Ӛзбекстан Республикасы Жоқары ҳәм орта арнаўлы билимлендириў министрлиги Әжинияз атындағы

 

---

35 
ХИМИЧЕСКИЙ СЕНСОР И СИГНАЛИЗАТОР ДЛЯ КОНТРОЛЯ 
ЗАГАЗОВАННОСТИ ЗАМКНУТЫХ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ 
 
М.Э.Эшкобилова, И.Э.Абдурахманов, Х.Сиддикова, А.М.Насимов
Самаркандский госуниверситет 
 
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 
газов. 
Определение концентрации метана 
в воздухе 
производственных помещениях нефтегазового комплекса с помощью 
недорогого и простого в эксплуатации прибора - задача, которую необходимо 
решить.
Данная работа посвящена разработке полупроводниковых сенсоров и 
приборов для мониторинга содержания метана. В ходе опытов был создан 
сенсор, где в качестве газочувствительного материала (ГЧМ) использован 
полупроводниковая пленка на основе SiO
2
/ZnO+10%CoO. Разработанный 
полупроводниковой сенсор метана (ППС-СН
4
) представляют собой спираль, 
изготовленную из остеклованного платинового микропровода, покрытая 
полупроводниковым газочувствительным слоям на основе оксидов цинка и 
кобальта. На поверхность измерительного электрода золь-гель методом 
наносится газочувствительный слой и катализатор. Принцип действия 
разработанных сенсоров метана основан на изменении электрофизических 
свойств чувствительного слоя полупроводникового образца при изменении 
состава анализируемой газовой среды.
В ходе исследований установлено, что использование нанокомпозита 
SiO
2
/ZnO+10%CoO в качестве газочувствительного материала дает ряд 
преимуществ, таких как: относительная низкая рабочая температура, высокая 
чувствительность, селективность и ресурса работы, малое время отклика, 
дешевизна изготовления и простата эксплуатации. Изменение сопротивления 
газочувствительного слоя сенсора метана при заданном режиме изменения 
температуры 
должно 
быть 
уникально 
для 
каждого 
состава 
газочувстивительного материала. В разработанных сенсорах метана 
изменение температуры газочувствительного полупроводникового слоя 
обеспечивается соответствующим изменением напряжения нагревателя. 
Оптимальная 
температура 
нагрева 
полупроводникового 
материала 
определяется максимальными значениями газочувствительности сенсора к 
анализируемому газу.
Исследование газочувствительности сенсора на основе нанокомпозита 
SiO
2
/ZnO+10%CoO от температуры проводили динамическим методом в 
диапазоне температур 200 - 500 
0
С с интервалом 50 
0
С. Было установлено, 
что оптимальная рабочая температура ППС-СН
4
обеспечивающая наиболее 
высокий сигнал по метану соответствует 375 
0
С, при котором наблюдается
наиболее высокая чувствительность ГЧМ к метану. Специальными опытами 
установлено, что 375 
0
С температура на поверхности ГЧМ обеспечивается 

---

36 
напряжением питания нагревателя, равной 2,2 В. В связи с этим, все
дальнейшие эксперименты проводили при таком питании нагревателя. 
Время отклика и время восстановления сенсора характеризуют 
инерционность сенсора и определяются экспериментально. Наблюдаемые в 
экспериментах временные зависимости сопротивления соответствуют 
теоретическим представлениям о механизме изменения сопротивления 
газочувствительного слоя под действием восстанавливающего газа, то есть имеют 
участок уменьшения сопротивления при взаимодействии с газом и участок 
восстановления при прекращении контакта Опытами установлено, что 
минимальное время отклика сенсоров на основе SiO
2
/ZnO+CoO составляет 
14-15 с, время восстановления показания сенсоров варьируются в интервале 
23-27 с. Проведенные опыты показывают возможность экспрессного 
определения метана с использованием SiO
2
/ZnO+CoO, что позволяет 
использовать разработанный сенсор для контроля пожароопасных ситуаций в 
замкнутых экологических системах.
 
Практика показывает, что градуировочной
график зависимости сопротивления ГЧМ от содержания метана в смеси не совсем 
удобен для проведения фундаментальных исследований при изготовлении и 
испытании сенсора и газоанализатора, так как он не отражает всего диапазона 
изменений параметров газоанализатора. Более удобным является представление 
сопротивления сенсора в нормализованном виде или в логарифмических коор-
динатах. Нормализованная градуировочная характеристика сенсора метана на 
основе SiO
2
/ZnO+10%СоО, с рабочей температурой 375 °С. На графике 
сопротивление сенсора, соответствующего чистому воздуху (R
возд
) отнесено к 
сопротивлению этого же сенсора в атмосфере определяемого газа в воздухе (R
газ
). 
Откуда видно, что чувствительность сенсора (S
G
) зависит от изменения газовой 
концентрации. Понятие "чистый воздух" относится к воздушной среде при 20 °С 
и относительной влажности 60%. К преимуществам градуировочной 
характеристики на основе отношения сопротивлений R
возд
/
.
R
газ
относится 
возможность проведения на ее основе сравнения различных сенсоров при 
аналогичных условиях. Этот способ удобен при отображении изменений в 
эксплуатационных характеристиках одного сенсора в различных рабочих 
условиях. В диапазоне концентраций метана от 50 до 1000 мг/м
3
зависимость 
R
возд
/
.
R
газ
от концентрации метана в смеси имеет прямолинейный характер. 
Постоянство величин входных сигналов во времени контролировалось при 
непрерывной работе в течение 2000 час. Опыты по изучению стабильности 
при непрерывной работе сенсора сероводорода проводились при нормальных 
условиях 740 ± 20 мм рт. ст. B экспериментах использовали ПГС с 
содержанием метана 0,01 и 0,2 об. %. Полученные при этом результаты 
свидетельствуют, что выходной сигнал ППС-СH
4
в течение 2000-часового 
непрерывного эксперимента остаѐтся постоянным и разработанный 
полупроводниковый сенсор характеризуются высокой стабильностью 
сигнала. 
В 
результаты 
выполненных 
работ 
оценены 
основные 
метрологические характеристики ППС-СН
4
при определении метана. Данный 
сенсор позволяют определять горючие газообразные вещества в широких 
интервалах их концентраций и обладают лучшими метрологическими и 

---

37 
эксплуатационными характеристиками. С применением «ППС-СН
4
»
был 
разработан автоматический 4-х канальный сигнализатор метана «СГГ-ВЗП» 
для непрерывного автоматического контроля содержания метана (топливных 
газов) в воздухе замкнутых экологических систем (промышленных и 
коммунально-бытовых помещений).