[go: up one dir, main page]

RU2739719C1 - Method of determining gas concentration - Google Patents

Method of determining gas concentration Download PDF

Info

Publication number
RU2739719C1
RU2739719C1 RU2020126167A RU2020126167A RU2739719C1 RU 2739719 C1 RU2739719 C1 RU 2739719C1 RU 2020126167 A RU2020126167 A RU 2020126167A RU 2020126167 A RU2020126167 A RU 2020126167A RU 2739719 C1 RU2739719 C1 RU 2739719C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
gas
sensitive element
gas concentration
impedance
concentration
Prior art date
Application number
RU2020126167A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Юрий Кириллович Евдокимов
Людмила Юрьевна Фадеева
Евгений Сергеевич Денисов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ)
Priority to RU2020126167A priority Critical patent/RU2739719C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2739719C1 publication Critical patent/RU2739719C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
    • G01N27/125Composition of the body, e.g. the composition of its sensitive layer

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention can be used for gas control in various media, in production of materials and alloys, in metallurgy, in high-temperature combustion chambers, in production of control sensors. Method for determining gas concentration involves arranging in a gas medium a sensor with a sensitive element and measurement of its electrical characteristics when changing content of gas in it, made of material capable of capturing and accumulating gas, wherein through the sensitive element passing the alternating electric current of high frequency, forming a skin layer in the surface layer of the sensitive element within the gas penetration thickness, high-frequency electrical impedance of the sensitive element is measured and gas concentration is determined from the values of impedance parameters.
EFFECT: technical result in the disclosed method of determining gas concentration is higher sensitivity of measuring concentration of gas.
1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к анализу материалов путем определения их электрофизических свойств в зависимости от абсорбции текущей среды, в частности к измерениям концентрации газа в различных средах. Предлагаемый способ для определения концентрации газа может быть использован для контроля газа в различных средах, при производстве материалов и сплавов, в металлургии, в высокотемпературных камерах сгорания, при производстве датчиков контроля.The invention relates to the analysis of materials by determining their electrophysical properties depending on the absorption of the current medium, in particular to measuring the concentration of gas in various media. The proposed method for determining the gas concentration can be used to monitor gas in various environments, in the production of materials and alloys, in metallurgy, in high-temperature combustion chambers, in the production of control sensors.

