Универсальный детектор на базе резонатора на поверхностных акустических волнах (ПАВ) для систем хроматографии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Богдасаров, Олег Евгеньевич

• Богдасаров, Олег Евгеньевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Богдасаров, Олег Евгеньевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ В СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМАХ ХРОМАТОГРАФИИ И ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ НА ПАВ.

1.1. Характеристики хроматографических детекторов.

1.2. Анализ основных типов детекторов, применяемых в хроматографии.

1.2.1. Детектор по теплопроводности (ДТП).

1.2.2. Детектор ионизационно-пламенный (ДИП).

1.3. Электронный нос.

1.3.1. Детектор на ПАВ для систем типа «Электронный нос».

1.3.2. Анализ существующих детекторов на ПАВ.

1.4. Принцип действия устройств на ПАВ.

1.4.1. Акустические волны в твердых телах.

1.4.2. Структурная схема устройства на ПАВ.

1.4.3. Характеристики поверхностных акустических волн.

1.5. Изменение характеристик ПАВ под действием внешних факторов.

1.5.1. Влияние газовой среды на амплитуду ПАВ.

1.5.2. Воздействия внешней среды на скорость ПАВ.

1.5.3. Влияние температуры на характеристики ПАВ.

1.6. Автогенераторы с использованием ПАВ.

1.6.1. Автогенератор на линии задержки.

1.6.2. Автогенератор с резонатором на ПАВ.

1.6.3. Характеристики автогенераторов на ПАВ.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ УНИВЕРСАЛЬНОГО

ДЕТЕКТОРА НА ОСНОВЕ ПАВ РЕЗОНАТОРА.

2.1. Общее описание конструкции универсального детектора на ПАВ.

2.2. Разработка резонаторов на ПАВ, как чувствительных элементов газовых датчиков.

2.3. Функция влияющих величин универсального детектора на ПАВ.

2.4. Разработка электрической схемы автогенератора для универсального детектора на ПАВ.

2.4.1. Выбор усилителя для автогенератора.

2.4.2. Компенсация фазового сдвига в схеме автогенератора.

2.4.3. Электрическая схема генератора.

2.4.3.1. Моделирование фазо-частотных характеристик резонатора.

2.4.4. Разработка электрической схемы терморегулятора.

2.4.5. Разработка конструкции корпуса универсального детектора на ПАВ.

2.5. Экспериментальное исследование характеристик универсального датчика па ПАВ.

2.5.1. Измерительный стенд для исследования характеристик универсального детектора на ПАВ.

2.5.2. Исследование процесса термостабилизации детектора на ПАВ.

2.5.3. Экспериментальные результаты по детектированию пропана.

2.6. Основные результаты главы 2.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ГАЗОВОГО ДЕТЕКТОРА НА

ОСНОВЕ ПАВ-РЕЗОНАТОРА В «ФАЗОВОМ ФОРМАТЕ»

ВЫХОДНОГО СИГНАЛА.

3.1. Методика эксперимента.

3.2. Результаты экспериментов.

3.2.1. Зависимость чувствительности детектора на ПАВ от мощности подводимого ВЧ сигнала.

3.3. Увеличение чувствительности детектора при работе резонатора в режиме «на отражение».

3.4. Основные результаты главы 3.

4.1. Структурная схема программно-аппаратного комплекса.

4.2. Использование смесителя в электронном измерителе частоты.

4.3. Определение частоты интервалов измерения и разработка алгоритма измерения частоты без потери точности.

4.4. Работа универсального детектора на ПАВ в составе хроматографической системы.

4.4.1. Экспериментальные данные по детектированию пропана.

4.4.2. Экспериментальные данные по детектированию спиртов.

4.5. Метрологические исследования универсального детектора на ПАВ.

4.6. Перспективы использования детектора в качестве детектора для хроматографии.

4.7. Основные результаты главы 4.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Универсальный детектор на базе резонатора на поверхностных акустических волнах (ПАВ) для систем хроматографии»

