автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка приборов для контроля сероводорода в воздухе на основе датчика с гетеропереходом вида n-GaAs/p-CuPe

На правах рукописи

Бабкин Андрей Николаевич

РАЗРАБОТКА ПРИБОРОВ ДЛЯ КОНТРОЛЯ СЕРОВОДОРОДА В ВОЗДУХЕ НА ОСНОВЕ ДАТЧИКА С ГЕТЕРОПЕРЕХОДОМ ВИДА и-СаАв/р-СыРе

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2004

Работа выполнена на кафедре электрооборудования Вологодского государственного технического университета

Научный руководитель:

Доктор физико-математических наук Федоров Михаил Иванович

Официальные оппоненты:

Заслуженный деятель науки Российской Федерации,

доктор физико-математических наук, профессор РГРТА (г. Рязань)

Вихров Сергей Павлович

Кандидат технических наук, начальник лаборатории лазерной и инфракрасной техники Вологодского оптико-механического завода Сторошук Остап Богданович

Ведущая организация:

Северо-Западный НИИ молочного и лугопастбищного хозяйства (г. Вологда, п. Молочное)

Защита состоится " 23 " ноября 2004 г., в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.119.01 в Московской государственной академии приборостроения и информатики по адресу:

107846, г. Москва, Стромынка, 20, тел. (095) 268-01-01

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГАПИ «Московская государственная академия приборостроения и информатики».

Автореферат разослан октября 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

В.В. Филинов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблема мониторинга окружающей среды в настоящее время приобрела исключительную важность в связи с ухудшением общей экологической ситуации. Нарастающее загрязнение атмосферы не только вблизи предприятий нефтеперерабатывающей и химической промышленности, но и в жилых районах, приводит к необходимости создания дешевых газовых сенсоров, обладающих высокой чувствительностью к присутствию следовых количеств различных токсичных газов. Среди широкого круга экологических проблем задача определения содержания И28 стоит особенно остро, что связано с высокой токсичностью сероводорода. Значения предельно допустимых концентраций (ПДК) сероводорода в атмосфере составляют 10 мг/м3 для рабочей зоны и 1 - мг/м3 для жилой зоны, что значительно ниже значений ПДК для большинства других токсичных газов. Сложность обнаружения И28 газовыми сенсорами связана с эффектом маскировки, так как обычно он сопровождается другими газами — восстановителями (И2, СН4, 802), которые присутствуют в значительно большей концентрации. В связи с этим при разработке газовых сенсоров на сероводород наряду с высокой чувствительностью материала не менее важным является повышение его селективности.

В последние годы, во многих странах мира, таких как США, Япония, Франция, Германия, Италия, а также в России, разработке полупроводниковых сенсоров уделяется значительное внимание. Однако к настоящему времени проблема создания чувствительного и селективного полупроводникового газового сенсора на серосодержащие газы остается открытой. К моменту начала настоящей работы в литературе обнаружено ограниченное число публикаций, посвященных проблеме создания полупроводниковых газовых сенсоров на серосодержащие газы. Промышленно выпускается небольшое число полупроводниковых сенсоров, в частности на основе 8и02, кроме того, предложено использовать в качестве сенсоров на И28 тонкие пленки и нанокристаллические материалы на основе ^03. Основными причинами ограниченного внедрения в промышленное производство полупроводниковых сенсоров на серосодержащие газы, несмотря на их высокую чувствительность, являются недостаточная селективность, высокая рабочая температура и чувствительность к влажности атмосферы. Ограничение по рабочей температуре связано с опасностью взрывов при анализе природных газовых смесей, обогащенных водородом и углеводородами.

На основании вышеизложенного, можно сделать вывод об актуальности задачи разработки датчиков и приборов для контроля сероводорода, сочетающих наряду с достаточной чувствительностью, селективностью и стабильностью параметров низкую рабочую температуру и стоимость.

Целью диссертационной работы является разработка способа изготовления датчика сероводорода на основе гетероперехода вида п-GaA/p-CuPc, его исследование и создание приборов для контроля НгБ в воздухе производственных помещений. В соответствии с поставленной целью, в работе решались следующие основные задачи:

1. Разработать способ изготовления датчика сероводорода на основе гетероперехода вида n-GaA/p-CuPc.

