд после окончании переходных процессов значения частоты
устанавливались на определенном уровне и дальше не менялись. После чего
ячейку снова откачивали до нового значения вакуума.
График откачки ячейки на вакуум и зависимости частоты ПАВ сенсора от
времени переходных процессов показаны на рис. 18
Так же в работе представлен график зависимости частоты ПАВ сенсора от
давления в газовой ячейке. Данный график построен на основании предыдущего.
По оси абсцисс откладывалось давление в ячейке в мм. рт. ст., по оси
ординат – частота ПАВ сенсора после окончания переходных процессов. Данный
график представлен на рис. 19
Данные зависимости были получены при температуре окружающей среды – 17
0С и атмосферном давлении 749 мм. рт. ст.
Как видно из приведенных графиков, частота ПАВ сенсора практически
линейно изменяется с давлением в диапазоне 100 – 500 мм. рт. ст., в то
время, как характер зависимости существенно меняется по мере выхода за
указанный диапазон.
Следует отметить, что проведение экспериментов сопряжено с достаточно
высокой трудоемкостью, что еще раз указывает на необходимость модернизации
экспериментальной установки путем сопряжения ее с ЭВМ.
Экономическая часть
Задача данной работы заключается в разработке и исследовании
поверхностно-акустического датчика. Экономический аспект данного
исследования заключается в том, что:
1. Современные методы контроля концентрации вредных веществ в атмосфере не
позволяют определить концентрацию с достаточной точностью, а
лабораторные исследования представляются малоэффективным в первую
очередь из-за своей дороговизны.
2. Закупка подобного рода оборудования также представляется невозможным из-
за дороговизны закупаемого оборудования и таможенных пошлин.
3. В то время, как за рубежом исследования перспективных направлений в
области обнаружения и определения малых концентраций токсичных веществ
выходит на все более ведущее место [20], отечественные разработки
отличаются разобщенностью и неполнотой.
В силу приведенных выше причин экономический аспект данного
исследования представляется очевидным, а внедрение самого сенсора в
производство экономически выгодным и перспективным.
Техника безопасности
Так как данный сенсор разрабатывается для анализа состава атмосферного
воздуха на предмет наличия в нем вредных газовых примесей, то при
разработке сенсора приходится иметь дело с газовыми смесями, содержащими
данные компоненты.
Среди данных компонентов можно выделить окись углерода, окислы азота,
оксиды серы, различного рода углеводороды и пр.[22]
Так как данные компоненты являются токсичными [22], то при работе с
этими компонентами необходимо соблюдать следующие положения техники
безопасности:
1. Все работы с газами производить под вытяжным шкафом.
2. Не допускать превышения концентрации данных компонентов в
лаборатории свыше предельно-допустимых норм.
3. Регулярно производить проветривание помещений.
При выполнении вышеперечисленных правил, ваша работа в лаборатории не
будет омрачена несчастными случаями.
Выводы
За время выполнения магистерской работы было выполнено следующее:
Проработан необходимый объем теоретического материала для
конкретизации задач диссертации.
Доказана необходимость повышения автоматизации экспериментальной
установки для более эффективной исследовательской работы и повышения
точности получаемых результатов.
Разработана схема сопряжения установки с персональной ЭВМ и
разработана схема устройства сопряжения.
Разработан алгоритм и отлажена программа, обслуживающая данное
устройство сопряжения.
Разработан алгоритм и написана программа, позволяющая обрабатывать
поступающую с экспериментальной установки информацию.
Список использованных источников
1. Беспалов А. Е., Соборовер Э. И., Швандеров А. Ф. «Исследования сенсорных
свойств чувствительного элемента на поверхностно-акустических волнах» //
Вестник Нижегородского государственного университета им. Н. И.
Лобачевского. Сер. «Физика твердого тела» 1999г.
2. Соборовер Э. И., Швандеров А. Ф. «Возможности сенсора на ПАВ в контроле
параметров газовых сред» // В. Сб.: Материалы XII научно-технической
конференции с участием зарубежных специалистов / под ред. проф. Азарова
В. Н. М.: МГИЭМ 1999г.
3. Wohltjen H., Dessy R. “Surface acoustic wave probe for chemical
analysis.” // Anal. Chem. 1979 V. 51 #9 P. 1458-1464.
4. Snow A., Wohltjen H. “Poly(ethylene maleate)-cyclopentadiene: a model
reactive polymer-vapour system for evaluation of a SAW microsensor.” //
Anal. Chem., 1984, V. 56, #8, P. 1411-1416.
5. Benes E., Groschl M., Seifert F., Pohl A. “Comparison between BAW and
SAW sensors.” // 1997 IEEE International Frequency Control Symposium.
