Применение полупроводниковых газовых сенсоров в

сигнализаторе выбросов оксида углерода.

В.Д. Данилов, В.И. Квочка, И.В. Лебедев, Е.Н. Лебедева

В настоящее время полупроводниковые газовые сенсоры широко используются для анализа газов.

Принцип действия полупроводниковых газовых сенсоров основан на изменении электропроводности полупроводникового газочувствительного слоя при химической адсорбции на его поверхности газов. Это обстоятельство позволяет эффективно использовать их в приборах противопожарной сигнализации, а также в сигнализаторах опасных для человека концентраций токсичных газов, где они могут рассматриваться как альтернативные устройства наряду с применяемыми в настоящее время оптическими, тепловыми и электрохимическими сигнализаторами.

Водород является основным компонентом выделяемых газов на стадии тления в результате пиролиза материалов, используемых в строительстве, таких как древесина, текстиль, синтетические материалы. На начальной стадии пожара, в процессе тления концентрация водорода составляет 10 -20 ррм. В дальнейшем происходит нарастание содержания ароматических углеводородов на фоне присутствия недоокисленного углерода - моно оксида углерода СО, 20 - 80 ррм.

Эксперименты показали, что порог обнаружения системы раннего предупреждения пожара для большинства газов, в том числе для основных компонентов угарного газа: водорода и монооксида углерода - СО, должен находится на уровне 20 ррм в атмосферном воздухе при нормальных условиях, а быстродействие системы желательно иметь не хуже, чем 10 секунд. Именно этот вывод можно рассматривать как основополагающий и достаточный для разработок целого ряда предупреждающих пожарных газовых сигнализаторов. А такие характеристики, каквысокие чувствительность, селективность, быстродействие и дешевизна полупроводниковых газовых датчиков можно рассматривать как основное преимущество в сравнении с другими типами пожарных извещателей. Примерно такие же требования предъявляются к сигнализаторам промышленных выбросов оксида углерода.

Наиболее развитая технология производства толстопленочных полупроводниковых сенсоров предложена в РНЦ Курчатовский Институт.

Сенсоры изготавливаются по толстопленочной микроэлектронной технологии. В качестве подложки используется поликристаллическая окись алюминия, на нее с двух сторон наносятся нагреватель и металлооксидный газочувствительный слой (рис.1). Чувствительный элемент помещен в корпус защищенный проницаемой для газа оболочкой, удовлетворяющей требованиям взрывопожаробезопасности.

Сенсоры предназначены для определения концентраций горючих газов (метан, пропан, бутан, водород и т.д.) в воздухе в интервале концентраций от 0,001% до единиц процентов, а также токсичных газов (СО, арсин, фосфин, сероводород и т.д.) при концентрациях на уровне ПДК..

Сенсоры имеют рекордно низкую для своего класса электрическую мощность, необходимую для нагрева (менее 150 мВт).

Сенсоры могут применяться сигнализаторах утечки газов и системах противопожарной сигнализации.

Сигнализатор может быть эффективно использован в качестве противопожарного сигнального устройства как в жилых помещениях, так и на промышленных объектах. Дачные домики, коттеджи, бани, сауны, гаражи и котельни, технологические производства, основанные на использовании открытого огня и термообработки, предприятия горнодобывающей, металлургической и нефтегазоперерабатывающей промышленности, и, наконец, автомобильный транспорт - вот далеко не полный список объектов, где может быть использован сигнализатор "Сигнал-03К-СО".

Принцип работы сигнализатора основан на регистрации изменения сопротивления полупроводникового газочувствительного сенсора R, температура которого стабилизируется на уровне 120 °С в процессе измерений (рис 3, участок В-С; по ординате отложено отн. сопротивление сенсора). При этом нагревательный элемент включен в обратную связь операционного усилителя - терморегулятора и периодически, каждые 6 с , отжигается 0.5 с при температуре 450 С (рис. 3, участок 0-А), далее следует изотермическая релаксация сопротивления R при взаимодействии с угарным газом. Измерение R осуществляется перед следующим отжигом ( рис.3, точка С, далее следует отжиг -О).

Подобного рода пожарные извещатели раннего предупреждения, объединенные в единую сеть и контролирующие газовыделение при тлении материалов перед их возгоранием, размещенные на промышленных объектах, позволяют предупредить аварийные ситуации не только на наземных объектах пожарной охраны , но и в подземных сооружениях, угольных разрезах, где возгорание угольной пыли может произойти в результате перегрева оборудования транспортирующего уголь. Каждый датчик, имеющий световой и звуковой сигнал оповещения, способен не только информировать о степени неблагополучия загазованной территории, но и предупредить персонал, находящийся в непосредственной близости к экстремальному месту.

Стационарные пожарные датчики, установленные в жилых помещениях способны снизить вероятность взрыва бытового газа, избежать отравлений угарным газом и предотвратить пожары из-за неисправности бытовой техники или грубого нарушения ее условий эксплуатации, путем автоматического отключения из сети.

Рис.1. Устройство полупроводникового оксидного сенсора.

Рис.2. Пожарный извещатель ( оксид углерода )"Сигнал-03СО".

Рис.3.Наличии примеси угарного газа (СО ~10 ррм ) за период цикла:

отжиг (от 120 °С до 450 °С): 0-А, релаксация температуры (от 450 °С до 120 °С): А-В, изотермический участок (120 °С): В-С, измерение концентрации в точке С; по ординате отложено. сопротивление сенсора в отн.ед.

Рис.4. Сигнализатор оксида углерода "Сигнал-03К-СО".