2. Исследовать влияние режимов работы датчика сероводорода в среде производственных помещений на его фото-э.д.с. и чувствительность.

3. Разработать теоретические модели, устанавливающие взаимосвязь фото-э.д.с. и чувствительности датчика с концентрацией сероводорода и рабочей температурой.

4. Разработать экспериментальные модели, устанавливающие взаимосвязь фото-э.д.с. и чувствительности датчика с температурой, концентрацией и временем воздействия сероводорода.

5. Исследовать процессы функционирования и деградации датчика концентрации сероводорода в условиях производственных помещений.

6. Разработать приборы для контроля сероводорода в воздухе производственных помещений на основе датчика с гетеропереходом вида п-GaA/p-CuPc.

Методы исследования.

Представленные в работе теоретические исследования проведены с использованием зонной теории твердых тел, раздела "Фотоэлектрические явления" физики полупроводников и теории адсорбции. При обработке экспериментальных данных использовался метод статистического планирования эксперимента.

Научная новизна.

1. Разработан способ изготовления датчика сероводорода на основе гетероперехода вида n-GaA/p-CuPc, позволяющий упростить технологию изготовления и снизить рабочую температуру. Способ изготовления защищен патентом [11].

2. Разработана теоретическая модель, устанавливающая взаимосвязь фото-э.д.с. датчика с концентрацией сероводорода и рабочей температурой.

3. Исследованы процессы функционирования и деградации разработанного датчика вида n-GaAs/p-CuPc.

Практическая ценность.

1. Предложен способ измерения концентрации сероводорода в воздухе, сочетающий наряду с высокой чувствительностью, селективностью и стабильностью измерений низкую рабочую температуру датчика (от10до40°С).

2. Разработаны экспериментальные модели, устанавливающие взаимосвязь фото-э.д.с. и чувствительности датчика с температурой, концентрацией и временем воздействия сероводорода.

3. На основе датчика вида n-GaAs/p-CuPc разработаны прибор и многоканальная система для контроля содержания сероводорода в воздухе производственных помещений. Разработаны принципиальные электрические схемы устройств. Применение данных технических средств дает возможность точно, оперативно и безопасно осуществлять контроль концентрации сероводорода для своевременного принятия мер по обеспечению безопасных условий труда человека.

Реализация работы.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы при разработке и создании измерителя концентрации сероводорода и реализованы при контроле сероводорода на компрессорной станции №17 Грязовецкого линейного производственного управления магистральных газопроводов.

Апробация работы.

Основные результаты работы доложены на IX-международном молодежном экологическом форуме стран балтийского региона "Экобал-тика'2002", Санкт-Петербург, 21-23 октября 2002 г.; на Второй международной научно-технической конференции, Вологда, ВоГТУ, 2003; на Всероссийской научно-практической конференции "Энергетика, экология, экономика средних и малых городов. Проблемы и пути их решения", 2003; на III региональной межвузовской научно-технической конференции "Вузовская наука региону", Вологда, ВоГТУ, 2002; на Всероссийском научно-техническом семинаре "Экологическая безопасность регионов России и риск от техногенных аварий и катастроф", г. Пенза, 2004; в журнале "Сенсор", 2002г., №1; на заседаниях кафедры электрооборудования ВоГТУ в 2001-2004 г.

Публикации.

Основное содержание диссертации отражено в 9 печатных трудах. Способ изготовления датчика сероводорода защищен патентом на изобретение [17].

По смежным направлениям исследований опубликовано 9 работ, из которых 1 патент, 1 свидетельство на полезную модель, 1 статья в журнале "ПТЭ" РАН. Работа "Исследование и разработка устройств для

контроля аммиака" удостоена государственной молодежной премии Вологодской области по науке и технике за 1998 г.

Положения, выносимые на защиту-

1. Способ изготовления датчика сероводорода на основе гетероперехода вида п-ОаЛз/р-СиРс.

2. Теоретические и экспериментальные модели, описывающие основные закономерности процессов функционирования датчика сероводорода на основе гетероперехода п-ОаЛз/р-СиРс.

