Газоанализатор - RU2659141C2
Код документа: RU2659141C2
Чертежи
Описание
Настоящее изобретение относится к сенсорному блоку для обнаружения газа, к способу эксплуатации такого сенсорного блока и к газоанализатору с таким сенсорным блоком.
Газоанализаторы служат для обнаружения и мониторинга газов и паров в окружающем человека воздухе. Газоанализаторы важны, в частности, для обнаружения и мониторинга токсичных газов в промышленной зоне и на рабочем месте. В таких областях применения может иметься очень большое количество токсичных веществ в газовой фазе окружающего воздуха, которые представляют опасность для здоровья присутствующих лиц.
Поэтому для таких веществ имеются установленные законом предельные допустимые концентрации, которые не должны превышаться (предельные допустимые значения на рабочем месте, AGW из TRGS 900). Газоанализаторы, которые являются переносными и которые могут быть у пользователя, называются персональными приборами газомониторинга, соответственно, приборами РАМ (personal air monitor - персональный монитор воздуха). К таким персональным газоанализаторам предъявляются высокие требования относительно возможности количественного измерения газа, достоверности, безопасности, простоты обслуживания и, в частности, времени измерения (и тем самым быстроты выдачи предупреждения).
Важным компонентом каждого газоанализатора является датчик или датчики, которые предпочтительно основаны на химических принципах работы. Каждый датчик состоит по меньшей мере из рецептора и измерительного преобразователя. Рецептор взаимодействует на молекулярном уровне с молекулами аналита (т.е. с подлежащими обнаружению газовыми молекулами, например, токсичного вещества). При этом изменяется физико-химическое свойство рецептора. Это изменение измеряется измерительным преобразователем и преобразуется в электрический сигнал.
На фиг. 1 показан в качестве примера сигнал датчика газа, который выдается, когда изменение во времени концентрации аналита в зоне рецептора принимает прямоугольную форму. На оси х нанесено время, на оси y - интенсивность I сигнала S датчика и концентрация К аналита. Если на рецептор подают изменяющуюся так во времени концентрацию К аналита, то датчик реагирует обычно быстрым нарастанием (ответом) сигнала S измерительного преобразователя до максимума, который соответствует по существу концентрации К аналита. Это изменение сигнала происходит в фазе измерения. Время срабатывания датчика при определении в соответствии с EN45544-1 (1999) составляет 90% или 50% максимальной интенсивности сигнала (t90, t50). Чем короче время срабатывания, тем раньше может поступать предупреждение относительно аналита.
При прекращении подачи аналита сигнал S измерительного преобразователя также обычно снова падает до нуля. Это изменение сигнала происходит в фазе регенерации. В качестве характеристики здесь служит время восстановления (recovery), которое определяется снижением до 10% от максимума сигнала.
В частности, для персональных газоанализаторов важное значение имеют конструктивный размер, вес и потребление энергии. То же относится, соответственно, к используемым в газоанализаторах датчикам газа.
Конструктивно небольшими датчиками с небольшим расходом тока являются, например, основанные на технологии mySENS фирмы Micronas, Freiburg датчики газа с использованием полевых транзисторов с емкостной связью (CCFET), которые также поясняются в статье H.P.Frerichs, I.Freund, T.Kolleth, C.Schladebach, C.Wilbertz ʺPlattform kostenguenstiger Gassensoren in CMOS-Technologieʺ, Tagungsband: Sensoren im Automobilbau.
В US3906473 приведено описание полупроводникового датчика для обнаружения оксида углерода, который при низких температурах датчика чувствительно реагирует на СО. В US4012692 используется различная реакционная способность оксида углерода и углеводородов при различных температурах датчика для различения аналитов. В US4185491 также используется датчик на полупроводниковой основе при различных температурах. Описание модификаций приведено в публикациях US4399684, US4567475, EP0092068. В WO2012100979А1 приведено описание способа эксплуатации анализатора вдыхаемого газа с использованием основанных на полевых транзисторах датчиков, в котором предусмотрены различные температуры для режима измерения и для фазы регенерации, имеющей длительность до одного часа. В DE19926747 приведено описание рецептора для обнаружения аммиака.
В статье ʺH2, CO and high vacuum regeneration of ozone poisoned pseudo-Schottky Pd-InP based gas sensorʺ L.Mazet, C.Varenne, A.Pauly, J.Brunet, J.P.Germain, опубликованной в ʺSensors and Actuatorsʺ B 103 (2004) 190-199, Elsevier, приведено описание различных реакционной способности и способов десорбции датчиков газа, основанных на псевдоэффекте Шоттки.
Задачей изобретения является создание улучшенного сенсорного блока для газоанализатора.
Согласно одному аспекту изобретение относится к сенсорному блоку для обнаружения газа, содержащему: герметичный измерительный канал, газовый вход для ввода газа в измерительный канал, газовый выход для вывода газа из измерительного канала, насосный блок для создания разрежения в измерительном канале, при этом измерительный канал включает датчик газа для обнаружения газа и нагревательный блок для нагревания датчика газа и при этом сенсорный блок предназначен для эксплуатации в измерительном режиме и в режиме регенерации, при этом в режиме регенерации в измерительном канале создается разрежение и датчик газа нагревается.
В основе изобретения лежит идея о возможности достижения особенно раннего и надежного газового предупреждения, когда сенсорный блок газоанализатора особенно глубоко и быстро регенерируется. Это достигается, согласно изобретению, тем, что датчик газа не только нагревается, но также вакуумируется. Эти оба процесса десорбции (термическая десорбция и вакуумная десорбция) происходят по существу одновременно. Во время десорбции рецептора датчика газа атомы или молекулы аналита покидают поверхность - твердое тело рецептора, так что рецептор «очищается» для следующего измерения. Согласно изобретению десорбция происходит за счет одновременного нагревания и вакуумирования рецептора особенно быстро и глубоко с целью подготовки датчика газа для следующего измерения. Таким образом, можно достигать значительно более короткого времени срабатывания, а также регенерации для основанных на адсорбции датчиков.
Измерительный канал выполнен с возможностью образования герметичного полого пространства, когда как газовый вход, так и газовый выход также герметично закрыты. Измерительный канал может иметь круглую, квадратную, или удлиненную, а также изогнутую форму. Различные геометрические формы измерительного канала обеспечивают предпочтительно возможность согласования сенсорного блока с данными условиями. Так, например, с помощью изогнутого измерительного канала можно обеспечивать особенно небольшую конструктивную форму.
Газовый вход выполнен с возможностью обеспечения в открытом состоянии возможности проникновения газа в измерительный канал (с помощью или без помощи насосного блока) и для герметичного закрывания в своем закрытом состоянии, так что насосный блок может создавать разрежение в измерительном канале. Предпочтительно газовый вход является клапаном. Предпочтительно, клапан открывается и закрывается с помощью управляющего блока.
Газовый выход выполнен с возможностью обеспечения в открытом состоянии возможности стекания газа из измерительного канала (с помощью или без помощи насосного блока) и для герметичного закрывания в своем закрытом состоянии, так что насосный блок может создавать разрежение в измерительном канале. Предпочтительно газовый выход имеет клапан. При этом возможно, что клапан открывается и закрывается с помощью управляющего блока. Предпочтительно газовый выход интегрирован в насосный блок, т.е. насосный блок также выполнен с возможностью обеспечения в открытом состоянии возможности выхода газа из измерительного канала (с помощью или без помощи насосного блока) и для герметичного закрывания измерительного канала в закрытом состоянии.
Насосный блок выполнен с возможностью создания разрежения в измерительном канале. За счет создания разрежения в измерительном канале и тем самым вакуумирования датчика газа обнаруживаемые в текущем процессе измерения газовые молекулы десорбируются с рецептора датчика газа, и тем самым рецептор подготавливается для следующего измерения. Насосный блок можно эксплуатировать также для всасывания газа в измерительный канал или нагнетания его в канал. Таким образом, может быть ускорено вхождение газа в измерительный канал, что в свою очередь обеспечивает возможность более быстрого измерения. Предпочтительно насосный блок расположен на газовом выходе и выполнен с возможностью создания разрежения в измерительном канале при закрытом газовом входе. За счет этого достигается особенно быстрое создание разрежения.