Известен Способ определения газочувствительных характеристик и электрофизических свойств газочувствительного элемента в частотной области [Патент RU №2 439 547, опубл. 10.01.2012, МПК G01N 27/14 (2006.01)]. Изобретение относится к области измерения электрических характеристик наноразмерных газочувствительных материалов, в частности к измерению комплексной проводимости газочувствительных материалов, и может быть использовано в производстве сенсоров газа, основанных на полупроводниковых неорганических материалах сложного состава, а также для синтеза структур пленки эквивалентной схемой. Способ согласно изобретению заключается в том, что в газочувствительном элементе измеряют активное и емкостное сопротивления в зависимости от частоты, из чего определяют модуль и аргумент комплексного сопротивления эквивалентной схемной модели газочувствительного элемента, затем определяют коэффициенты передаточной функции газочувствительного элемента и синтезируют электрическую схему модели газочувствительного элемента с определением значений сопротивлений и емкостей элементов схемной модели исследуемого газочувствительного элемента. Преимущество изобретения заключается в том, что измерения проводятся в широком интервале частот, что обеспечивает возможность выделить ту область, где измеряются величины, соответствующие объемному истинному сопротивлению образца. Наиболее близким по способу определения концентрации газа является Способ измерения содержания водорода в окружающей среде [Патент RU №2 192 633, опубл. 10.11.2002, МПК G01N 27/12 (2000.01)]. Изобретение относится к исследованиям физико-химических свойств веществ, а именно к измерению содержания водорода в естественных средах и технических объектах, и может быть использовано для контроля утечек водорода из систем охлаждения мощных электрогенераторов, систем питания двигателей внутреннего сгорания, работающих на водородном топливе, для локализации участков вероятного растрескивания магистральных газопроводов или обнаружения мест выделения водорода. Сущность: способ измерения содержания водорода в окружающей среде заключается в том, что в контролируемую среду помещают датчик с чувствительным элементом, выполненным из материала, способного захватывать и накапливать водород, а при захвате образовывать гидриды металлов, и по мере необходимости измеряют его электрическое сопротивление. Технический результат: предлагаемый способ обладает высокой надежностью, точностью и воспроизводимостью и позволяет осуществлять контроль интегральной концентрации водорода в течение определенного промежутка времени и измерять ее по мере необходимости.A known method for determining the gas sensitive characteristics and electrophysical properties of a gas sensitive element in the frequency domain [Patent RU No. 2 439 547, publ. 10.01.2012, IPC G01N 27/14 (2006.01)]. The invention relates to the field of measuring the electrical characteristics of nanoscale gas-sensitive materials, in particular to measuring the complex conductivity of gas-sensitive materials, and can be used in the production of gas sensors based on semiconductor inorganic materials of complex composition, as well as for the synthesis of film structures by an equivalent circuit. The method according to the invention consists in the fact that the active and capacitive resistances are measured in the gas-sensitive element depending on the frequency, from which the modulus and the argument of the complex resistance of the equivalent circuit model of the gas-sensitive element are determined, then the coefficients of the transfer function of the gas-sensitive element are determined and the electric circuit of the gas-sensitive element model with determination of the values of resistances and capacities of the elements of the circuit model of the investigated gas-sensitive element. The advantage of the invention lies in the fact that measurements are carried out in a wide range of frequencies, which makes it possible to select the region where the values corresponding to the volumetric true resistance of the sample are measured. The closest in terms of the method for determining the gas concentration is the Method for measuring the hydrogen content in the environment [Patent RU No. 2 192 633, publ. 10.11.2002, IPC G01N 27/12 (2000.01)]. The invention relates to the study of the physical and chemical properties of substances, namely to measuring the hydrogen content in natural environments and technical objects, and can be used to control hydrogen leaks from cooling systems of powerful electric generators, power systems for internal combustion engines operating on hydrogen fuel, for localization areas of probable cracking of main gas pipelines or detection of places of hydrogen release. Essence: a method for measuring the hydrogen content in the environment is that a sensor with a sensitive element made of a material capable of capturing and accumulating hydrogen is placed in a controlled environment, and when captured, form metal hydrides, and its electrical resistance is measured as necessary. Technical result: the proposed method has high reliability, accuracy and reproducibility and allows you to control the integral concentration of hydrogen for a certain period of time and measure it as needed.

Основным недостатком указанного способа определения концентрации газа является его низкая чувствительность. Электрическое сопротивление чувствительного элемента R=ρl/S обратно пропорционально площади его полного поперечного сечения S. Здесь: ρ - удельное сопротивление, l - длина чувствительного элемента. Но поскольку газ поглощается только весьма тонким приповерхностным слоем толщиной δg чувствительного элемента, то площадь его поперечного сечения ΔS составляет только малую часть от полного сечения S. Поэтому чувствительность способа, т.е. относительное изменение сопротивления чувствительного элемента при поглощении газа мало и пропорционально отношению площадей поперечного сечения слоя, в котором поглощен газ и полного поперечного сечения чувствительного элемента ΔS/S.The main disadvantage of this method for determining the gas concentration is its low sensitivity. The electrical resistance of the sensitive element R = ρl / S is inversely proportional to the area of its total cross-section S. Here: ρ is the resistivity, l is the length of the sensitive element. But since the gas is absorbed only by a very thin near-surface layer with a thickness δ g of the sensitive element, its cross-sectional area ΔS is only a small part of the total cross-section S. Therefore, the sensitivity of the method, i.e. the relative change in the resistance of the sensitive element during gas absorption is small and proportional to the ratio of the cross-sectional areas of the layer in which the gas is absorbed and the total cross-section of the sensitive element ΔS / S.

Техническая проблема заключается в недостаточной чувствительности способа определения концентрации газа.The technical problem is the lack of sensitivity of the method for determining the gas concentration.

Техническим результатом в предлагаемом способе измерения концентрации газа является обеспечение условий для повышения чувствительности определения концентрации газа.The technical result in the proposed method for measuring gas concentration is to provide conditions for increasing the sensitivity of determining the gas concentration.

Технический результат в способе определения концентрации газа, основанном на размещении в газовой среде датчика с чувствительным элементом и измерении его электрических характеристик при изменении содержания в нем газа, выполненного из материала, способного захватывать и накапливать газ, достигается тем, что через чувствительный элемент пропускают переменный электрический ток высокой частоты, формируют скин-слой в поверхностном слое чувствительного элемента в пределах толщины проникания газа, измеряют высокочастотный электрический импеданс чувствительного элемента и по значениям параметров импеданса судят о концентрации газа.The technical result in a method for determining a gas concentration based on placing a sensor with a sensitive element in a gaseous medium and measuring its electrical characteristics when the gas content in it changes, made of a material capable of capturing and accumulating gas, is achieved by passing an alternating electric high frequency current, form a skin layer in the surface layer of the sensing element within the gas penetration thickness, measure the high-frequency electrical impedance of the sensing element, and judge the gas concentration from the values of the impedance parameters.

На фиг. 1 изображен чувствительный элемент со схематичным представлением абсорбции газа в газовой среде, где: 1 - генератор гармонических сигналов, 2 - чувствительный элемент.FIG. 1 shows a sensitive element with a schematic representation of gas absorption in a gaseous environment, where: 1 - harmonic signal generator, 2 - sensitive element.

На фиг. 2 приведено поперечное сечение цилиндрического чувствительного элемента и показаны приповерхностный слой с поглощенным газом и скин-слоем, где: 2 - чувствительный элемент, 3 -глубина проникания газа δg, 4 - толщина скин слоя δs.FIG. 2 shows a cross-section of a cylindrical sensitive element and shows a near-surface layer with an absorbed gas and a skin layer, where: 2 is a sensitive element, 3 is a gas penetration depth δ g , 4 is a skin layer thickness δ s .

На фиг. 3 изображена измерительная схема для определения концентрации газа по параметрам электрического импеданса, где: 1 - генератор гармонических сигналов, 2 - чувствительный элемент, 5 - вычислитель импеданса.FIG. 3 shows a measuring circuit for determining the gas concentration by the parameters of electrical impedance, where: 1 - harmonic signal generator, 2 - sensing element, 5 - impedance calculator.

В примере конкретной реализации датчик с чувствительным элементом 2 (сам датчик на чертежах (фиг. 1 - фиг. 3) не показан) может быть выполнен в виде дифференциального сенсорного датчика [Патент RU №2 403 563, опубл. 10.11.2010]. В примере конкретной реализации чувствительный элемент 2 может быть выполнен в виде цилиндра, либо пластины из палладия. В примере конкретной реализации в качестве генератора гармонических сигналов 1 может быть использованы стандартные высокочастотные генераторы. Например, высокочастотные генераторы российского производства АКИП-3417, Г4-194 и др. В качестве вычислителя импеданса 5 могут быть использованы векторные анализаторы, анализаторы импеданса. Например, анализатор импеданса Е4990А фирмы Keysight. В примере конкретной реализации газовой средой, в которую размещают датчик с чувствительным элементом 2, может являться водород.In an example of a specific implementation, a sensor with a sensitive element 2 (the sensor itself is not shown in the drawings (Fig. 1 - Fig. 3)) can be made in the form of a differential sensor [Patent RU No. 2 403 563, publ. 10.11.2010]. In an example of a specific implementation, the sensing element 2 can be made in the form of a cylinder or a palladium plate. In an example of a specific implementation, standard high-frequency generators can be used as the harmonic signal generator 1. For example, high-frequency generators of Russian production AKIP-3417, G4-194, etc. Vector analyzers and impedance analyzers can be used as impedance calculator 5. For example, the E4990A impedance analyzer from Keysight. In an example of a specific implementation, the gaseous medium in which the sensor with the sensitive element 2 is placed may be hydrogen.

Согласно схеме, приведенной на фиг. 3, выход заземленного генератора гармонических сигналов 1 соединен с чувствительным элементом 2 и первым входом вычислителя импеданса 5, второй вход которого соединен с другим концом чувствительного элемента 2. Выходы с вычислителя импеданса отображают модуль, действительную и мнимую части импеданса чувствительного элемента, величины которых зависят от искомой концентрации газа.As shown in FIG. 3, the output of the grounded harmonic signal generator 1 is connected to the sensitive element 2 and the first input of the impedance calculator 5, the second input of which is connected to the other end of the sensitive element 2. The outputs from the impedance calculator display the module, the real and imaginary parts of the impedance of the sensitive element, the values of which depend on the desired gas concentration.

Рассмотрим осуществление предлагаемого способа определения концентрации газа.Consider the implementation of the proposed method for determining the gas concentration.

Глубина проникания (диффузии) газов в приповерхностный слой металлов весьма мала и составляет от единиц микрон до десятков микронов (мкм) [А.А. Писарев, И.В. Цветков, Е.Д. Маренков, С.С.Ярко. Проницаемость водорода через металлы: учебное пособие М.: МИФИ, 2008. - 144 с]. Поэтому в металлическом чувствительном элементе газ проникает в весьма тонкий приповерхностный слой δg датчика. Вследствие этого рабочей измерительной областью датчика является только малая часть приповерхностного сечения ΔS толщиной δg от его полного поперечного сечения S. Полное электрическое сопротивление датчика длиной l до помещения его в газ равно:The depth of penetration (diffusion) of gases into the near-surface layer of metals is very small and ranges from a few microns to tens of microns (microns) [A.A. Pisarev, I.V. Tsvetkov, E. D. Marenkov, S. S. Yarko. Hydrogen permeability through metals: textbook M .: MEPhI, 2008. - 144 p.]. Therefore, in a metal sensitive element, the gas penetrates into a very thin surface layer δ g of the sensor. As a result, the working measuring area of the sensor is only a small part of the near-surface section ΔS with a thickness of δ g from its total cross-section S. The total electrical resistance of the sensor with length l before it is placed in the gas is equal to:

Figure 00000001
Figure 00000001

При помещении чувствительного элемента 2 в измеряемую газовую среду, вследствие проникновения (диффузии) газа в поверхностный слой, изменяется удельное сопротивление металла ρ, из которого изготовлен чувствительный элемент. Пусть удельное сопротивление приповерхностного слоя с адсорбированным газом равно ρg. Тогда электрическое сопротивление Rc приповерхностного слоя сечением ΔS, в котором сосредоточен поглощенный газ, соответственно равноWhen the sensitive element 2 is placed in the measured gas environment, due to the penetration (diffusion) of the gas into the surface layer, the resistivity of the metal ρ, from which the sensitive element is made, changes. Let the resistivity of the near-surface layer with adsorbed gas be ρ g . Then the electrical resistance R c of the near-surface layer with the section ΔS, in which the absorbed gas is concentrated, is, respectively, equal to

Figure 00000002
Figure 00000002

При этом относительное изменение к сопротивления датчика, характеризующее чувствительность датчика определится как:In this case, the relative change to the resistance of the sensor, characterizing the sensitivity of the sensor, is determined as:

