Устройства для измерения содержания компонентов в смесях

Иногда для дополнительной характеристики физических и химических свойств сред требуется произвести оценку количественного содержания разнородных компонентов в основной фазе вещества. Например, при наличии твердых и жидких частиц в газообразных средах образуются аэрозоли (измеряют запыленность воздуха, туман), а в жидких средах – гидрозоли (раствор жидкостей), суспензии (твердые тела в жидкости), эмульсии (смесь жидкостей). При проведении измерений в таких средах важную роль играет правильность проведения отбора проб. Например, при исследовании воздуха различают измерение концентрации пыли в воздухе и количеством осевшей пыли (есть зависимость). Для определения гранулометрического состава взвешенных твердых частиц используют более семидесяти методов.

Химические датчики реагируют на определенные химические вещества или на определенные химические реакции. Их назначение – идентификация и количественное определение химических реагентов в газовой и жидкой фазах.

В научных и прикладных исследованиях химические датчики используются во многих областях: от мониторинга загрязнения атмосферы до обнаружения взрывчатых веществ. Такие датчики применяются для проведения регулярных анализов образцов газов в лабораторных условиях и для определения распространения опасных химических реагентов в почве и водоемах. Новые сферы применения химических датчиков – обнаружение местоположения насекомых – переносчиков опасных заболеваний и др.

В промышленности химические датчики используются для контроля за технологическими процессами при производстве пластмасс, а также при литье металлов, где количество диффундированных газов влияет на некоторые параметры металлов, например, на их прочностные характеристики. Они применяются для мониторинга среды в рабочих помещениях, для определения концентраций опасных для здоровья людей компонентов. Сфера применения химических датчиков постоянно растет: тестирование и контроль за качеством продуктов питания, за распространением пестицидов в сельском хозяйстве и т.п.

В настоящее время одним из перспективных направлений разработки устройств, предназначенных для анализа состава газовых сред, является создание микроэлектронных датчиков сорбционного типа. Основное достоинство таких устройств заключается в простоте конструкции, низкой стоимости, не требуется высококвалифицированный персонал. В основе механизма чувствительности таких устройств лежит использование зависимости проводимости полупроводниковых пленок от состава окружающего газа. Молекулы исследуемого вещества адсорбируются на поверхности полупроводника (двуокись олова; окислы цинка, титана, железа), обмениваясь с ним электронами и изменяя при этом его проводимость. С повышением температуры полупроводника чувствительность такого датчика возрастает.

Рис. 12.3 Схема газового датчика: 1 – устройство для измерения проводимости; 2 – SnO₂; 3 - резистивный нагреватель; 4 – SiO₂.; 5 – Si.

В медицине химические датчики применяются для тестирования состояния здоровья людей по анализам состава крови, выдыхаемого воздуха. Такие датчики также используются при определении уровня алкоголя в крови и др.

В военной области химические датчики используются для обнаружения топливных складов и ядовитых веществ. Такие датчики используются для мониторинга подземных вод на территории военных баз, определения токсичности многих производств, особенно ядерных, с целью исследования влияния тех или иных компонентов на окружающую среду и здоровье людей.