Датчик газа предназначен для обнаружения газа, который проходит около датчика газа или по нему. Датчик газа предпочтительно предназначен для обнаружения газа на датчике, соответственно на поверхности датчика (называемой в данном случае рецептором), датчика газа. Предпочтительно датчик газа является основанным на абсорбции датчиком газа. Датчик газа в смысле данного изобретения является функциональным блоком, который способен распознавать концентрацию по меньшей мере одного химического вещества (газа или же жидкости) и преобразовывать эту информацию в электрический или оптический сигнал. Предпочтительно датчик газа преобразует информацию о присутствии подлежащего обнаружению газа в электрический полезный сигнал. Предпочтительно датчик газа является химическим датчиком, в частности электрохимическим датчиком газа. Датчик газа предназначен для обратимого применения в процессах измерения, т.е. датчик газа является нерасходуемым датчиком газа.
Предпочтительно датчик газа имеет рецептор и измерительный преобразователь. Рецептор предназначен для взаимодействия на молекулярном уровне с молекулами аналита (т.е. подлежащими обнаружению газовыми молекулами), за счет чего изменяются физико-химические свойства рецептора. Измерительный преобразователь предназначен для измерения изменений и преобразования в электрический сигнал, который указывает на обнаружение газа.
Нагревательный блок выполнен с возможностью нагревания датчика газа, в частности рецептора датчика газа. За счет нагревания рецептора десорбируются обнаруженные рецептором в текущем процессе измерения газовые молекулы, и тем самым рецептор подготавливается для следующего процесса измерения. Под «нагреванием» в смысле данного изобретения понимается любое относительное повышение температуры, будь то на один или несколько градусов Кельвина или даже на сотни градусов Кельвина. Опорное значение, от которого происходит повышение температуры (нагревание), является температурой, при которой датчик газа эксплуатируется в измерительном режиме. Повышение температуры относительно этой опорной температуры происходит в режиме регенерации.
Сенсорный блок можно эксплуатировать в режиме измерения и в режиме регенерации. В режиме регенерации в измерительном канале создается разрежение и нагревается датчик газа. Предпочтительно эксплуатацией сенсорного блока управляет управляющий блок. При этом понятие «управляет» в данной заявке охватывает также регулирование (управление с обратной связью). Управляющий блок может быть частью сенсорного блока или предусмотрен дополнительно в виде аппаратного или программного обеспечения. При переключении из режима регенерации в режим измерения выключаются насосный блок и нагревательный элемент и открываются газовый вход и газовый выход. Окружающий воздух и находящийся в нем аналит проходят около рецептора датчика газа, за счет чего обеспечивается возможность обнаружения. При переключении из режима измерения в режим регенерации газовый вход и газовый выход закрываются и включаются насосный блок и нагревательный элемент. Находящийся в измерительном канале окружающий воздуха и аналит десорбируются рецептором и выкачиваются из измерительного канала, за счет чего рецептор очищается и подготавливается для следующего обнаружения газа.
В одном варианте выполнения датчик газа основан на полевом транзисторе с емкостной связью, соответственно, CCFET. За счет применения такого датчика газа можно достигать особенно небольшого типа конструкции сенсорного блока. Дополнительно транзисторы CCFET являются дешевыми в изготовлении за счет массового производства, имеют высокую чувствительность в диапазоне млн-1 и имеют длительный срок службы.