6. Rapp M., Stier S., Ache H. “Classification of odours and spoiling
detection of food with analytical microsystem based on SAW devices” //
Pittcon’96, Chicago, March 3-8 1996: Book abstr-Chicago (|||), 1996, P.
947.
7. Hayt A. E., Ricco A. J., Iang H.L., Crooks R. H. “Speciation of linear
and branched hydrocarbons by fluorinated polyamin film-based SAW sensor”
// JACS, 1995, V. 117, #33, P. 8672-3
8. Mitsud J., Mog L. “Procedes et apparells de detection des substances
odorantes et applications” // ALPHA M.O.S. # 9311291, 17.09.93. on
24.03.95.
9. Florian Bender and Reiner Dahint “Characteristics of Acoustic plate
modes on rotated Y-cuts of quartz utilized for biosensing applications”
// Anal. Chem., 1999, 71, 5064-5068.
10. Joshua J. Caron, Thomas D. Kenny, L. Jay LeGore, Derek G. Libby, Carl
J. Freeman and John F. Vetelino “A surface acoustic wave nitric oxide
sensor” 1997 IEEE International frequency control symposium.
11. Joshua J. Caron, Reichl B. Haskell, Derek G. Libby, Carl J. Freeman and
John F. Vetelino “A surface acoustic wave mercury vapor sensor” 1997
IEEE International frequency control symposium.
12. R. Andrew McGuill, Douglas B. Chrisey, Todd E. Mlsha, Jennifer L.
Stepnowski, Russel Chung & Nector Cobal. “Performance optimization of
surface acoustic wave chemical sensors” 1997 IEEE International
frequency control symposium.
13. H. Wohltjen, N. L. Jarvis, A. Snow, W. Barger, J. Guiliani, D.
Dominiques. “Chemical microsensors for vapour detection”.
14. Zvi Liron, Nathali Kanshanski, Gad Frishman, Doron Caplan, and Jeremy
Greenblatt. “The polimer-coated SAW sensor as a gravimetric sensor”.
Anal. Chem. 1997, 69, 2848-2854
15. Wohltjen N., Davis N., Busey B., Klusty M., Soling R., McKeee //
Pittsburgh Conf. Anal. Chem. Chem and Appl. Specrtosc. Orlando, Flaa,
March 7 – 12, 199 PITTCON’99: Book Abstr – [Orlando (Fla)]. 1990 – C722.
16. Р. Джордейн «Справочник программиста персональных компьютеров типа IBM
PC, XT и AT». Перевод с английского. Москва. «Финансы и статистика» 1992
г.
17. Бочков С. О., Субботин Д. М. «Язык программирования СИ для
персонального компьютера». Под общей редакцией канд. техн. Наук, доцента
П. И. Садчикова. Москва СП «Диалог» «Радио и связь». 1990 г.
18. П. Нортон, Р. Уилтон «IBM PC и PS/2 руководство по программированию».
Перевод с английского. Москва «Радио и связь» 1994 г.
19. П. Абель «Язык ассемблера для IBM PC и программирования». Перевод с
английского. Москва. Высшая школа. 1992 г.
20. А. А. Шульга, Б. К. Зуев, В. В. Лонцов «Цеолитосодержащие
чувствительные покрытия для газовых химических сенсоров на поверхностно
акустических волнах» 1999г.
21. Павлов К. Ф., Романков Н. Г., Носков А. А. «Примеры и задачи по курсу
процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов»
Л.: Химия, 1987.
22. Д. П. Никитин, Ю. В. Новиков «Окружающая среда» Москва. «Высшая школа»
1980г.
-----------------------
Рисунок 16 Градуировочный график ПАВ сенсора
Рисунок 2 Конструкция экспериментальной ячейки
Газовые штуцеры
Крышка
Стандартный ПАВ держатель
ВЧ усилитель
Прижимные болты
Основание
1 – встречно-штырьевые преобразователи
2 – высокочастотный усилитель
Рисунок 1 Конструкция ПАВ сенсора
1
2
Рисунок 15 Изменение частоты ПАВ во времени при скачкообразном изменении
концентрации
Рисунок 14 Изменение величины адсорбции во времени при скачкообразном
изменении концентрации
Рисунок 11 Схема подключение частотомера Ч3-53 к персональной ЭВМ
Рисунок 9 Схема подключения внешней памяти
Рисунок 8 Назначение выводов процессора МК51
Рисунок 12 Блок-схема программы устройства сопряжения
Рисунок 13 Изотерма адсорбции
Рисунок 17
Временная стабильность ПАВ сенсора
Температура – 17 0С
Атмосферное давление – 749 мм. рт. ст.
Рисунок 18
Откачка газовой ячейки на вакуум. Изменение частоты ПАВ сенсора со временем
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
