Разработка полупроводникового сенсора для определения паров этилового спирта

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка полупроводникового сенсора для определения паров этилового спирта

Муродова З. Б., Яхшиликова Л.Ж., Абдурахманов Э.

Аннотация

В работе разработана полупроводниковая методика с улучшенными метрологическими характеристиками и на его основе создан сенсор для мониторинга паров этанола в выдыхаемом воздухе и технологических газах.

Одним из распространенных психотропных веществ, является этиловый спирт чрезмерное использование, которого не имеет себе равных. Количество этанола в выдыхаемом человеком воздухе является важнейшим индикатором и процедурным звеном освидетельствования состояния опьянения в медико-оздоровительных учреждениях и дорожно-патрульной службе. В связи с этим, контроль за его концентрацией в газо-воздушных системах представляет собой одной из важнейших задач техники безопасности, решения различных экологических и медицинских проблем.

Из всех используемых в практике методов мониторинга содержания этанола наиболее широко применяются химические, газохроматографические, термокаталитические и полупроводниковые методы [1,23; 2,115; 3,10]. Наибольшую точность измерения концентрации этилового спирта из парогазовой смеси получается газовой хроматографией. Однако, этот метод требует достаточно громоздкой и дорогой аппаратуры, а также подготовки высококвалифицированного специалиста. Преимуществами полупроводникового и термокаталитического метода и созданного на их основы газоанализаторов являются простота в эксплуатации, портативность и быстродействие. В связи с этим, разработка, высокоэффективных, точных методов и создание на их основе полупроводниковых сенсоров этанола является актуальной проблемой современной аналитической химии.

Целью данной работы являются оптимизация условий разработки полупроводниковых методов с улучшенными метрологическими характеристиками и создание на их основе высокоэффективных сенсоров концентраций паров этилового спирта.

В ходе экспериментов используя газочувствительных полупроводниковых материалов и оптимизированные условия проведения анализа, был изготовлен полупроводниковый сенсор (ППС) для определения содержания этанола в смеси газов. Программа испытания сенсора включала специальные эксперименты, связанные с подбором оптимального величины напряжения питания, установлением времени готовности прибора, динамическими и градуировочными характеристиками, а также выявлением степени его селективности. Результаты, полученные при подборе оптимального напряжения питания представлены на рис.1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Зависимость аналитического сигнала ППсС₂Н₅ОН от напряжения питания сенсора (содержание спирта в смеси 350мг/м³).

Как следует из приведенных данных, наиболее высокие сигналы сенсоров наблюдаются соответственно при значении питания, равной 3,1В. Поэтому все последующие опыты по определению концентраций этанола проводились при этих значениях напряжения питания сенсоров.

Результаты определения динамических характеристик сенсора позволили установить, что у разработанных сенсоров время начала реагирования (t_0,1)-3 с, постоянное время (t_0,65) не более 6-8 с, а время установления показаний (t_0,9)- достигает до 14 с и полное время измерения (t_п) 17-19 с. Приведенные данные показывают возможность экспрессного определения этанола разработанными сенсорами. Зависимость полезного аналитического сигнала ППСС₂Н₅ОН от концентрации спирта устанавливалась в широком интервале его концентрации пропусканием через разработанный сенсор парогазовой смеси этанола в воздухе. Результаты экспериментов по определению градуировочной характеристики сенсора ППСС₂Н₅ОН приведены на рис. 2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.Зависимость сигнала (Е) сенсора от количества этанола(С_сп) в смеси

Как следует из приведенных данных, в изученном интервале зависимость сигнала от концентрации этанола в смеси имеет прямолинейный характер. этанол концентрация опьянение полупроводниковый

Проверка постоянства величин входных сигналов по времени контролировалась при непрерывной работе сенсора в течение 500 час. Результаты 500-часового эксперимента представлены в таблице 1., из которых следует, что выходной сигнал ППСС₂Н₅ОН в течение регламентированного интервала времени сохраняется достаточно стабильно.

Таблица 1 Результаты определения стабильность ППСС₂Н₅ОН (СС₂Н₅ОН=1000 мг/м³, n=5, p=0,95)

Селективность работы сенсора паров этанола определяли в присутствии горючих компонентов, присутствующих вместе с контролируемым объектами. Результаты, полученные при установлении селективности разработанных сенсоров этанола, представлены в таблице 2.

