Эластомерные химические резисторы

Эластомерные химические резисторы или полимерные проводящие композиты (ча­сто называемые полимерными проводниками (ПП)) являются полимерными пленка­ми, увеличивающимися в своих размерах при поглощении определенных химичес­ких веществ. Это приводит к повышению их сопротивления, что и является призна­ком присутствия искомых газов. Хотя в таких датчиках и не протекают никакие хи­мические реакции, их все же относят к классу химических датчиков. Селективность химических резисторов определяется способом обработки полимеров. ПП широко применяются в качестве чувствительных элементов в составе более сложных измери­тельных устройств [15]. Для обнаружения простых углеродсодержащих компонентов,

таких как изопропиловый спирт, датчикам на основе ПП требуется пара секунд, а при детектировании более сложных масел это время возрастает до 10...15 секунд. Химические резисторы могут работать в течение нескольких месяцев, при условии что не подвергаются действию коррозионных реагентов. Часто из ПП, по разному обработанных, формируют матрицы для детектирования группы химических веществ. Химические резисторы могут отличить, например, уксусную кислоту от ацетона, но их не применяют для количественного определения концентрации реагентов. Се­рийно выпускаемые эластомерные детекторы часто используются для обнаружения таких газов как O₂, С1₂, Н₂ и NO, т.е. газов, которые также могут детектироваться при помощи металл-оксидных датчиков. Но в отличие от металл-оксидных детекторов химические резисторы обладают меньшим потреблением энергии, и для работы им не требуются высокие температуры.

Для обнаружения жидкостных компонентов датчик должен реагировать на оп­ределенную концентрацию конкретного реагента. Это значит, что детектор должен обладать чувствительностью к физическим и/или химическим свойствам исследуе­мой жидкости. Примером такого датчика может служить резистивный детектор об­наружения утечек углеводородного топлива (первоначально такой детектор, разра­ботанный в Bell Communication Research, применялся в системах защиты углублен­ных телефонных кабелей). Такой детектор изготавливается на основе кремния и ком­позита на основе черного угля. Полимерная матрица выполняет роль чувствительно­го элемента, а проводящая прокладка используется для получения сравнительно низ­кого значения удельного сопротивления (порядка 10 Ом • см) в исходном состоянии. Такая структура является чувствительной к растворителям с высоким коэффициен­том взаимодействия между растворителем и полимером [16]. Поскольку датчик не реагирует на полярные жидкости, такие как вода и спирт, его можно использовать в условиях работы под землей. Резистивный детектор изготавливается в виде тонкой пленки с высоким отношением площади поверхности к толщине. Когда искомый реагент вступает в контакт с пленочным чувствительным элементом, полимерный материал расширяется, что приводит к увеличению расстояния между проводящими частицами. Это означает, что композитная пленка из проводника превращается в диэлектрик с удельным сопротивлением 10⁹ Ом • см и даже выше. Время реакции таких детекторов обычно меньше 1 с. Когда углеводородное топливо перестает воз­действовать на пленку, она возвращается в свое исходное состояние.

17.5. Составные датчики

Составные датчики основаны на химических преобразованиях, изменяющих со­стояние индикатора. Индикатором может быть изменение температуры, прозрач­ности, частоты колебаний и т.д. Для получения из индикатора электрического выходного сигнала требуется дополнительный преобразователь.

Тепловые датчики

Изменение внутренней энергии системы всегда сопровождается выделением или поглощением тепла. Это утверждение называется первым законом термодинами­ки. Следовательно, все эндо и экзотермические химические реакции могут быть

обнаружены при помощи тепловых де­текторов, например, описанных в главе 16. Датчики для детектирования реак­ций основаны на принципе микрокало­риметрии. Принцип действия тепловых датчиков заключается в следующем: На температурный зонд наносится покры­тие, реагирующее на определенное хи­мическое вещество. При введении в об­разец зонд измеряет выделение тепла в процессе протекания реакции между образцом и покрытием.

На рис. 17.11 показана упрощенная схема такого датчика, помещенного в теплоизоляционный кожух для сниже­ния тепловых потерь в окружающую среду. Чувствительным элементом здесь явля­ется термистор, покрытый каталитическим слоем, часто из иммобилизованного окислителя. Энзимы наносятся на наконечник термистора, который затем покры­вается стеклянным чехлом для уменьшения тепловых потерь в окружающий ра­створ. В качестве эталонного детектора применяется аналогичный термистор с по­крытием на основе сыворотки альбумина крупного рогатого скота. Оба термистора включаются в плечи моста Уитстона [17]. Увеличение температуры, вызванное про­теканием химической реакции, пропорционально росту энтальпии dH:

(17.9)

где С_p — теплоемкость.

Химическая реакция в покрытии может быть записана как: b -D-глюкоза + Н₂O + O₂ -> в присутствии окислителя ® H_гO + D- глюконовая кислота, DН, (17.10)

И

Н₂O₂ ® в присутствии катализатора ®1/2O₂ +H₂O,DН₂, (17.11)

где DН₁ и DH₂ — парциальные энтальпии, сумма которых для вышеописанной реак­ции приблизительно составляет —80 кДж/моль. Этот датчик является линейным в динамическом диапазоне, определяемом концентрацией перикиси водорода.

Поиск по сайту: