Датчики газового состава

Задачи и вопросы

4.1. Предельно-допустимые концентрации (ПДК) ток­сичных и взрывоопасных газов в воздухе измеряют в милли­граммах в 1 м³ воздуха и в объемных долях: процентах или единицах ppm (одна миллионная часть – 10^-6). ПДК для аце­тона составляет f = 0,35 мг/м³. Перевести ПДК в единицы ppm.

Решение

По определению

f = , (4.1)

где m_a – масса ацетона, V_в – объем воздуха.

Из уравнения Менделеева- Клапейрона

PV_a = RT, (4.2)

где Р – давление воздуха; V_a – объем ацетона, R - универсаль­ная газовая постоянная, μ – молярная масса. Выразим плот­ность ацетона 𝜌_а

𝜌_а = . (4.3)

Объемная доля ацетона в воздухе Q

Q = . (4.4)

Q = = =

f = 0,35∙10^-6 кг/м³; R = 8,31∙10³ Дж∙ кмоль^-1∙ К^-1; Т = 300 К; Р = 10⁵ Па; μ = 58 кг/кмоль.

Q= = 0,15∙ 10^-6 = 0,15 ppm.

4.2. Решить предыдущую задачу для двуокиси азота (NO₂). ПДК = 0,085 мг/м³.

4.3. Для создания атмосферы заданной концентрации паров жидкости используют метод испарения определенного ее объема в замкнутый объем воздуха. Раасчитать, какой объем этилового спирта необходимо испарить для создания в замкнутом объеме V = 10 л концентрации этанола (C₂H₅OH), равной 5000 ppm. Плотность этилового спирта ρ_ж = 789 кг/м³.

4.4. Вывести формулу

Q_min = ∙ ∙ 10⁶ ppm,

определяющую минимальную объемную концентрацию газа в воздухе, которую можно создать методом испарения жидко­сти с плотность ρ_ж в замкнутый объем V_в, считая, что V_min – минимальный объем жидкости; μ – молярная масса газа.

Сделать расчет для этилового спирта (C₂H₅OH), имею­щего ρ_ж = 789 кг/м³; V_в = 10 л; V_min = 0,05 мл (5 делений инсу­линового шприца).

4.5. При измерении концентрации газа термокондукто­метрическим методом спираль, находящаяся в газе с тепло­проводностью λ₁, разогрета током до температуры на ∆Т₁ выше температуры окружающей среды. Считая, что тепло от спирали отводится только за счет теплопроводности газовой среды, определить, насколько изменится температура спирали, если в газовую среду добавить 10 % другого газа, имеющего теплопроводность λ₂ = 2 λ₁. Измерения проводятся в режиме постоянного тока. Температурный коэффициент со­противления спирали равен α. Теплопроводность газовой смеси подчиняется закону аддитивности.

Сделать расчет для α = 4 ∙ 10^-3 К^-1, ∆Т₁ = 50 ℃.

4.6. Решить предыдущую задачу для λ₂ = λ₁/2. Рассчи­тать выходной сигнал мостовой схемы, в смежные плечи ко­торой включены спираль сравнения, находящаяся в газе с теп­лопроводностью λ₁, и рабочая спираль, находящаяся в смеси двух газов. Напряжение питания моста 10 В.

4.7. Найти изменение сопротивления полупроводнико­вого газового датчика при помещении его в газовую атмо­сферу, если газовая чувствительность S_G = 5, а сопротивление в отсутствии газа 10 кОм.

4.8. Проводимость полупроводникового газового сен­сора в атмосфере, содержащей метан, равна 10^-3 Ом^-1, а в воз­духе - 5∙10^-5 Ом^-1. Определить газовую чувствительность сен­сора.

4.9. Газовая чувствительность полупроводникового сен­сора в атмосфере, содержащей этиловый спирт, S_G = 3. Опре­делить относительное изменение электропроводности сенсора в газовой атмосфере относительно электропроводности в воз­духе.

4.10. Рассчитать газовую чувствительность S_G датчика TGS к различным газам и построить зависимости газовой чувствительности S_G от концентрации газов, используя зави­симости сопротивления датчика от концентраций, приведен­ные на рисунке.

4.11. Используя результаты решения задачи 4.10, опре­делить концентрации газов, при которых датчик TGS имеет одинаковую чувствительность.

4.12. От каких факторов зависит селективность полупро­водниковых датчиков газа? Как можно ее повысить?

Концентрационные зависимости сопротивления датчика TGS для различных газов

4.13. Какие газы можно контролировать с помощью по­лупроводникового датчика?

4.14. На каких физических явлениях основана работа по­лупроводниковых датчиков газа?

4.15. Перечислить недостатки полупроводниковых дат­чиков газа.

Дата добавления: 2015-08-20