В одном варианте выполнения датчик газа является кантилеверным (Cantilever) датчиком. Кантилеверный датчик имеет по меньшей мере один так называемый кантилевер (или же микрокантилевер), которй является крохотным острием, таким, которые применяются также в растровых силовых микроскопах. Кантилевер покрывается материалом, который специально связывает подлежащие обнаружению газовые молекулы. Кантилевер может совершать колебания как пружина. Если дополнительные молекулы газа связываются на кантилевере, то изменяется масса кантилевера и тем самым частота колебаний, которая принимается в качестве измерительной величины. Если эта измерительная величина изменяется, то обнаруживается газ. Кантилеверные датчики имеют особенно высокую чувствительность в диапазоне млн-1.
В одном варианте выполнения датчик газа является датчиком на основе поверхностных акустических волн (SAW). В датчике SAW поверхностные волны распространяются на пьезокристалле и преобразуются в колебания напряжения. Если аналит связывается с расположенным на пьезокристалле материале, то изменяется его масса и тем самым волновая характеристика (время прохождения, соответственно скорость распространения, амплитуда, частота) поверхностной волны на пьезокристалле. Это изменение отображается в колебаниях напряжения, за счет чего обнаруживается аналит. Датчики газа SAW предпочтительно также имеют высокую чувствительность, быстрые характеристики срабатывания и длительный срок службы.
Указанные выше датчики газа имеют то преимущество, что они очень небольшие, что в свою очередь обеспечивает возможность выполнения небольшого типа конструкции сенсорного блока и тем самым газоанализатора. Дополнительно, потребность в энергии небольшая, так что сенсорный блок может эксплуатироваться в течение длительного времени. Также их время срабатывания для процесса измерения и нагревания, а также последующего охлаждения относительно небольшое, так что обеспечивается возможность быстрого измерения и подготовки к следующему измерению. Это существенно для обеспечения раннего предупреждения о присутствии газа.
В одном варианте выполнения сенсорный блок эксплуатируется короче в измерительном режиме, чем в режиме регенерации. Таким образом, промежуток времени измерительного режима короче промежутка времени режима регенерации. Предпочтительно измерительный блок эксплуатируется в измерительном режиме меньше одной минуты, предпочтительно меньше 10 с и особенно предпочтительно меньше одной секунды. Предпочтительно сенсорный блок эксплуатируется в режиме регенерации в течение меньше 10 мин, предпочтительно меньше 1 мин и особенно предпочтительно меньше 10 с. Предпочтительно сенсорный блок эксплуатируется попеременно в измерительном режиме и в режиме регенерации. Предпочтительно цикл из измерительного режима и режима регенерации длится меньше 5 минут, предпочтительно меньше 1 минуты. Чем короче цикл из измерительного режима и режима регенерации, тем раньше может осуществляться предупреждение о превышении порогового значения для подлежащего обнаружению газа.
В одном варианте выполнения нагревательный блок выполнен с возможностью нагревания датчика газа до температуры 20°С-400°С, предпочтительно 30°С-150°С. Однако, как указывалось выше, возможны также меньшие или большие температуры; существенным является лишь то, что датчик газа нагревается в режиме регенерации по сравнению с режимом измерения. В частности, нагревательный элемент предназначен для нагревания поверхности датчика, соответственно, рецептора датчика газа.
В одном варианте выполнения насосный блок выполнен с возможностью создания в измерительном канале разрежения меньше 500 мбар, предпочтительно меньше 100 мбар и особенно предпочтительно меньше 5 мбар. В частности, насосный блок выполнен с возможностью создания разрежения у датчика, соответственно, рецептора датчика газа меньше 500 мбар, предпочтительно меньше 100 мбар и особенно предпочтительно меньше 5 мбар. Указанные разрежения являются абсолютными разрежениями, так что соответствующее указанное давление имеется в измерительном канале или по меньшей мере в зоне рецептора.
В одном варианте выполнения сенсорный блок дополнительно имеет вычислительный блок для определения концентрации газа. Вычислительный блок является, например, компьютерным блоком. Определение концентрации газа содержит вычисление или выведение концентрации газа из измеренных величин, таких как время измерения, изменение сигнала, температура, давление и т.д. Предпочтительно вычислительный блок выполнен с возможностью определения газа на основе изменения сигнала во время измерения. Особенно предпочтительно вычислительный блок определяет концентрацию газа на основании крутизны изменения сигнала относительно времени измерения.