В настоящее время бурное развитие получили отрасли науки и техники связанные с разработкой и производством разнообразных датчиков, без которых в век компьютерных технологий будет немыслимой наша повседневная жизнь и развитие производства. Особую важность в современном мире приобретают газовые датчики и устройства, способные в реальном масштабе времени анализировать различные газообразные вещества и обнаруживать присутствие в окружающей среде вредные для человека вещества даже в чрезвычайно малых, так называемых следовых концентрациях. В настоящее время развитие таких устройств идет по нескольким направлениям, одним из которых является создание хроматографических систем, использующих хроматографические разделительные колонки и компьютерные методы обработки результатов. Анализ используемых современных типов хромотографических газовых детекторов показал, что основным недостатком современных хроматографических систем остаётся отсутствие универсального высокочувствительного детектора для широкого класса веществ. Это приводит к необходимости использования в составе одного хроматографа двух или трёх детекторов различной селективности, что существенно усложняет процедуру измерения, достоверность результатов измерения, а также увеличивает размеры и стоимость системы в целом. В настоящее время ведутся активные исследования, направленные на создание новых типов детекторов, основанных на использовании поверхностных акустических воли (ПАВ), распространяющихся в тонком поверхностном слое твёрдых веществ. Как следует из названия самой волны, ее параметры сильно зависят от состояния поверхности, по которой она распространяется. Это обстоятельство лежит в основе принципа действия детекторов на ПАВ. Рис. В.1 иллюстрирует принцип работы газовых датчиков на ПАВ. ПАВ-дагчики с селективными покрытиями звукопровода обладают определенной

Анализируемое вещество без селективного покрытия адсорбция устройство на ПАВ с селективным покрытием

Анализируемое вещество

Селективное покрытие абсорбция устройство на ПАВ

В. 1. Принцип действия детекторов на поверхностных акустических волнах (ПАВ) селективностью по отношению к некоторым веществам. ПАВ-датчики без селективных пленок на звукопроводе способны детектировать газообразные вещества, эффективно адсорбирующиеся на поверхности звукопровода при заданной температуре (пары летучих органических веществ). Такие датчики (без покрытий) обладают лучшей долговременной стабильностью и меньшей стоимостью при производстве [1]. В настоящее время они применяются в качестве детекторов летучих органических веществ в портативных высокоскоростных газоанализирующих устройствах с хроматографической колонкой. К недостаткам, присущим таким датчикам, можно отнести их неспособность детектировать горючие и постоянные газы, что ограничивает их применение в хроматографии. Такое положение с газовыми ПАВ-датчиками существовало к моменту начала моей работы над диссертацией. Кроме того, известно, что в газовых ПАВ-датчиках, построенных на базе автогенераторов с ПАВ-резонатором, используется выходной сигнал (отклик) лишь в виде изменения частоты генератора, другие форматы сигнала, снимаемого с резонатора в качестве отклика датчика, их преимущества и недостатки не были исследованы. Не был исследован и такой важный вопрос, как оптимизация мощности ПАВ, возбуждаемых в ПАВ-датчиках. Все эти вопросы изучались в данной диссертационной работе. Главная задача, которую предстояло решить в ходе диссертационной работы, заключалась в разработке нового принципа построения и создании прототипа нового ПАВ-датчика, способного детектировать не только пары летучих органических веществ, но и горючие и постоянные газы, а также проведение исследований, направленных па выяснение возможности использования такого датчика в качестве детектора в современном хроматографе.

Научная новизна:

1. Предложена схема универсального газового датчика на основе ПАВ-резонатора, способного детектировать пары летучих органических веществ и газы по их тепловым свойствам.

2. Получено аналитическое выражение, связывающее отклик сигнала детектора с центральной частотой резонатора, теплофизическими величинами анализируемых веществ и конструктивных элементов ПАВ-детектора.

3. Использование фазовых характеристик для получения отклика детектора на основе ПАВ-резонатора позволило значительно увеличить чувствительность детектора.

4. Показано, что для получения максимальной чувствительности детектора необходимо также «оптимизировать» уровень мощности ПАВ.

5. Разработанный программно-аппаратный комплекс позволил включить универсальный детектор на базе ПАВ-резонатора в состав стандартного хроматографа (J1XM-2000).

Практическая значимость.

1. Созданный новый тип хроматографического детектора основанный на ПАВ-резонаторе существенно расширил диапазон детектируемых веществ но сравнению с известными аналогами.

2. Использование газового детектора на ПАВ в «фазовом» режиме позволило fia порядок увеличить чувствительность детектора и дало возможность применять такой датчик для анализа очень малых концентраций веществ.

3. Разработанный детектор удовлетворяет требованиям ГОСТ 8.485-83, ГОСТ Р 50205-92 и МИ 2402-97, необходимым для использования его в современных газовых хроматогрофах.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений.

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Богдасаров, Олег Евгеньевич

Выводы

1. Предложен новый принцип построения универсальных газовых датчиков на ПАВ для систем газовой хроматографии, способных детектировать, как пары летучих органических веществ, так и постоянные и горючие газы и обладающих высоким быстродействием и термостабильностыо, присущих известным датчикам на ПАВ масс-чувствительиого типа (способных детектировать только пары летучих веществ).

