Как видно из таблиц, погрешность измерения влажности не превышает 30 %.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В заключение приведем основные техниче-
ские характеристики установки.
Диапазон измерения влажности сыпучих материалов, %............................0,05...2,0
Погрешность измерения влажности, %......0,02...0,2
Диапазон измерения содержания общего водорода в топливных таблетках, % ...........10 ...10
Погрешность измерения содержания общего водорода, %, не более..................0,5 • 10_5
Длительность одного измерения, мин.......20
Газ-носитель.........................Гелий по
ТУ51-940-80
Напряжение питания установки, В......... 220 + 22
(50 + 1 Гц)
Потребляемая мощность, кВт............. 5
Следует отметить, что в настоящее время ведется разработка методики определения водорода в цирконии с помощью установки. Предварительная оценка позволяет надеяться, что этот метод будет предпочтительнее масс-спектрометрическо-го и метода плавления. Это важно в связи с тем, что по данным металлографических исследований структуры циркония в нем имеются гидридные включения, которые качественно указывают на
наличие в цирконии водорода в количествах больших, чем определятся штатным анализом.
ЛИТЕРАТУРА
1. Берлинер М. А. Электрические измерения, автоматический контроль и регулирование влажности. М.: Энер гия, 1973.
2. Гордик Н. М., Недерова Е. Н. Определение воды и водорода в твердых материалах. Новосибирск. Из д. ОАО НЗХК, 2001.
3. А. С. № 545913. Кулонометрический первичный преобразователь влажности газа // Изобретения. 1976.
Василий Васильевич Воробьев — физик. Конструкторско-техноло-гический институт научного приборостроения СО РАН (КТИ НП СО РАН);
Анатолий Кириллович Поташников — канд. техн. наук, физик. КТИ НП СО РАН; в (383 2) 33-77-11
Юрий Михайлович Зеленин — научн. сотрудник, инженер-химик-технолог. Институт неорганической химии СО РАН (ИНХ СО РАН); в (383 2) 34-34-65
Юрий Кимович Карлов — канд. техн. наук, физик. ОАО Новосибирский завод химконцентратов (ОАО "НЗХК"); в (383 2) 74-81-76
Николай Матвеевич Гордик — канд. техн. наук, физик. ОАО "НЗХК";
в (383 2) 74-83-48
Анатолий Иванович Попов — математик. КТИ НП СО РАН; в (383 2) 34-55-41 □
УДК 621.38.031:543
АВТОГЕНЕРАТОРЫ ДЛЯ ПЬЕЗОКВАРЦЕВОГО МИКРОВЗВЕШИВАНИЯ В ЖИДКОЙ СРЕДЕ
А. В. Калач, В. В. Рыжков, А. И. Ситников
Рассмотрены автогенераторы пьезокварцевых резонаторов, позволяющих проводить микровзвешивание в жидких средах. Предложена модифицированная схема автогенератора, позволяющая пьезосенсору надёжно работать в широком диапазоне масс сорбентов (до 50 мкг).
Перспективными устройствами для оперативного и непрерывного контроля состояния газовых и жидких сред являются химические сенсоры [1, 2]. Особое место среди них занимают пьезорезонанс-ные сенсоры, к достоинствам которых относятся: • высокая чувствительность, достигающая 2,5 МГц/мг; разрешающая способность массо-чувствительных резонаторов достигает 10_11 г, что на три порядка выше, чем у лучших микровесов других типов;
• универсальность, проявляющаяся в том, что методом микровзвешивания возможно измерять множество параметров: толщину пленок, влажность, состав газовых смесей, давление, температуру, концентрацию микропримесей, упругость паров, различные физико-химических параметры веществ и т. д.;
• работоспособность в широком диапазоне температур (от абсолютного нуля до 500-550 °С);
• независимость результатов измерений от значения силы тяжести.
Принцип действия пьезорезонансных сенсоров основан на изменении собственной частоты колебаний кварцевого резонатора с нанесенным на поверхность его электродов чувствительным покрытием при сорбции веществ.
Одна из основных задач при разработке пьезорезонансных сенсоров — создание сорбционно-го покрытия. Причем к сорбенту помимо общих требований по чувствительности и селективности предъявляется еще ряд дополнительных, таких как способность образовывать тонкие, однородные по толщине пленки на поверхности электродов резонатора, высокий модуль упругости покрытия, хорошая адгезия к материалу электродов и стабильность покрытия в аэробных условиях.
Высокая массочувствительность и развитая теория метода пьезокварцевого микровзвешивания (ПМК) привели к широкому применению кварцевых резонаторов при анализе газовых смесей, исследовании тонких плёнок, адсорбции, химических реакций, протекающих на поверхности электрода резонатора [3, 4]. Возможности этого метода отражены в ряде публикаций [5—7].
По сравнению с исследованиями, проводимыми для газовой фазы, сравнительно небольшое число работ посвящено жидкой фазе. Лишь в 1980-х годах были разработаны экспериментальные подходы и устройства, позволяющие использовать ПКМ как метод исследования адсорбции и хемосорбции на межфазной поверхности жидкость—твердое тело. Исключительно высокая чувствительность метода позволила исследовать различные электрохимические реакции, адсорбцию ионов металлов, молекул поверхностно-активных веществ, биополимеров на электроде пье-зокварцевого резонатора (ПКР) [8—12].
УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ ПКР В ЖИДКОСТИ
Конструирование измерительной ячейки для работы ПКР в жидкости представляет собой самостоятельную проблему. При рабочей частоте ~(5—10) МГц и электропроводной окружающей среде возникает целый ряд факторов, уменьшающих стабильность рабочей частоты кварцевого резонатора. При проектировании ячейки мы постарались свести на нет все радиотехнические наводки, действующие на тонкую пластину пьезо-кварцевого резонатора, погруженную в жидкость, и оптимизировали размеры подводящих проводов.
Плоскость резонатора располагали под углом к уровню жидкости так, чтобы при перемешивании раствора воздушные пузырьки не скапливались у поверхности резонатора. Установлена оптимальная глубина погружения держателя с сенсором в жидкость.
Схема установки и конструкция измерительной ячейки изображены на рис. 1.
В качестве активных элементов повсеместно используются высокочастотные усилители интегрального исполнения, имеющие большие коэффициенты усиления. При этом в известных зарубежных устройствах автогенераторы работают на частотах параллельного резонанса (рис. 2) [11], также используются схемы с автоматической регулировкой усиления (рис. 3). Однако опыт применения кварцевых резонаторов свидетельствует
Рис. 1. Схема установки и конструкция ячейки для работы пьезокварцевого резонатора в жидкости:
1 — частотометр, 2 — генератор, 3 — источник питания, 4 -ка. 5 — термостат. 6 — сосуд с из]
1 — частотометр, 2 — генератор, з — источник питания, 4 — ячейка, 5 — термостат, 6 — сосуд с измеряемой жидкостью, 7 — нагреватель, 8 — магнитная мешалка, 9 — корпус ячейки, 10 — резонатор, 11 — электрод, 12 — крышка
Рис. 2. Элемент схемы автогенератора на частотах параллельного резонанса
0,01
Г
О
500
-5 В
ЭТЕ927 , 180
|^2№904
._п
180
7 220
ИГ
■ +5 В
<
СУ
2Ш904
180
Рис. 3. Элемент схемы автогенератора с автоматической регулировкой усиления
24
Зепвогв & Бузгетв • № 2.2005
510 К544УД2
1 1к . 390 2 U\6 ,
ГГ Чб —II—ih- 82
Рис. 4. Элемент схемы автогенератора, работающего на частоте первой гармоники последовательного резонанса для пьезокварцевого резонатора с номинальной частотой 5 МГц
о большей стабильности работы генераторов на частотах последовательного резонанса [6].
Российские исследователи описывают устройство, в котором кварцевый резонатор возбуждается на частоте последовательного резонанса, составляющей 10 МГц [12]. При этом используется дифференциальная схема измерения, разностный сигнал составляет 22 кГц, а частотный шум 2 Гц.
В рамках изложенного в работе [12] подхода, нами предложен модифицированный автогенератор для пьезокварцевого микровзвешивания в жидкой среде, работающий на частоте первой гармоники последовательного резонанса пьезоквар-цевого резонатора с номинальной частотой 5 МГц (рис. 4).
В результате исследования разработанного автогенератора установлено, что пьезосенсор надёжно работает в широком диапазоне масс сорбентов (до 50 мкг), а рабочее изменение частоты аналитического сигнала составляет до 50 кГц; частотный шум при этом равен 1 Гц.
Опыт эксплуатации автогенератора показывает, что возможно дальнейшее увеличение разрешающей способности пьезоэлектрических кварцевых сенсоров в жидкости.
ЛИТЕРАТУРА
1. Калач А.В. Пьезосенсоры в мониторин ге окружающей среды // Экологические системы и приборы. 2004. № 10.
2. Калач А. В., Коренман Я. И., Нифталиев С. И. Искусственные нейронные сети — вчера, сегодня, завтра. Воронеж: Воронеж. гос. технол. акад., 2002.
3. Калмыкова Е. Н., Ермолаева Т. Н., Еремин С. А. Разработка пьезокварцевых иммуносенсоров для проточно-инжекци-онного анализа высоко- и низкомолекулярных сое дине-ний // Вестник МГУ. 2002. Т. 43.
4. Lu F., Lee Н. P., Lim S. P. Detecting solid-liquid interface prosperities with mechanical slip modelling for quartz crystal microbalance operating in liquid // J. Phys. D: Appl. Phys. 2004.V. 37.
5. Thompson M, Buttry A. D, Duncan—Hewitt W. C, Rajakovic L. V. Thickness-shear-mode acoustic wave sensors in the liquid phase // The Analyst. 1991. V. 116.
6. Schumacher R. The quartz crystal microbalance: a novel approach to the in-situ investigation of interfacial phenomena at the solid/liquid junction // Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1990. V. 29.
7. Craig V., Plunkett M. Determination of coupled solvent mass in quartz crystal microbalance measurements using deuterated solvents // J. of colloid and Interface science. 2003. V. 262.
8. Альтшуллер Г. Б., Ефимов Н. Н., Шакулин В. Г. Кварцевые резонаторы. М: Радио и связь, 1984.
9. Кузнецов Л. А., Припачкин В. И., Милонов М. В., Милова-нов С. В. Цифровой измерительный комплекс для массо-чувствительных датчиков // Датчики и системы. 2002. № 3.
10. Кузнецов Л. А., Приначкин В. И., Милонов М. В. Исследование эффективности авто генераторнгого метода измерения для пьезокварцевого микровзвешивания в жидкой среде // Датчики и системы. 2004. № 3.
11. Hwang Е., Lim Y. Construction of low noise electrochemical quartz crystal microbalance // Bull. Korean Chem. Soc. 1996. V. 17.
12. Фадеев
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.