Согласно другому аспекту изобретение относится к газоанализатору с сенсорным блоком согласно данному изобретению. Описание предпочтительного газоанализатора для применения с сенсорным блоком, согласно данному изобретению, приведено в DE 10 2005 050 914 А1 и В4, полное содержание которого включается в данное описание. Предпочтительно, газоанализатор является переносным прибором. В частности, газоанализатор является прибором РАМ.
Согласно другому аспекту изобретение относится к способу эксплуатации сенсорного блока, согласно данному изобретению при этом способ имеет измерительный режим и режим регенерации и при этом режим регенерации имеет: создание разрежения в измерительном канале и нагревание датчика газа.
Указанные выше варианты выполнения можно произвольно комбинировать друг с другом и с указанными выше аспектами с целью достижения преимуществ изобретения. Ниже приводится, в качестве примера, описание предпочтительных комбинаций указанных выше вариантов выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг. 1 - принцип работы известного химического датчика газа;
фиг. 2 - пример выполнения сенсорного блока согласно изобретению;
фиг. 3 - пример выполнения датчика газа CCFET согласно изобретению;
фиг. 4 - процесс обнаружения аналита с помощью известного химического датчика газа;
фиг. 5 - сигналы датчика при различных процессах десорбции;
фиг. 6 - сигналы датчика при различных концентрациях аналита;
фиг. 7 - зависимость между крутизной сигналов датчика из фиг. 6 и концентрациями аналита;
фиг. 8 - фазы измерения и регенерации в зависимости от времени;
фиг. 9 - пример выполнения газоанализатора согласно изобретению; и
фиг. 10 - пример выполнения способа эксплуатации сенсорного блока согласно изобретению.
На фиг. 2 схематично проиллюстрирована конструкция сенсорного блока 10. Сенсорный блок 10 выполнен с возможностью обнаружения газа и имеет: герметичный измерительный канал 11, газовый вход 12 для ввода (обозначено стрелкой) газа в измерительный канал 11, газовый выход 13 для выпуска (также обозначено стрелкой) газа из измерительного канала 11 и насосный блок 14 для создания разрежения в измерительном канале 11.
Измерительный канал 11 имеет датчик 15 газа для обнаружения газа и нагревательный блок 16 для нагревания датчика 15 газа. Сенсорный блок 10 выполнен с возможностью эксплуатации в измерительном режиме и в режиме регенерации. В режиме регенерации в измерительном канале 11 создается разрежение и нагревается датчик 15 газа, за счет чего достигается быстрая и глубокая десорбция.
Датчик 15 газа является, например, транзистором CCFET (как показано на фиг. 3), который интегрирован в герметичный канал 11. Этот измерительный канал 11 может быть закрыт на своих обеих сторонах: на стороне подвода газа запорным клапаном 12 и на стороне отвода газа - насосом 14, который одновременно образует газовый выход 13.
На фиг. 3 показан датчик газа с использованием CCFET. Интегрированный в полупроводниковый конструктивный элемент полевой транзистор 21 соединен с электродами 22 и 23, которые в свою очередь имеют емкостную связь с чувствительным к газу слоем (рецептором) 24. Чувствительный к газу слой 24 взаимодействует в зависимости от концентрации аналита с газовыми молекулами в воздушном зазоре 25. Абсорбированные молекулы аналита изменяют поверхностный потенциал чувствительного к газу слоя 24. Это изменение приводит к изменению потенциала между электродами 22 и 23, которое обнаруживается с помощью полевого транзистора 21 и передается в измерительный преобразователь 26. Для нагревания чувствительного к газу слоя предусмотрен нагревательный блок 16.