2. Разработана и запатентована в России [2] конструкция нового универсального газового датчика на основе ПАВ-резонатора, в которой был реализован предложенный принцип, путем введения дополнительного теплового сопротивления (используя прокладки с теплопроводностью конечной величины) между подложкой ПАВ-резонатора и рабочей поверхностью термостабилизирующей системы, а звукопровод выполнен из Ч-Ъ 1л№Юз. Создан действующий макет датчика, который способен детектировать пары летучих веществ и горючие газы.

3. Выполнен полный расчет, конфигурация и технология изготовления образцов чувствительного элемента датчика, в качестве которого был выбран двухвходовой резонатор, изготовленный на подложке из 1лМЬ03 У-7 среза (с размером чипа 8 х 5 х 0.3 мм3), работающий на частоте 425МГц и имеющий сравнительно большее значение температурного коэффициента частоты, чем у резонаторов па кварцевой подложке.

4. Разработан электронный блок согласования хроматографической системы с универсальным газовым датчиком на основе ПАВ-резонатора и компьютерная программа хроматографического анализа «2-ЬаЬ» (Свидетельство об официальной регистрации программы па ЭВМ [8]).

5. Разработан электронный блок управления температурой (терморегулятор), обеспечивающий заданную температуру чувствительного элемента на ПАВ в диапазоне 2°С - 65°С, с точностью 0.01°С.

6. Создана экспериментальная установка для исследования характеристик чувствительного элемента универсального газового датчика на основе ПАВ-резонатора.

7. На примере детектирования пропана экспериментально показано, что универсальный газовый ПАВ-датчик, основанный на новом прнципе (см. п. 1) способен распознавать газы и по их тепловым свойствам.

8. Предложено в газовом датчике на ПАВ-резонаторе использовать «фазовый режим» выходного сигнала. Это позволило значительно увеличить чувствительность детектора и дало возможность применять такой датчик для анализа малых концентраций аналитов (порядка 10"14 г/см3), при чем чувствительность датчика при измерениях малых концентраций детектируемого вещества пропорциональна 0 (где 0 -нагруженная добротность резонатора).

9. Создана экспериментальная установка и методика для измерения параметров датчика работающего в режиме «фазового формата» выходного сигнала. Измерение содержания паров воды в газообразном азоте показало, что минимально измеряемая величина содержания паров воды в газе для данной установки и методики равна ~ 5 х 10"7 г/м3.

10.Впервые исследована зависимость отклика ПАВ-датчика от мощности возбуждаемой ПАВ. Установлено, что существует пороговое значение мощности ПАВ, при которой отклик датчика начинает зависеть от интенсивности ПАВ.

11.Предложен режим работы детектора с ненагруженпым резонатором на ПАВ «на отражение». Экспериментально показано, что в таком режиме чувствительность детектора может возрастать на несколько порядков величины.

12.Описана работа хроматографической системы, в состав которой вошли разработанные универсальный детектор на ПАВ-резонаторе, электронный блок согласования, обеспечивающий необходимые режимы работы датчика и преобразование выходного сигнала датчика (изменение частоты) в формат приемлемый для обработки на ЭВМ. Хроматографический анализ проводился с помощью разработанной компьютерной программа «Z-Lab».

13.Экспериментальные результаты по детектированию пропана и смеси из шести спиртов показали, что универсальный детектор на основе ПАВ-резонаторе может быть использован в составе современного портативного газового хроматографа.

14.На основе экспериментальных данных сделан сравнительный анализ разработанного универсального датчика с известными стандартными детекторами, применяемыми в настоящее время в хромотографии, показавший преимущество универсального датчика на основе ПАВ резонатора по ряду параметров (чувствительность, число детектируемых веществ, термостабильность, сравнительная дешевизна при массовом производстве).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Богдасаров, Олег Евгеньевич, 2006 год

1. Анисимкин В.И., Максимов С.А. Термокондуктометрическое детектирование газов и газовых потоков с помощью линий задержки на поверхностных акустических волнах // Журнал технической физики. -1997.-Т. 67, вып. 5.-С. 119-123.

2. Пат. 224248 С2 (РФ). Датчик газов и паров па поверхностных акустических волнах / O.E. Богдасаров, A.A. Жучков, Р.Г. Крышталь, А.П. Купдин, A.B. Медведь, В.В. Шемет // Б.И. 2004. - №5.

3. Богдасаров О. Е., Крышталь Р.Г. Универсальный газовый датчик на основе резонаторана на поверхностных акустических волнах для систем хроматографии // Датчики и системы. 2004. - № 8 - С. 43-47.