Figure 00000003
Figure 00000003

Из формулы (3) следует, что чем меньше площадь поперечного сечения ΔS датчика с поглощенным газом, тем меньше чувствительность датчика. Максимальная чувствительность имеет место при полном поглощении газа чувствительным элементом 2 по всему поперечному сечению S, то есть когда ΔS=S. Практически этого невозможно добиться, поскольку металлы очень слабо поглощают газ, а концентрация газа экспоненциально уменьшается с глубиной.From formula (3) it follows that the smaller the cross-sectional area ΔS of the sensor with the absorbed gas, the lower the sensor sensitivity. The maximum sensitivity occurs when the gas is completely absorbed by the sensitive element 2 over the entire cross section S, that is, when ΔS = S. This is practically impossible to achieve, since metals absorb gas very weakly, and the gas concentration decreases exponentially with depth.

Решение данной проблемы возможно при использовании известного физического эффекта - возникновения скин-слоя в поверхностном слое проводника при пропускании переменного тока высокой частоты и оттеснении протекающего тока к поверхности проводника. При этом ток протекает в тонком приповерхностном скин-слое толщиной δs. Толщина скин-слоя δs является функцией частоты со и уменьшается с ее повышением:The solution to this problem is possible by using a well-known physical effect - the appearance of a skin layer in the surface layer of a conductor when an alternating current of high frequency is passed and the flowing current is displaced to the surface of the conductor. In this case, the current flows in a thin surface skin layer with a thickness of δ s . The thickness of the skin layer δ s is a function of the frequency ω and decreases with increasing frequency:

Figure 00000004
Figure 00000004

где σ - удельная электрическая проводимость материала чувствительного элемента, μ - относительная магнитная проницаемость вещества, μ0 -магнитная постоянная, ω=2πf - угловая частота. Например, для частот в диапазоне от 10 МГц до 10 ГГц толщина скин-слоя δs для различных металлов соответственно варьируется от 20 мкм до 0.01 мкм [Л.А. Ванштейн Электромагнитные волны. М.: Радио и связь, 1990 г. - 442 с.] Из этого примера видно, что толщину скин-слоя δs для высокочастотных сигналов нетрудно сделать соизмеримой с глубиной δg поглощения газов в материал чувствительного элемента 2. Подбирая частоту ω переменного тока можно сформировать практически любую толщину δs скин-слоя, согласованную по толщине с глубиной проникания газа δs ≅ δg в чувствительном элементе 2.where σ is the specific electrical conductivity of the sensitive element material, μ is the relative magnetic permeability of the substance, μ 0 is the magnetic constant, ω = 2πf is the angular frequency. For example, for frequencies in the range from 10 MHz to 10 GHz, the thickness of the skin layer δ s for various metals, respectively, varies from 20 μm to 0.01 μm [L.A. Vanshtein Electromagnetic waves. M .: Radio i svyaz, 1990 - 442 p.] From this example it can be seen that the thickness of the skin layer δ s for high-frequency signals can be easily made comparable to the depth δ g of absorption of gases into the material of the sensitive element 2. Selecting the frequency ω of the alternating current it is possible to form practically any thickness δ s of the skin layer, matched in thickness with the depth of gas penetration δ s ≅ δ g in the sensitive element 2.

