Сенсори вологості на метал-оксидах. Наведіть еквівалентну електричну схему для контакту гранула–гранула–електрод для адсорбції води. Сенсорний метод контролю процесів горіння

Електричні сенсори вологості на метал-оксидах мають задовольняти такі вимоги: діапазон вимірювання вологості – від десятків ppm до 100 % вологості, зміна опору сенсора від 10² до 10⁷ Ом, невеликий гістерезис, час відповіді – у межах кількох хвилин, мала ціна, висока надійність і довготривалість роботи.

Типові сенсори вологості створюють на метал-оксидній кераміці, яку отримують шляхом розпилення метал-оксиду та наступного термічного відпалу при Т = 1100–1200 ⁰С протягом кількох годин. Механізм чутливості визначається типом матеріалу метал-оксиду та парціальним тиском пари води. При великому тиску пари води чутливість сенсора пояснюється зміною об'ємного чи поверхневого електричного опору завдяки іонній провідності, викликаній фізичною адсорбцією молекул води. У деяких сенсорах можлива зміна електронної провідності, яка індукується хімічною адсорбцією при приблизно кімнатних температурах. При малих концентраціях води провідність може змінюватись з парціальним тиском пари води як G~ P^1/2_H2O (недисоціативна адсорбція води), G~ P^1/3_H2O (дисоціативна адсорбція), і G~ P^1/3_H2O (дисоціативна адсорбція).

Рис. 2.5. Структура сенсора вологості TiO2+SnO2 дискового типу (а), сенсор вологості з гребінчастими електродами на поверхні чутливого шару (б)

Іонні метал-оксиди схильні до формування шару гідрофільних гідроксильних груп у вологій атмосфері, що веде до хімадсорбції молекул води на поверхні метал-оксиду через певний час роботи. При цьому опір сенсора зростає, і прилад перестає буди чутливим до вологи. Для того, щоб відновити роботу сенсора, необхідно його прогріти до Т = 500 ⁰С.

Рис.2.6.Залежність опору структури гребінчастого типу від відносної вологості: 1 – початкова, 2 – після 500 год роботи при Т = 35 0С та 80 % вологості, 3 – після прогрівання при Т = 450 0С протягом 5 хв	Рис. 2.7. Еквівалентна схема для контакту гранула-гранула-електрод

На рис. 2.5 показано можливі структури таких сенсорів. Чутливий до вологи шар (кераміка TiO2 + SnO2) може знаходитися під, над або між провідними електродами (сандвіч-структура, рис. 2.5, а). Оскільки в сенсорах використовується принцип зміни іонної провідності води, яка зазвичай досить мала, то для зменшення опору структури металеві електроди часто роблять гребінчастого типу, – це так званий трансдьюсер гребінчастого типу чи IDT електроди (interdigital transducer) (рис. 2.5, б).

На рис. 2.6 показано типову залежність опору від відносної вологості. Після 500 год роботи сенсора спостерігається значне зростання опору, проте навіть короткочасний прогрів при Т = 450 ⁰С відновлює характеристики сенсора. Для сенсорів дискового типу різниця між кривими А та В значно менша. Частота роботи сенсора: 0–10 МГц. Типовий час відповіді сенсора – кілька хвилин.

Еквівалентна електрична схема такого сенсора досить складна і включає кілька опорів та ємностей: поверхневу іонну провідність фізично адсорбованої води на поверхні (R_B, C_B), іонну провідність води як рідини, яка капілярно конденсувалася в горловині між гранулами (R_N, C_N), опір та ємність подвійного шару в інтерфейсі метал–вода (R_E,C_E), опори об'єму гранул (r_B) і приконтактних областей металевий електрод – гранула (r_E) та гранула – гранула (r_N) (рис. 2.7).

Основним недоліком сенсорів, які використовують виміри залежності провідності від парціального тиску в пресованих порошках, є їх нестабільність та погана відтворюваність. Тому більш уживаними є металоксидні сенсори, створені за плівковою технологією.

Сенсорний метод контролю процесів горіння. Перші спроби створити газові сенсори для систем протипожежної безпеки базувалися на вимірюваннях концентрації СО, Н₂ та СО₂ і вуглеводневих газів, які утворювалися при горінні різних матеріалів (деревина, папір, бавовна), перегрівання трансформаторів тощо. Залежно від типу матеріалу, який горить, температури та кількості кисню в зоні горіння, можливі суттєві варіації продуктів розпаду. Наприклад, тліюче буре вугілля виділяє частково оксидовані газоподібні продукти, монооксид вуглецю, ненасичені вуглеводневі молекули, альдегіди, органічні кислоти та алкоголь, оскільки при тлінні не вистачає кисню для повного згоряння цих продуктів. Крім того, вугілля, яке перебувало кілька днів на повітрі, десорбує суттєву кількість метану; відбувається також процес холодного окиснення та адсорбція молекул води з атмосфери.

При підвищених температурах молекули води адсорбуються на вугільному пилу і можливий такий перебіг реакції:

(2.32)

Якщо немає каталізатора, то при не досить високих температурах завдяки високій активаційній енергії процесу (2.32) його ймовірність досить мала. Проте, якщо поверхня вугілля тліє при Т = 400 ⁰С, то викидається велика кількість водню та СО