Практически, при применении известных из уровня техники полевых транзисторов с емкостной связью получают зависящий от времени сигнал S, как показано на фиг. 4. Эксплуатация датчика разделена на два интервала времени: фазу измерения и фазу регенерации. Создаваемый в соответствии с прямоугольным ходом изменения концентрации К аналита сигнал имеет сначала почти линейное нарастание, при этом крутизна А с увеличивающейся нагрузкой становится все меньше и стремится к нулю. Это длится, как правило, несколько часов.
Это приводит к относительно длительному времени срабатывания, когда за основу принимается значение t90. В соответствии с этим на практике имеется также очень длительное время регенерации (t10). Оба значения неприемлемы для приборов газового предупреждения.
Для сокращения времени регенерации датчик 15 газа согласно изобретению временно нагревается и по существу одновременно в нем создается разрежение. За счет этого десорбция происходит существенно быстрее.
На фиг. 4 проиллюстрирован процесс обнаружения аналита с помощью определения крутизны А сигнала S датчика в качестве меры для концентрации К аналита. С помощью насосного блока 14 подлежащая анализу проба воздуха проводится через измерительный канал 11 около датчика 15 газа, соответственно рецептора 24. Давление соответствует почти соответствующему окружающему давлению. Молекулы аналита связываются с поверхностью рецептора 24 на подходящих рецепторных структурах, в частности на молекулах рецептора. Происходящее соединение приводит к изменению свойств поверхности рецептора 24, которые в свою очередь проявляются в виде изменения напряжения. На основании изменения свойства поверхности, в частности изменения напряжения, создается сигнал, ход изменения которого во времени показан на фиг. 4. Особый интерес представляет крутизна А сигнала, которая также измеряется.
Для оценки особый интерес представляет часть кривой сигнала S, которая образуется во время, в котором количество мест рецептора 24, которые уже абсорбировали молекулы аналита, еще значительно меньше количества имеющихся в целом в распоряжении мест абсорбции. Крутизна S определяется внутри этого довольно короткого интервала времени (например, меньше 15 с). После этого закрывается газовый вход измерительного канала 11 и в измерительном канале 11 создается разрежение с помощью насосного блока 14. Одновременно датчик 15 газа, соответственно его рецептор 15, нагревается с помощью нагревательного блока 16. За счет этой комбинации термической десорбции, а также вакуумной десорбции достигается как быстрый отвод десорбированных молекул аналита, так и имеющихся в газовой фазе молекул аналита, которые во время измерения еще не связались с поверхностью рецептора. Этот процесс является явно более эффективным, чем чистая, основанная лишь на повышении температуры или разрежении десорбция, как это можно видеть на фиг. 5а-5с.
На фиг. 5а-5с показаны кривые сигнала S во время фаз измерения и фаз регенерации.
На фиг. 5а показано сравнение сигналов S датчика при температуре датчика газа (соответственно, температуре поверхности рецептора) 40°С и при повышенной температуре датчика газа для термической десорбции при 60°С.
На фиг. 5а сплошная линия R показывает прохождение кривой при температуре поверхности рецептора 40°С. Сначала кривая R нарастает почти линейно. Затем прерывается подача аналита, сигнал R заметно падает, однако в рассматриваемый промежуток времени не достигает нулевого значения. Таким образом, остается остаток абсорбированных молекул аналита. Штриховая линия TD60 описывает прохождение кривой, когда после прерывания подачи аналита датчик 15 газа нагревается до 60°С. Это приводит к тому, что кривая стремится быстрее к нулевому значению.
На фиг. 5b показано сравнение сигналов S датчика при повышенной температуре датчика газа для термической десорбции при 60°С и при вакуумной десорбции при 40°.
На фиг. 5b показана также кривая TD60 для термической десорбции при 60°С. Она сравнивается с прохождением кривой VD40, когда в измерительном канале 11 с датчиком 15 газа создано разрежение. Сигнал VD40 также падает значительно быстрее, чем сигнал ТD60 термической десорбции, однако затем пересекает кривую ТD60 термической десорбции и не достигает в рассматриваемый промежуток времени нулевого значения.