3. Схемы и характеристики технических средств для измерения концентрации сероводорода в воздухе производственных помещений, позволяющих уменьшить температуру чувствительного датчика до температуры окружающей среды.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложений и изложена на 121 странице машинописного текста, содержит 30 рисунков, 9 таблиц. Список литературы содержит 142 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, изложены основные проблемы и дана характеристика работ в данной области. Сформулированы цель, научная новизна и практическая ценность работы.

В главе I обоснованы требования к устройствам для контроля сероводорода в производственных помещениях. Сероводород по совокупности своих отрицательных воздействий на человека и технологическое оборудование является одним из наиболее опасных газов в атмосфере производственных помещений, поэтому эффективный контроль и поддержание его концентрации в допустимых пределах необходимы.

Аналитическим обзором установлено, что в качестве чувствительных датчиков газоанализаторов, используемых в производственных помещениях, перспективно использование полупроводниковых химических сенсоров, обеспечивающих долговременную стабильность, высокую надежность, жесткие условия эксплуатации, высокие точность и чувствительность, малые габаритные размеры, массу и энергопотребление, информационную, конструктивную и технологическую совместимость с микроэлектронными средствами обработки информации, малую стоимость. Кроме того, концентрация детектируемых частиц преобразуется непосредственно в электрический сигнал, а электронная оснастка прибора представляет собой простейшую электрическую схему.

Однако в настоящее время промышленностью выпускается ограниченное число приборов для измерения концентрации сероводорода. Все устройства на основе датчиков из неорганических полупроводников, в процессе измерения, требуют нагрева чувствительного элемента до достаточно высоких температур, которая в некоторых случаях достигает 400°С и выше. Данное обстоятельство накладывает некоторые ограничения на их применение. Для нагрева датчика необходимо дополнительное время, затягивающее процесс измерения, кроме того, увеличивается потребляемая устройством мощность.

Таким образом, делается вывод, что весьма актуальным является создание нового датчика и устройств на его основе, сочетающих перечисленные выше преимущества, а также низкую рабочую температуру и стоимость. Решению этой задачи и посвящена данная работа.

В главе II проведен теоретический анализ влияния концентрации сероводорода и рабочей температуры датчика H2S на его фото-э.д.с. и чувствительность.

В данной работе использовался синтезированный и очищенный химическими методами в Ивановской государственной химико-технологической академии фталоцианин меди (СuРс). Синтезированный СцРс содержит акцепторную примесь кислорода, который обуславливает р-тип его проводимости. Адсорбция донорного газа И28 на поверхности чувствительного материала датчика приводит к увеличению концентрации неосновных носителей заряда. В результате уровень ферми смещается вверх и фото-э.д.с. полупроводникового датчика падает. Взаимодействие является обратимым.

В общем виде уравнение связывающее напряжение на зажимах и ток через р-п переход запишется в виле:

где 1а - ток короткого замыкания р-п перехода; 1-ток текущий через р-п переход; 15 - полный ток насыщения; и - напряжение на зажимах р-п перехода; д - заряд электрона; к - постоянная Больцмана; Т -абсолютная температура.

Значение фото-э.д.с. датчика, которое соответствует напряжению на зажимах разомкнутой цепи, определяется из (1), при 1=0. Кроме того, необходимо ввести коэффициент идеальности барьера, который в нашем случае равен 2, а также учесть, что основной вклад в генерацию неосновных носителей зарядов под действием света вносит полупроводник р-типа. Значение фото-э.д.с. без воздействия сероводорода определяется выражением:

где диффузионная длина электронов в р-области; - время жизни электронов в р-области, - концентрация электронов в р-области.

При воздействии на датчик молекул сероводорода, последние адсорбируются на поверхности полупроводника СцРс. Электроны молекул И28 отделяются и играют роль дополнительных, неосновных носителей заряда, которые увлекаются сильным электрическим полем барьера и перебрасываются в п-область. В результате, появляется дополнительный ток неосновных зарядов (1г). Значение фото-э.д.с. в этом случае находится по формуле:

(1)

(2)

Величина 1К] определяется числом неосновных носителей заряда, созданных квантами света в области р-п перехода датчика:

где Е/Ну- число фотонов, падающих каждую секунду на единицу поверхности; а- квантовый выход.

Дополнительный ток 1г обусловленный электронами молекул И28 определяется выражением:

Чк

/ =-

■zC',

(5)

где z = const - коэффициент учитывающий адсорбцию и ионизацию молекул сероводорода, С - концентрация H2S в воздухе; у — коэффициент адсорбции СиРс.