Таким образом, используя скин-эффект и переменный ток высокой частоты можно повысить чувствительность датчика за счет пропускания тока только в его приповерхностной части толщиной δs ≅ δg с сечением ΔS, в которой сосредоточен поглощенный газ. При этом сопротивление чувствительного элемента высокочастотному переменному току будет обратно пропорционально площади сечения ΔS. При измерении сопротивления чувствительного элемента на постоянном токе или низкочастотным переменным током электрический ток равномерно распределен по всему сечению S. В этом случае сопротивление чувствительного элемента обратно пропорционально полному сечению S. Вследствие этого, чувствительность предлагаемого способа возрастает в S/ΔS раз. Для чувствительного элемента в виде круглого проводника диаметром r или в форме плоского пленочного проводника толщиной h соответственно чувствительность повысится приблизительно в r/δs и h/δs раз.Thus, using the skin effect and high-frequency alternating current, it is possible to increase the sensitivity of the sensor by passing the current only in its near-surface part with a thickness of δ s ≅ δ g with a cross section ΔS, in which the absorbed gas is concentrated. In this case, the resistance of the sensitive element to a high-frequency alternating current will be inversely proportional to the cross-sectional area ΔS. When measuring the resistance of the sensitive element on direct current or low-frequency alternating current, the electric current is uniformly distributed over the entire section S. In this case, the resistance of the sensitive element is inversely proportional to the total section S. As a result, the sensitivity of the proposed method increases by S / ΔS times. For a sensitive element in the form of a round conductor with a diameter r or in the form of a flat film conductor with a thickness h, respectively, the sensitivity will increase approximately by a factor of r / δ s and h / δ s times.

Согласно предлагаемому способу определения концентрации газа измерения импеданса осуществляют следующим образом.According to the proposed method for determining the gas concentration, impedance measurements are carried out as follows.

Датчик с чувствительным элементом 2, выполненного из материала, способного захватывать и накапливать газ, размещают в газовой среде и измеряют его электрические характеристики при изменении содержания в нем газа, при этом через чувствительный элемент 2 пропускают переменный электрический ток высокой частоты с генератора гармонических сигналов 1, формируют скин-слой 4 в поверхностном слое чувствительного элемента 2 в пределах толщины проникания газа 3, измеряют высокочастотный электрический импеданс чувствительного элемента 2 посредством вычислителя импеданса 5 и по значениям параметров импеданса судят о концентрации газа.A sensor with a sensitive element 2, made of a material capable of capturing and accumulating gas, is placed in a gaseous medium and its electrical characteristics are measured when the gas content in it changes, while an alternating high-frequency electric current from a harmonic signal generator 1 is passed through the sensitive element 2, a skin layer 4 is formed in the surface layer of the sensing element 2 within the gas penetration thickness 3, the high-frequency electrical impedance of the sensing element 2 is measured by means of the impedance calculator 5, and the gas concentration is judged from the values of the impedance parameters.

При этом сопротивление переменному току или иначе импеданс чувствительного элемента 2 является комплексной величиной и зависит от частоты ωIn this case, the resistance to alternating current or otherwise the impedance of the sensitive element 2 is a complex quantity and depends on the frequency ω

Figure 00000005
Figure 00000005

где U(jω) - комплексное значение напряжения, I(jω) - комплексное значение тока. Погонный импеданс цилиндрического проводника радиусом r с учетом скин-слоя описывается известным выражением [Л.А. Ванштейн Электромагнитные волны. М.: Радио и связь, 1990 г. - С. 94]where U (jω) is the complex voltage value, I (jω) is the complex current value. The linear impedance of a cylindrical conductor of radius r, taking into account the skin layer, is described by the well-known expression [L.А. Vanshtein Electromagnetic waves. M .: Radio and communication, 1990 - S. 94]

Figure 00000006
Figure 00000006

Подставляя в (6) выражение (4) для δs и с учетом длины l чувствительного элемента, получим формулу для импедансаSubstituting expression (4) for δ s into (6) and taking into account the length l of the sensitive element, we obtain the formula for the impedance

Figure 00000007
Figure 00000007

Для чувствительных элементов с произвольной формой поперечного сечения (например, прямоугольной формой для пленочных датчиков) вид формулы не изменится, если толщина скин-слоя будет намного меньше характерного поперечного размера d. Это условие δs<<d всегда выполняется, так как является условием реализации предлагаемого способа. При этом в формуле (7) вместо выражения 2πr, имеющего смысл длины окружности цилиндрического чувствительного элемента, в общем случае надо подставить периметр р сечения датчика.For sensitive elements with an arbitrary cross-sectional shape (for example, a rectangular shape for film sensors), the form of the formula will not change if the skin layer thickness is much less than the characteristic transverse dimension d. This condition δ s << d is always satisfied, since it is a condition for the implementation of the proposed method. In this case, in the formula (7), instead of the expression 2πr, which has the meaning of the circumference of the cylindrical sensitive element, in the general case, it is necessary to substitute the perimeter p of the sensor section.