На фиг. 5с сравниваются друг с другом сигналы S датчика, которые создаются при повышенной температуре датчика газа для термической десорбции при 60°С, и сигналы S датчика, которые наблюдаются при повышенной температуре датчика газа во время комбинирования вакуумной десорбции и термической десорбции при 60°С.
На фиг. 5с сравнивается кривая ТD60 термической десорбции при 60°С с кривой VD60 вакуумной десорбции при 60°С. Сигнал VD60 падает значительно круче, чем сигнал ТD60, и достигает также относительно быстро нулевого значения, которое соответствует по существу полной десорбции молекул аналита с поверхности рецептора. Если достигается нулевое значение, то после открывания запорного клапана в газовом входе 12 можно выполнять следующее измерение.
На фиг. 6 показаны различные сигналы S датчика при различных концентрациях К аналита. Зависящие от времени ходы изменения сигнала S датчика отличаются при различных концентрациях К аналита, как показано на фиг. 7. Для показанных на фиг. 6 сравнительных измерений на полевой транзистор с емкостной связью подавался аммиак различной концентрации. Во время фазы измерения (например, в течение 10 с) измеряется изменение сигнала в мВ и определяется соответствующая крутизна А. Изменения сигнала зависят от концентрации К аналита. Чем выше концентрация К аналита, тем больше соответствующая крутизна А.
На фиг. 7 показана зависимость между крутизной А сигналов S датчика из фиг. 6 и концентрацией К аналита. На фиг. 7 показаны определяемые после 10 с времени измерения значения кривизны А в зависимости от соответствующих концентраций К аналита. При этом имеется линейная зависимость между кривизной А сигнала датчика и концентрацией К аналита, которая может использоваться в вычислительном блоке 17 с целью определения концентрации газа, когда имеется крутизна А сигнала датчика в качестве измеренного значения.
За фазой измерения следует фаза регенерации. Фаза регенерации, как правило, длительнее фазы измерения, например составляет 50 с. Подача пробы газа прерывается, запорный клапан закрывается и с помощью насоса 14 отсасывается находящаяся над рецептором 14 газовая фаза. Это показано на фиг. 5 и 6, на которых интенсивность I сигнала падает в фазе регенерации до нуля, поскольку молекулы аналита, которые во время фазы измерения были связаны с рецептором 24, по меньшей мере почти полностью десорбируются в последующей фазе регенерации.
На фиг. 8 показан график последовательности во времени фаз 31, 32 измерения и регенерации. На фиг. 8 показаны повторяющиеся интервалы (циклы) из фазы 31 измерения и фазы 32 регенерации с соответствующим ходом изменения сигнала S датчика при постоянной концентрации К аналита. Измерение аналита происходит, например, в интервалах в одну минуту.
Режим регенерации согласно изобретению предоставляет, прежде всего, следующие преимущества: раннее определение концентрации К аналита из крутизны А по сравнению с известным определением t90 (см. фиг. 4) является предпочтительным, в частности для газоанализаторов 100, в которых быстрота измерения и предупреждения является непосредственно важной для безопасности и здоровья пользователя. Комбинация из вакуумной десорбции и термической десорбции приводит к особенно эффективной очистке, соответственно, десорбции поверхности рецептора. Глубокая десорбция в свою очередь является предпосылкой для применения указанного метода с использованием крутизны. Поверхность рецептора в целом загрязняется небольшим количеством молекул аналита. Это увеличивает также срок службы рецептора.
Показанный на фиг. 9 газоанализатор 100 имеет корпус, который составлен из нескольких частей корпуса, в частности из передней чаши 1 и задней чаши 2. На обеих внутренних сторонах корпуса предусмотрен соответствующий кольцеобразный удерживающий элемент 20 для приема сенсорного блока 10. Перед и после сенсорного блока 10 расположены демпфирующие промежуточные элементы 3, 4, например, из пенопласта или из микропористой резины. Кроме того, печатная плата 6 имеет отверстие 30 для приема сенсорного блока 10. Кроме того, на печатной плате 6 предусмотрен вычислительный блок 17, который, однако, может быть также интегрирован в сенсорный блок 10.