Выражение для фото-э.д.с. в окончательном варианте имеет вид:

цаЕт„

j, 2kTx U„=-In

- + 1

(6)

+ дЬягС')

Чувствительность датчика определяется как отношение фото-э.д.с. датчика в воздухе к фото-э.д.с. в газовой среде:

(7)

ß-Ok

vi

Из полученных результатов можно сделать следующие выводы. С ростом концентрации сероводорода в воздухе, при постоянной температуре, фото-э.д.с датчика уменьшается. Это объясняется формулой (6), т.к. растет концентрация неосновных носителей заряда в р-области. С ростом рабочей температуры, при постоянной концентрации сероводорода, фото-э.д.с. датчика также падает, что объясняется выражением (2),

с учетом того, что п„

f'2, а -*- = и=ßE, при этом ¡л ~ tn. Поэтому Un

~ Т-ЩХ/Т2), т.е. с увеличением температуры среды фото-э.д.с. датчика уменьшается. Полученные выражения (6) и (7) для электрофизических параметров датчика И28 позволяют рассчитать его фото-э.д.с. и чувствительность в зависимости от концентрации сероводорода (в диапазоне от 5 до 100 мг/м3) и рабочей температуры (от 10 до 40 °С).

В главе III изложена методика и результаты экспериментальных исследований режимов работы датчика концентрации сероводорода в производственных помещениях. Проведены детальные исследования влияния концентрации сероводорода, рабочей температуры и времени воздействия H2S на датчик. Кроме того, теоретические исследования

влияния режимов работы датчика сероводорода на его электрофизические характеристики, рассмотренные во второй главе, нуждаются в экспериментальной проверке. Оценка влияния разных факторов на фото-э.д.с. и чувствительность датчика проводилась с использованием метода статистического планирования эксперимента, которому предшествовали поисковые исследования с целью выбора воздействующих факторов и обоснование уровней их варьирования. Реализован план эксперимента З3. В качестве воздействующих факторов приняты концентрация сероводорода, рабочая температура и время воздействия И28 на датчик.

Экспериментальные исследования проводились с датчиком, конструкция которого приведена на рис. 1. Подложка датчика состоит из пластинки полупроводника ваЛ 2. Для нанесения на подложку слоя органического полупроводника 3 использовался метод вакуумной сублимации на промышленной установке ВУП-4. Снизу, на слой ваЛя, напылен нижний омический электрод из Аи 1. Сверху, на слой органического полупроводника СиРс напылен верхний полупрозрачный, пористый, омический электрод из Аи 4.

РИС. 1. Конструкция датчика сероводорода: 1 - нижний омический электрод из Аи; 2 - монокристаллическая пластинка из арсенида галлия (ваЛя); 3 - тонкий слой фталоцианина меди (СиРс); 4 - пористый, полупрозрачный электрод из Аи

Способ изготовления образца датчика состоит в следующем. На монокристаллическую пластинку арсенида галлия, после травления ее в растворе И202:КИ40И:И20 (1:1:3), в вакууме наносится нижний омический электрод из Аи. За тем, после поворота образца, на противоположную его сторону напыляется тонкий слой СиРс (20 нм). Температура подложки в процессе напыления слоя СиРс поддерживается равной 50-70°С, это позволяет получить компактный слой органического полупроводника и не приводит к отрицательному воздействию на образование гетероперехода. После напыления слой СиРс подвергается

легированию кислородом воздуха. За тем, на слой органического полупроводника напыляется верхний полупрозрачный, пористый электрод из Аи.

В процессе исследований, по спектральной характеристике датчика, было установлено, что он обладает максимальной фоточувствительностью, по фото-э.д.с, при воздействии светом с А,=650 нм. Поэтому, при дальнейших экспериментах для облучения датчика сероводорода использовался светодиод с длиной волны

В результате проведенного полного факторного эксперимента получили следующие уравнения регрессии для фото-э.д.с. U и чувствительности датчика:

U = 128.45 - 48.58С - 20.77/ - 14.32г + 20.16С2 + 0.38/2 + + б.ОЗг2 + 5.69С/ - 9.59Сг + 2.56/г + 1.54С/Г ; (8)

ß = 1.683 + 0.534С + 0.002/+0.222г - 0.039С2 - 0,005/2 - ^

-0.053г2 + 0.01С/+0.216Сг - 0.005/ г - 0.003С/ г

Воспроизводимость результатов оценивалась по критерию Кохрена. Проверка моделей (9) и (10) на адекватность оценивалась по критерию Фишера. Для выражения (8): ф=0,086<фт=0,П7; F=1,33<Ft=2. Для выражения (9): ф=0,085<фт=0,117; F=1,41<Ft=2. Таким образом, обе модели имеют воспроизводимые результаты и являются адекватными.