4. Богдасаров O.E., Крышталь Р.Г. Универсальный газовый датчик на основе резонатора на поверхностных акустических волнах для систем хроматографии // Сенсорная электроника и микросистемные технологии (СЭМСТ 1). Тез. докл. - Одесса, 2004. - С. 174.

5. Газовый датчик на основе ПАВ-резонатора с «фазовым форматом» выходного сигнала / О. Е. Богдасаров, Р.Г. Крышталь, A.B. Медведь, В. В. Шемет// Датчики и системы. -2003. №11 - С. 9-13.

6. Газовый датчик на основе ПАВ-резонатора с «фазовым форматом» выходного сигнала / O.E. Богдасаров, Р.Г. Крышталь, A.B. Медведь, В.В. Шемет // Сенсорная электроника и микросистемные технологии (СЭМСТ 1). Тез. докл. - Одесса, 2004. - С. 164.

7. Богдасаров О. Е., Крышталь Р.Г., Медведь A.B. Некоторые возможности повышения чувствительности датчиков, основанных на резонаторах па поверхностных акустических волнах // Радиотехника и электроника. -2005. Т.50, №6. - С. 1-9.

8. А.С. 2004610616 (РФ). Программа хроматографического анализа Z-lab / О.Е. Богдасаров, О.В. Богдасарова, А.А. Колотвинов // Оф. бюл. агенства по патентам и тов. знакам. 2004. - №2 (472004).

9. Практическая газовая и жидкостная хроматография: Учеб. пособие / Б.В. Столяров, И.М. Савинов, А.Г. Витенберг и др. СПб.: Изд-во С.Петербург. ун-та, 2002. - 616 с.

10. Ю.Вяхирев Д. А., Шушунова А.Ф. Руководство по газовой хроматографии -М.: Высшая школа, 1975.-279 с.

11. Wohltjen H., Dessey R. SAW probe for chemical analysis // Analitical Chemistry. 1979.-V. 51.-P. 1458-1465.

12. Bryant A., Lee D. L., Vetelino J. F. Gas detection by SAW // IEEE Ultrasonic Symp.- 1981.-V.l.-P. 171-175.

13. Bryant A., Lee D.F., Vetelino J.F. A surface acoustic wave gas detector //IEEE Ultrasonic Symp.- 1981. V.I.-P. 177-181.

14. D'amico A, Palma A., Verona E. Palladium SAW interaction for hydrogen detection // Appl. Phys. Lett. 1982. - V. 41. - P. 300-304.

15. Brace J.G., Sanfelippo T.S. A study of polymer/water interactions using surface acoustic waves // Int. Conf. on Solid-State Sensors and Actuators-Transducers. Tokyo, 1987. - P. 467-470.

16. Barendsz A.W., Vis J.C. A SAW chemosensor for NO2 gas concentration measurement // IEEE Ultrasonics Symposium. 1985. -V.l.-P. 585-590.

17. Nieuwenhuizen M.S., Barendsz A.W. Transduction mechanism in SAW gas sensors//Elect. Lett.- 1986. V.22,№4.-P. 184-185.

18. Venema A., Nieuwkoop E., Vellkoop M.J. Design aspects of SAW gas sensors // Sensors and Actuators. 1986. - V. 5. - P. 47-64.

19. Venema A., Vellekoop M.J., Nieuwkoop E. A silicon SAW physical-electronic system for sensors // Int. Conf. on Solid-State Sensors and Actuators. Tokyo, 1987.-P. 482-486.

20. Vetelino J.F., Lade R., Falconer R.S. Hydrogen sulfide surface acoustic wave gas detector // IEEE Trans on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 1987.-V. 34, №26.-P. 156-161.

21. D'amico A., Petri A., Verardi P. NH3 SAW gas sensor // IEEE Ultrasonic. Symp.- 1987.-V.l.-P. 156-160.

22. Nanto H.A, Tsubakino S., Ilabara H. Novel chemical sensor // IEEE Ultrasonic. Symp. 1987. - V. 1. - P. 110-112.

23. Maine J. D., Paige E. G., Sounders A. F. Simple technique for the accurate determination of delay-time variations in acoustic surface wave structures // Electronics Lett.- 1969. V.23, №5. - P. 676-680.

24. Dias J. F., Karrer H. E., Kusters J. A. The temperature coefficient SAW // IEEE Trans. SIM2. 1975. - V.l.-P. 44-50.

25. Auld B. A. Acoustic Fields and Waves in Solids // Electronics Lett. 1973. -V.2, № 2. - P. 44-50.

26. Slobodnik A.J. Materials and their influence on performance // Acoustic Surface Waves. 1978. - V.l.-P. 225-303.

27. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах М.: Радио и связь, 1990.-416 с.