В формуле (7) электропроводность σ материала чувствительного элемента зависит от концентрации с поглощенного газа и является функцией концентрации газа σ = σ (с). Таким образом, импеданс Zc при фиксированной частоте ω = ω0 будет зависеть от искомой концентрации газа с

Figure 00000008
In formula (7), the electrical conductivity σ of the sensitive element material depends on the concentration c of the absorbed gas and is a function of the gas concentration σ = σ (c). Thus, the impedance Z c at a fixed frequency ω = ω 0 will depend on the sought gas concentration with
Figure 00000008

Выражение (8) показывает, что по значению импеданса чувствительного элемента можно определить концентрацию с поглощенного в нем газа. Импеданс Zc (jω0, c) содержит действительную и мнимую частиExpression (8) shows that the concentration of the gas absorbed in it can be determined from the impedance value of the sensitive element. The impedance Z c (jω 0 , c) contains the real and imaginary parts

Figure 00000009
Figure 00000009

Figure 00000010
Figure 00000010

Figure 00000011
Figure 00000011

Из выражений (9)-(11) следует, что искомую концентрацию можно определить по трем параметрам импеданса: по модулюFrom expressions (9) - (11) it follows that the sought concentration can be determined by three parameters of impedance: modulo

Figure 00000012
Figure 00000012

или отдельно по действительной X и мнимой Y частям. Выбор нужного параметра из трех возможных зависит от технологии и удобства измерения, способов обработки измерительной информации, погрешности измерения и т.п.or separately for the real X and imaginary Y parts. The choice of the required parameter from the three possible depends on the technology and convenience of measurement, methods of processing measurement information, measurement error, etc.

Имея значение высокочастотного электрического импеданса чувствительного элемента 2 с выхода вычислителя импеданса 5, используя формулы (9)-(12), получают искомую концентрацию газа.Having the value of the high-frequency electrical impedance of the sensitive element 2 from the output of the impedance calculator 5, using formulas (9) - (12), the desired gas concentration is obtained.

Таким образом, используя скин-эффект и переменный ток высокой частоты, достигается технический результат повышения чувствительности датчика в способе определения концентрации газа за счет пропускания тока только в приповерхностной части чувствительного элемента, в котором сосредоточен поглощенный газ.Thus, using the skin effect and high-frequency alternating current, the technical result of increasing the sensitivity of the sensor in the method for determining the gas concentration by passing the current only in the near-surface part of the sensitive element, in which the absorbed gas is concentrated, is achieved.

Claims (1)

Способ определения концентрации газа, основанный на размещении в газовой среде датчика с чувствительным элементом и измерении его электрических характеристик при изменении содержания в нем газа, выполненного из материала, способного захватывать и накапливать газ, отличающийся тем, что через чувствительный элемент пропускают переменный электрический ток высокой частоты, формируют скин-слой в поверхностном слое чувствительного элемента в пределах толщины проникания газа, измеряют высокочастотный электрический импеданс чувствительного элемента и по значениям параметров импеданса судят о концентрации газа.A method for determining gas concentration based on placing a sensor with a sensitive element in a gaseous medium and measuring its electrical characteristics when the gas content in it changes, made of a material capable of capturing and accumulating gas, characterized in that a high frequency alternating electric current is passed through the sensitive element , a skin layer is formed in the surface layer of the sensitive element within the gas penetration thickness, the high-frequency electrical impedance of the sensitive element is measured, and the gas concentration is judged from the values of the impedance parameters.
RU2020126167A 2020-08-03 2020-08-03 Method of determining gas concentration RU2739719C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020126167A RU2739719C1 (en) 2020-08-03 2020-08-03 Method of determining gas concentration