Из (8) и (9) получены частные уравнения регрессии и построены зависимости фото-э.д.с. и чувствительности датчика при фиксировании факторов на различных уровнях. На рис. 2 представлены зависимости фото-э.д.с. датчика сероводорода от времени при различных концентрациях H2S и рабочих температурах. По динамическим свойствам датчик сероводорода представляет собой апериодическое звено первого порядка с постоянной времени 60 с. Сделан вывод, что время необходимое для измерения составляет 180 с.

Рис. 2. Зависимости фото-э.д.с датчика от времени при различных концентрациях сероводорода и рабочих температурах:

1 - С=100 мг/м3,1=40 °С, и = 85.34 - 19.81г + б.ОЗг2;

2 - С=52,5 мг/м3, *=25 °С, и = 128.45 - 14.32г + б.ОЗг2;

3 - С=5 мг/м3, 0 °С, и = 224.04 - 5.74г + б.ОЗг2

При изучении влияния концентрации сероводорода и рабочей температуры на фото-э.д.с. и чувствительность датчика фактор времени фиксировали на верхнем уровне. На рис. 3 приведены зависимости фо-то-э.д.с. датчика от концентрации сероводорода при различных температурах.

Рис. 3. Зависимости фото-э.д.с. датчика от концентрации сероводорода при различных рабочих температурах: 1 -1=40 °С, г=180 с, 11 = 102.33 - 50.94С + 20.15С2;

2-1=25°С, г=180с, и = 120.16-58.17С + 20.16С2;

3-1=10 °С, 7=180 с, 1/ = 138.75 -65.41С + 20.16С2

На рис. 4 приведены зависимости чувствительности датчика НгБ от рабочей температуры при различных концентрациях сероводорода. Р

М- -1

"К- н-ы

10 15 20 25 30 35 40

Рис. 4. Зависимости чувствительности датчика от рабочей температуры при различных концентрациях сероводорода:

1 -С=100 мг/м\ г=180 с, Р = 2.56 + 0.005? - 0.005(2;

2 - С=52,5 мг/м3, г=180 с, /7 = 1.85 - 0.003/ - 0.005/2;

3 -С=5 мг/м3, г=180 с, ^ = 1.06—0.0—0.05/2

На рис. 5 приведена зависимость чувствительности датчика от концентрации НгБ.

Р

0 20 40 60 80 100

С, МГ/М5

Рис. 5. Зависимость чувствительности датчика от концентрации сероводорода:

^25 "С, г= 180 с, р = 1.85 + 0.75С-0.04С2

Из зависимостей на рис. 2 и 3 видно, что с ростом концентрации сероводорода и рабочей температуры фото-э.д.с. датчика уменьшается. Чувствительность датчика по фото-э.д.с. р слабо зависит от температуры (рис. 4). В диапазоне температур от 10 до 40°С изменение чувствительности составляет менее 1 %.

С целью практического применения датчика концентрации H2S в производственных помещениях было проведено исследование его деградации с помощью камеры искусственного климата при воздействии сероводорода (концентрации от 5 до 200 мг/м3) в течение 500 часов, различных температурах окружающей среды (от 2 до 40 °С) и влажно-стях воздуха (от 70 до 95 %), что соответствует параметрам среды производственных помещений. В результате эксперимента фото-э.д.с. датчика изменилась на 2-4 %, а чувствительность уменьшилась на 1-4%.

Анализируя результаты теоретических расчетов и экспериментальных исследований влияния концентрации сероводорода и рабочей температуры на электрофизические характеристики датчика (табл. 1, 2), отмечаем, что с учетом доверительного интервала имеет место расхождение результатов до 8,5 %. Таким образом, существует удовлетворительная сходимость между теоретическими и экспериментальными значениями фото-э.д.с. и чувствительности.

