Эластомерные химические резисторы или полимерные проводящие композиты (часто называемые полимерными проводниками (ПП)) являются полимерными пленками, увеличивающимися в своих размерах при поглощении определенных химических веществ. Это приводит к повышению их сопротивления, что и является признаком присутствия искомых газов. Хотя в таких датчиках и не протекают никакие химические реакции, их все же относят к классу химических датчиков. Селективность химических резисторов определяется способом обработки полимеров. ПП широко применяются в качестве чувствительных элементов в составе более сложных измерительных устройств [15]. Для обнаружения простых углеродсодержащих компонентов,
таких как изопропиловый спирт, датчикам на основе ПП требуется пара секунд, а при детектировании более сложных масел это время возрастает до 10...15 секунд. Химические резисторы могут работать в течение нескольких месяцев, при условии что не подвергаются действию коррозионных реагентов. Часто из ПП, по разному обработанных, формируют матрицы для детектирования группы химических веществ. Химические резисторы могут отличить, например, уксусную кислоту от ацетона, но их не применяют для количественного определения концентрации реагентов. Серийно выпускаемые эластомерные детекторы часто используются для обнаружения таких газов как O2, С12, Н2 и NO, т.е. газов, которые также могут детектироваться при помощи металл-оксидных датчиков. Но в отличие от металл-оксидных детекторов химические резисторы обладают меньшим потреблением энергии, и для работы им не требуются высокие температуры.
Для обнаружения жидкостных компонентов датчик должен реагировать на определенную концентрацию конкретного реагента. Это значит, что детектор должен обладать чувствительностью к физическим и/или химическим свойствам исследуемой жидкости. Примером такого датчика может служить резистивный детектор обнаружения утечек углеводородного топлива (первоначально такой детектор, разработанный в Bell Communication Research, применялся в системах защиты углубленных телефонных кабелей). Такой детектор изготавливается на основе кремния и композита на основе черного угля. Полимерная матрица выполняет роль чувствительного элемента, а проводящая прокладка используется для получения сравнительно низкого значения удельного сопротивления (порядка 10 Ом • см) в исходном состоянии. Такая структура является чувствительной к растворителям с высоким коэффициентом взаимодействия между растворителем и полимером [16]. Поскольку датчик не реагирует на полярные жидкости, такие как вода и спирт, его можно использовать в условиях работы под землей. Резистивный детектор изготавливается в виде тонкой пленки с высоким отношением площади поверхности к толщине. Когда искомый реагент вступает в контакт с пленочным чувствительным элементом, полимерный материал расширяется, что приводит к увеличению расстояния между проводящими частицами. Это означает, что композитная пленка из проводника превращается в диэлектрик с удельным сопротивлением 109 Ом • см и даже выше. Время реакции таких детекторов обычно меньше 1 с. Когда углеводородное топливо перестает воздействовать на пленку, она возвращается в свое исходное состояние.
17.5. Составные датчики
Составные датчики основаны на химических преобразованиях, изменяющих состояние индикатора. Индикатором может быть изменение температуры, прозрачности, частоты колебаний и т.д. Для получения из индикатора электрического выходного сигнала требуется дополнительный преобразователь.
Тепловые датчики
Изменение внутренней энергии системы всегда сопровождается выделением или поглощением тепла. Это утверждение называется первым законом термодинамики. Следовательно, все эндо и экзотермические химические реакции могут быть
теплоизоляционное покрытие
каталитическое покрытие
термистор
обнаружены при помощи тепловых детекторов, например, описанных в главе 16. Датчики для детектирования реакций основаны на принципе микрокалориметрии. Принцип действия тепловых датчиков заключается в следующем: На температурный зонд наносится покрытие, реагирующее на определенное химическое вещество. При введении в образец зонд измеряет выделение тепла в процессе протекания реакции между образцом и покрытием.
Рис. 17.11. Схема химического теплового датчика
На рис. 17.11 показана упрощенная схема такого датчика, помещенного в теплоизоляционный кожух для снижения тепловых потерь в окружающую среду. Чувствительным элементом здесь является термистор, покрытый каталитическим слоем, часто из иммобилизованного окислителя. Энзимы наносятся на наконечник термистора, который затем покрывается стеклянным чехлом для уменьшения тепловых потерь в окружающий раствор. В качестве эталонного детектора применяется аналогичный термистор с покрытием на основе сыворотки альбумина крупного рогатого скота. Оба термистора включаются в плечи моста Уитстона [17]. Увеличение температуры, вызванное протеканием химической реакции, пропорционально росту энтальпии dH:
(17.9)
где Сp — теплоемкость.
Химическая реакция в покрытии может быть записана как: b -D-глюкоза + Н2O + O2-> в присутствии окислителя ® HгO + D- глюконовая кислота, DН, (17.10)
И
Н2O2 ® в присутствии катализатора ®1/2O2 +H2O,DН2, (17.11)
где DН1и DH2 — парциальные энтальпии, сумма которых для вышеописанной реакции приблизительно составляет —80 кДж/моль. Этот датчик является линейным в динамическом диапазоне, определяемом концентрацией перикиси водорода.