28. Parker Т. Е., Calkrame J. Sensitivity of SAW delay hues and resonators to vibration // IEEE Ultrasonics Symp. 1981. - V.l. - P. 129-134.

29. Parker Т. E. Precision surface acoustic wave oscillators // IEEE Ultrasonic Symp. 1982,-V.l.-P. 268-274.

30. Staples FJ. SAW Sensors // IEEE Symp. 1999. - V. 1. - P. 417-424.

31. Виглеб Г. Детекторы M.: Мир, 1989. - 302 с.

32. Nagle Н.Т., Schtffman S.S., Gutierrez-Osuna R. The how and why of electronic noses // IEEE Spectrum. 1998. - V.3. - P. 22.

33. Nagle H.T., Schiffman S.S., Gutierrez-Osuna R. Electronic noses // IEEE Spectrum. 1998. - V.l.-P. 22-31.

34. Lundstrom L. Gas-sensitive field-effect devices // Sensors and Actuators. -1996.-V. 56.-P. 75-82.

35. Dickinson T.A., Wite Y., Kauer J.S. A chemical-detecting system based on a cross-reactive optical sensor fiber // Nature.- 1996. V. 38. - P. 697-700.

36. Hauden D. Miniaturized bulk and surface acoustic wave quartz oscillators used as sensors // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelec. Freq. Contr. 1987. - V. 34. - P. 253-258.

37. Гуляев Ю.В., Земляков B.E., Крышталъ Р.Г. Датчики на ПАВ // Акуст. журн. 2001. - Т. 47, № 1.-С. 39-42.

38. Анисимкин В.И., Максимов С.А., Пенза М. Термокондуктометрическое детектирование газов и газовых потоков с помощью линий задержки на поверхностных акустических волнах // ЖТФ. 1997. - Т. 67, № 5. - С. 119124.

39. Cross P. S., Schmidt R.V. Coupled Surface-Acoustic-Wave Resonators // American Telephone and Telegraph Company the bell system techical journal. 1977. - V. 56, № 8. - P. 77-85.

40. Нам H. A., Wright P. V. The analyses of grating structures by coupling-of-modes theory // IEEE Ultrasonics Symposium. Boston ,1980. - V.l - P. 277281.

41. Gerard H. M. Principles of surface wave filter design // Acoustic Surface Waves. 1978.- V.l.-P. 225-303.

42. Jones W. S., Hartmann С. S., Sturdivant T. D. Second order effects in surface wave devices // IEEE Trans. 1972. - V.l9. - P. 368-377.

43. Cross P. S., Schmidt R. V. Coupled surface-acoustic-wave resonators // Bell System Technical Journal.- 1977. V. 56. - P. 1447-1481.

44. Graten W., Klusty M. Surface Acoustic Wave Sensors Based on Resonator Devices//Anal. Chem. 1991. - V.63, №3. - P. 1719-1727.

45. Sang E., Beckam R., Snow P. Desing and manufacture of SAW resonators for low phase noise and low vibration sensitivity applications // IEEE Ultrasonic Symposium. 1979. - V.l - P. 282-286.

46. Карташов Э.М. Аналитические методы в теории теплопроводности твердых тел -М.: Высшая школа, 2001. 550 с.

47. Самарскски А.А., Вабищевич П.Н. Вычислительная теплопередача. М.: Едиториал УРСС, 2003. - 784 с.

48. Исаев С.И., Кожинов И.А., Кофанов В.И. Теория тепломассообмена. -М.: Высшая школа, 1979. 495 с.

49. Harry Y.F. Аналоговые и цифровые фильтры М.: Энергия, 1982. - 203 с.

50. Cowan C.F., Grant P.M. Адаптивные фильтры М.: Мир, 1988. - 120 с.

51. Брюханов В.Н., Косоз М.Г., Протопопов С.П. Теория автоматического регулирования М.: Высшая школа , 2000. - 214 с.

52. Schmitt R. F., John W. Designing an EMC-compliant UHF oscillator // RF Design. 2000. - V.3.-P.110-115.

53. Евдокимов Ф.Е. Теоретические основы электротехники М.: Высшая школа, 2001.-496 с.

54. Брюханов В.Н., Косов М.Г., Протопопов С.П. Теория автоматического управления М.: Высшая школа, 2000. - 268 с.

55. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов СПб.: Питер, 2003. - 604 с.

56. Бесекерского В.А. Сборник задач по теории автоматического регулирования и управления М.: Наука, 1978. - 512 с.