Таблица 1

Сравнение теоретических и экспериментальных данных _по фото-э.д.с датчика сероводорода_

Таблица 2

Сравнение теоретических и экспериментальных данных _по чувствительности датчика сероводорода _

т, Концентра- Теоретическое Экспериментальное Ошиб-

°с ция H2S, значение чувстви- значение чувстви- ка, %

мг/м3 тельности тельности

10 5,00 1,09 1,10 1,4

28,75 1,52 1,40 8,5

52,50 1,89 1,78 6,0

76,25 2,23 2,22 0,3

100,00 2,56 2,64 2,9

25 5,00 1,07 1,09 2,1

28,75 1,46 1,40 4,4

52,50 1,84 1,80 2,2

76,25 2,20 2,25 2,1

100,00 2,56 2,63 2,5

40 5,00 1,05 1,07 1,3

28,75 1,42 1,39 1,6

52,50 1,79 1,81 0,9

76,25 2,17 2,26 3,8

100,00 2,56 2,59 0,8

В главе IV разработаны технические средства обеспечения контроля сероводорода в производственных помещениях, приведены их принципиальные электрические схемы, технические и метрологические характеристики. Из теоретических и экспериментальных исследований получены зависимости фото-э.д.с. и чувствительности датчика от концентрации И28, рабочей температуры и времени измерения, кривые деградации датчика. На основании этих данных разработаны измерители концентрации сероводорода (ИКС) для промышленных предприятий и автоматическое многоканальное устройство непрерывного контроля ИД

Структурная схема измерителя концентрации сероводорода ИКС-2 приведена на рис. 6. Результат измерения выражен в мг/м3 и отображается на жидкокристаллическом дисплее 5. В основе ИКС-2 лежит микроконтроллер (МК) 4, со встроенным аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Излучающий светодиод 2 включается по команде с МК. Сигнал с датчика сероводорода 1 поступает на аналоговый вход МК. Температура окружающего воздуха контролируется с помощью инте-

грального датчика температуры 3. Обработка сигналов выполняется программно.

Рис. 6. Структурная схема измерителя концентрации сероводорода ИКС-2:

1 - полупроводниковый датчик сероводорода; 2 -излучающий светодиод; 3 - датчик температуры; 4 - микроконтроллер; 5 - жидкокристаллический индикатор

Моноканальная система автоматического контроля содержания сероводорода в воздухе (МСКС) предназначена для одновременного и непрерывного контроля содержания Н^ в воздухе контролируемых зон, а случае превышения допустимого уровня концентрации выдает звуковой и световой сигнал тревоги с указанием номера зоны.

МСКС может применяться в производственных помещениях, где возможно образование или утечка сероводорода и необходимо принятие своевременных мер по предупреждению или ликвидации аварийной ситуации с целью обеспечения безопасности ведения работ.

МСКС состоит из базового модуля и первичных преобразователей. К одному базовому модулю может быть одновременно подключено до 6 первичных преобразователей.

Структурная схема МСКС приведена на рис. 7. Базовый модуль содержит узел ввода и обработки поступающей информации, узел отображения и узел сигнализации. В основе базового модуля лежит микроконтроллер, а алгоритм работы задается программно. Узел отображения предназначен для индикации уровня концентрации сероводорода в выбранной зоне. Узел сигнализации предназначен для информирования человека о превышении в одной или нескольких зонах заданного уровня концентрации. Первичные преобразователи подключены к базовому модулю с помощью электрического кабеля.

4

5

3

Первичные

Рис. 7. Структурная схема многоканальной системы

автоматического контроля содержания сероводорода в воздухе

Рабочие условия эксплуатации средств контроля сероводорода: температура от 10 до +40 °С; относительная влажность до 95 % (при отсутствии конденсации); атмосферное давление от 86 до 106 кПа; напряжение питания 9В (для МСКС питание от сети переменного тока напряжением 220 В от -15 до +10 % частотой 50±1 Гц).