Сенсорный блок 10 соединен через соединительный элемент 5b со штекером 6b.
Отверстия 40 в корпусе образуют соединение с возможностью прохождения газа с окружением. Необязательной частью корпуса является конструктивный элемент, который служит в качестве блока 7 электроснабжения (например, батареи или аккумулятора).
Для универсального измерительного прибора 100 предусмотрено дополнительно несколько электрохимических датчиков 10 газа для специального измерения определенных газов, таких как, в частности, O2, Cl2, CO, CO2, H2, H2S, HCN, NH3, NO, NO2, PH3, SO2, амины, одоранты, COCl2 и органические пары.
Газоанализатор 100 предпочтительно предназначен, за счет соответствующей герметичности корпуса в собранном состоянии и/или за счет взрывобезопасного выполнения электрических конструктивных элементов, для использования во взрывоопасной зоне.
На фиг. 10 показана последовательность из фазы измерения и фазы регенерации. На первой стадии S1 сенсорный блок 10 эксплуатируется в измерительном режиме и выполняется измерительная фаза 31 с целью обеспечения возможности обнаружения аналита.
На второй стадии S2 сенсорный блок 10 эксплуатируется в режиме регенерации и выполняется фаза 32 регенерации. Фаза 32 регенерации содержит стадию S3 создания разрежения в измерительном канале 11, соответственно на рецепторе 24, и стадию S4 нагревания датчика 15 газа, соответственно рецептора 24.
После завершения фазы 32 регенерации рецептор 24 подготовлен для нового измерения, и начинается следующий цикл способа с выполнения следующего режима 31 измерения.
Перечень позиций
1 Передняя чаша
2 Задняя чаша
3,4 Промежуточные элементы
6 Печатная плата
6b Штекер
7 Блок электроснабжения
10 Сенсорный блок
11 Измерительный канал
12 Газовый вход
13 Газовый выход
14 Насосный блок
15 Датчик газа
16 Нагревательный блок
17 Вычислительный блок
20 Удерживающий элемент
21 Полевой транзистор
22 Первый электрод
23 Второй электрод
24 Рецептор, датчик, поверхность датчика (чувствительная к газу поверхность)
25 Воздушный зазор
26 Измерительный преобразователь
30 Отверстие
31 Фаза измерения
32 Фаза регенерации
40 Отверстия
100 Газоанализатор
t Время
I Интенсивность
S Сигнал сенсорного блока, соответственно, измерительного преобразователя датчика газа
K Концентрация аналита
A Крутизна
TD60 Сигнал сенсорного блока при термической десорбции при 60°С
VD40 Сигнал сенсорного блока при вакуумной десорбции при 60°С
VD60 Сигнал сенсорного блока при вакуумной десорбции при 40°С
R Сигнал сенсорного блока при температуре поверхности рецептора 40°С
S1 Стадия 1: измерение во время измерительной фазы 31
S2 Стадия 2: регенерация во время фазы 32 регенерации
S3 Стадия 3: создание разрежения на рецепторе
S4 Стадия 4: нагревание рецептора
Реферат
Группа изобретений относится к обнаружению и мониторингу газов и паров в окружающем воздухе. Представлен сенсорный блок для обнаружения газа, снабженный герметичным измерительным каналом, газовым входом для ввода газа в измерительный канал, газовым выходом для вывода газа из измерительного канала и насосным блоком для создания разрежения в измерительном канале, при этом измерительный канал включает в себя датчик газа для обнаружения газа и нагревательный блок для нагревания датчика газа, при этом сенсорный блок выполнен с возможностью эксплуатации в измерительном режиме и в режиме регенерации, и при этом в режиме регенерации в измерительном канале создается разрежение и нагревается датчик газа. Также описаны газоанализатор, содержащий вышеуказанный сенсорный блок, и способ эксплуатации сенсорного блока. Достигается возможность раннего и надежного газового предупреждения за счет более короткого времени срабатывания датчика. 3 н. и 4 з.п. ф-лы,10 ил.
Комментарии