Таблица 2 Результаты установления селективности ППСС₂Н₅ОН (n = 5, Р = 0,95)

Как следует из приведенных данных, разработанный сенсор позволяет селективно определять пары спирта в выдыхаемом воздухе и технологических газах в присутствии Н₂, СО и паров бензина. Погрешность сенсоров при определении компонентов газовой смеси не превышает 1,5 %.

Проверка влияния температуры анализируемой парогазовой смеси на значение входных сигналов ППСС₂Н₅ОН проводили в диапазоне -10 - +50 ⁰С. Результаты определения изменения сигнала ППСС₂Н₅ОН 1М и ППСС₂Н₅ОН 2М, обусловленные изменением температуры окружающей среды, представлены в таблице 3., из которых следует, что в изученном интервале изменения температуры газовой среды не оказывают существенного влияния на значения аналитического сигнала сенсора.

Таблица 3 Зависимость сигнала ППСС₂Н₅ОН от температуре газовой смеси (СС₂Н₅ОН - 750 мг/м³ , n=5, Р=0,95)

Испытания по выявлению воздействия давления на аналитического сигнала сенсора проводились в интервале 600-900 мм. рт. ст.

Таблица 4 Результаты определения количество спирта при различных давлениях (СС₂Н₅ОН-500 мг/м³ , n=5, Р=0,95)

Как следует из приведенных данных (таблица 4), в изученном диапазоне изменение давления газовой среды практически не оказывает существенного влияния на значение выходного сигнала сенсора.

В результате проведенных опытов разработан селективный ППС спирта, обеспечивающий экспрессное определение этанола в широком интервале его концентрации в выдыхаемом воздухе и технологических газах.

Изменение расхода газовой смеси в исследуемом интервале (1 - 20 л/ч) не оказывает существенного влияния на значение выходного сигнала сенсора. Выходной сигнал сенсоров также не зависит от расположения в пространстве и углов наклонов, что позволяет отнести разработанные сенсоры (согласно ГОСТу-13320-82) к типу независимых. Разработанные сенсоры по точности и воспроизводимости нисколько не уступают известным зарубежным аналогам, сохранив при этом следующие характеристики: экспрессность, портативность, простоту в изготовлении и эксплуатации.

Заключение

Изучены закономерности золь-гель процесса синтеза газочувствительных полупроводниковых пленок из оксидов металлов и тетроэтоксисилана. Разработана полупроводниковая методика с улучшенными метрологическими характеристиками и на его основе создан сенсор для мониторинга паров этанола в выдыхаемом воздухе и технологических газах. Созданные сенсоры позволяют определять пары этилового спирта в присутствии СО, водорода, природного газа, паров бензина и воды в широких интервалах их концентраций. Полупроводниковые сенсоры в широких интервалах концентраций этанола обладают лучшими метрологическими характеристиками и эксплуатационными параметрами, отвечающими требованиям соответствующих ГОСТ ов.

Оценены основные метрологические характеристики и эксплуатационные параметры разработанных селективных сенсоров определения этанола. Область применения разработанных сенсоров: экологический мониторинг атмосферного воздуха и технологических газов, предрейсовый и предсменный осмотр водителей, анализ в процедурных комнатах, клиник и поликлиник для точного определения клинического состояния пациентов и др. а также могут быть использованы как средство самоконтроля.

Литература

1. Бушуев Е.С, Бабаханян Р.В., Исаков В.Д. Определение этилового спирта в выдыхаемом воздухе и биологических жидкостях (справочно-информационное пособие). СПб.: Юридический центр Пресс, 2008. С. 23-64.

2. Абдурахманов Э., Муродова З.Б., Яхшиликова Л. Ж. Кинетика и механизм окисления этилового спирта на поверхности катализатора термокаталитического сенсора.//Журн. хим. промышленность СПб, 2011. Т.88. №3. С. 115-119.

3. Муродова з. б. Разработка сенсора и газоанализатора для определения паров этилового спирта//Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук. Ташкент, 2012

Размещено на allbest.ru