Технические характеристики устройства контроля H2S (на примере ИКГ-2): порог чувствительности 5 мг/м3; диапазон измерения 5-100 мг/м3; основная погрешность не более: в диапазоне 5-20 мг/м3 - приведенной у =±15 %, в диапазоне 20-100 мг/м3 - относительной Д0=±15 %; время установления показаний 180 с; потребляемая мощность 0,2 Вт; средний срок службы датчика 2 года; масса измерителя 0,2 кг; габаритные размеры 120x70x25 мм. Дополнительные погрешности при изменении: температуры Д( на каждые 10 °С относительно 25 "С не более 0.2-Д0; влажности Дф на каждые 10 % относительно 60 % не более 0.2-Д0; напряжения Av от минус 15 до 10% не более O.I-Aq.

Заключение содержит следующие результаты и выводы.

1. Разработан способ изготовления датчика сероводорода на основе гетероперехода n-GaAs/p-CuPc, заключающийся в напылении газочувствительного слоя фталоцианина меди на подложку из арсенида галлия и его легировании кислородом в низком вакууме. Новизна датчика подтверждена патентом на изобретение [11].

2. Отличительной особенностью датчика на основе гетероперехода n-GaAs/p-CuPc является простота конструкции и возможность работы при температуре окружающего воздуха (от 10 до 40 °С) без нагревателя.

3. Исследовано влияние концентрации, рабочей температуры и времени воздействия сероводорода на фото-э.д.с. датчика. Из результатов исследований следует, что с увеличением концентрации сероводорода, рабочей температуры и времени воздействия, фото-э.д.с. датчика уменьшается.

4. Получены теоретические модели, устанавливающие зависимости фото-э.д.с. и чувствительности датчика от концентрации сероводорода и рабочей температуры.

5. Получены экспериментальные модели, устанавливающие взаимосвязь фото-э.д.с. и чувствительности датчика с концентрацией сероводорода, рабочей температурой и временем воздействия. Сравнение теоретических и экспериментальных зависимостей показали расхождение результатов в пределах 8,5 %.

6. Исследованы процессы функционирования и деградации датчика Н^ на основе гетероперехода п^аА/р-СиРс.

7. Разработаны приборы для измерения концентрации сероводорода на основе датчика с гетеропереходом п^аА/р-СиРс, что позволило упростить конструкции и повысить безопасность измерений за счет использования датчика работающего при температуре окружающей среды.

8. Разработана моноканальная система автоматического контроля содержания сероводорода в воздухе производственных помещений.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Бабкин, А.Н. Датчик и прибор для измерения концентрации Н^ / А.Н. Бабкин, М.И. Федоров // Экологическая безопасность регионов России и риск от техногенных катастроф и аварий: Сборник материалов Всероссийского постоянно действующего научно-технического семинара.- Пенза, 2004.- С.71-73.

2. Бабкин, А.Н. Измеритель концентрации Н^. / А.Н. Бабкин, М.И. Федоров // Сенсор.- 2003.- №1.- С.54-55.

3. Бабкин, А.Н. Измеритель концентрации сероводорода в воздухе рабочей зоны / А.Н. Бабкин, М.И. Федоров, МА Бессолова, СБ. Мальцева // Экология и здоровье: проблемы и перспективы социально-экологической реабилитации территорий, профилактики заболеваемости и устойчивого развития 'Человек-Природа-Бизнес": Материалы Всероссийской научно-практической конференции. 25-28 мая 2004 г. / ВоГТУ.- Вологда: Легия, 2004.- С. 178.

4. Бабкин, А.Н. Измеритель светового излучения на основе хло-риндийфталоцианина / А.Н. Бабкин // Молодые исследователи - Воло-

годской области: Тезисы докладов Первой областной межвузовской студенческой научной конференции. - Вологда: ВоГТУ, 1999.-118с.

5. Бабкин, А.Н. Измеритель ультрафиолетового излучения / А.Н. Бабкин, М.И. Федоров // Научно-техническая конференция «Молодежь и наука - в XXI век»: Тезисы докладов.- Вологда: ВоПИ, 1998.- 71 с.

6. Бабкин, А.Н. Исследование сенсора газа сероводорода на основе органического полупроводника / А.Н. Бабкин, О.Ю. Смирнова, М.И. Федоров // Проблемы экологии на пути к устойчивому развитию регионов: Материалы Второй международной научно-технической конференции. - Вологда: ВоГТУ, 2003.- С. 112-114.