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020126167A RU2739719C1 (en) 2020-08-03 2020-08-03 Method of determining gas concentration

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2739719C1 true RU2739719C1 (en) 2020-12-28

Family

ID=74106563

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020126167A RU2739719C1 (en) 2020-08-03 2020-08-03 Method of determining gas concentration

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2739719C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2192633C2 (en) * 2000-06-19 2002-11-10 Государственное унитарное предприятие "ПАРСЕК" Method measuring content of hydrogen in environment
RU2279066C1 (en) * 2004-12-16 2006-06-27 Общество с ограниченной ответственностью "Синтез" Method of measuring concentration of gas impurity in air
EP2051067A1 (en) * 2006-08-11 2009-04-22 Kabushiki Kaisha Atsumitec Hydrogen gas concentration sensor and apparatus for determining hydrogen gas concentration
WO2018178308A1 (en) * 2017-03-31 2018-10-04 Sensirion Ag Sensor for measuring a gas concentration

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2192633C2 (en) * 2000-06-19 2002-11-10 Государственное унитарное предприятие "ПАРСЕК" Method measuring content of hydrogen in environment
RU2279066C1 (en) * 2004-12-16 2006-06-27 Общество с ограниченной ответственностью "Синтез" Method of measuring concentration of gas impurity in air
EP2051067A1 (en) * 2006-08-11 2009-04-22 Kabushiki Kaisha Atsumitec Hydrogen gas concentration sensor and apparatus for determining hydrogen gas concentration
WO2018178308A1 (en) * 2017-03-31 2018-10-04 Sensirion Ag Sensor for measuring a gas concentration

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Tian et al. An NMR-based analysis of soil–water characteristics
CN100409004C (en) Monofilament capacitive probe measurement system for phase holdup and phase interface in multiphase pipe flow
Lu et al. A high-frequency phase feature for the measurement of magnetic permeability using eddy current sensor
Liu et al. A parallel-wire microwave resonant sensor for measurement of water holdup in high water-cut oil-in-water flows
WO2004003492A2 (en) Noninvasive characterization of a flowing multiphase fluid using ultrasonic interferometry
CN103528934A (en) Mutual correlation technology for measuring permeability stress sensitivity of ultra-low permeability rocks
Huang et al. A novel eddy current method for defect detection immune to lift-off
Liu et al. An interdigitated impedance microsensor for detection of moisture content in engine oil
She et al. Simultaneous measurements of metal plate thickness and defect depth using low frequency sweeping eddy current testing
Oommen et al. Enhanced performance of spiral co-planar inter-digital capacitive structures for sensing applications
Rukavina Hand-held unit for liquid-type recognition, based on interdigital capacitor
Guo et al. Embeddable soil moisture content sensor based on open-end microwave coaxial cable resonator
US5847562A (en) Thickness gauging of single-layer conductive materials with two-point non linear calibration algorithm
KR20050011697A (en) Detecting soot during real time operation in diesel engine lubricant
Heidari et al. Conductivity effect on the capacitance measurement of a parallel-plate capacitive sensor system
RU2739719C1 (en) Method of determining gas concentration
Zia et al. Impedance spectroscopy and experimental setup
CN105910946B (en) Sensing system and detection method for VOCs detection
Zhang et al. Bulk acoustic wave sensors for sensing measurand-induced electrical property changes in solutions
Ding et al. An inductive salt solution concentration sensor using a planar coil based on a PQCR-L circuit
Ma et al. Water content measurement by an orthogonal two-dimensional electromagnetic field based microwave sensor
Gao et al. Measurement of crude oil water content based on cross-correlation method
CN1252466C (en) Method and device for measuring thermal conductivity
Windisch et al. Hydrogel sensors for process monitoring
CN116289848A (en) In-situ controllable frequency electric pore pressure static cone penetration test device