7. Бабкин, А.Н. Прибор для измерения низких интенсивностей излучения/ А.Н. Бабкин // Молодые исследователи - региону: Тезисы докладов региональной научной технической конференции. - Вологда: ВоГТУ, 2001.-114 с.

8. Бабкин, А.Н. Сенсор газа сероводорода на основе органического полупроводника / А.Н. Бабкин, М.И. Федоров // Всероссийская научно-практическая конференция "Энергетика, экология, экономика средних и малых городов. Проблемы и пути их решения". Материалы/ Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт межотраслевой информации - федеральный информационно-аналитический центр оборонной промышленности", 2003.- С.246-249.

9. Иванов, А.В. Применение полупроводниковых датчиков для контроля и регулирования содержания газа аммиака в производственных помещениях / А.В. Иванов, М.И. Федоров, А.Е. Немировский, НА Васильева, А.Н. Бабкин // Менеджмент экологии: Тезисы докладов региональной научно-практической конференции. Вологда: ВоГТУ, 1999.-С.47-50.

10. Пат. 2124719 РФ, МКИ G01 N 27/12. Устройство для измерения концентрации аммиака / М.И. Федоров М.И., А.Е. Немировский, А.В. Иванов, А.Н. Бабкин // Опубл. 10.01.99, Бюл. №1.

11. Пат. 2231053 РФ, МКИ GO I L 27/02. Способ изготовления датчика для анализа сероводорода в газовой среде / М.И. Федоров, А.Н. Бабкин // Опубл. 20.06.04, Бюл. № 17.

12. Свидетельство на полезную модель. Кл G01 J 1/48. М.И. Федоров, А.Е. Немировский, И.Ю. Сергиевская, А.Н. Бабкин. Измеритель интенсивности излучения // ВоГТУ (Россия), Опубл. 16.05.99, Бюл. №5.

13. Ударатин, А.В. Газовые сенсоры на основе органических полупроводников / А.В. Ударатин, А.Н. Бабкин, М.И. Федоров // IX-международный молодежный экологический форум стран балтийского региона "Экобалтика'2002". Сборник тезисов статей. Санкт-Петербург, 21-23 октября 2002 г.: СПб, 2002.- С.74-75.

14. Федоров, М.И. Измеритель интенсивности ультрафиолетового излучения. / М.И. Федоров, А.Е. Немировский, И.Ю. Сергиевская, А.Н. Бабкин // ПТЭ РАН.-1999.-№4.- С.158-160.

15. Федоров, М.И. Использование солнечных элементов и датчиков газа на основе органических полупроводников в физическом практикуме / М.И. Федоров, А.Н. Бабкин // Школа и вуз: достижения и проблемы непрерывного физического образования. Сборник тезисов докладов Второй Всероссийской научно-методической конференции учителей школ и преподавателей вузов. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ,2002.-С.102-103.

16. Федоров, М.И. Новый датчик газа И28 на основе органического полупроводника в ячейке «сэндвич» / М.И. Федоров, А.Н. Бабкин // Вузовская наука региону: Материалы III региональной межвузовской научно-технической конференции. - Вологда: ВоГТУ, 2002.- С. 110-111.

17. Федоров, М.И. Разработка и исследование фотоприемников с гетеропереходом на основе структуры органический / неорганический полупроводник / М.И. Федоров, М.Н. Смирнова, СВ. Карелин, А.Н. Бабкин // Менеджмент экологии: Тезисы докладов региональной научно-практической конференции. Вологда: ВоГТУ, 1999.- С.43-47.

18. Федоров, М.И. Содержание элективных дисциплин в техническом вузе / М.И. Федоров, А.Н. Бабкин // Формирование гуманитарной среды и внеучебная работа в вузе, техникуме, школе: Материалы V региональной научно-практической конференции (27 мая 2003 г.): В 6 т. Т1 / Перм. гос. техн. ун-т.- Пермь, 2003.- С.112-114.

№2 0 4 0 0

РНБ Русский фонд

2005-4 22153

ЛР№ 020717 от 2.02.1998 г.

Подписано в печать 14.10.2004. Формат 60x84 1/16. Бумага офисная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ № 321.

Отпечатано: РИО ВоГТУ 160035, г. Вологда, ул. Ленина, 15