超声场气体脱附方法及其调控单元技术

本发明专利技术属气体传感器技术领域，具体为一种特高频气体检测传感器的超声场气体脱附方法及其调控单元。该方法是对气体传感器的敏感膜施加２０ＫＨｚ～１ＭＨｚ的超声交变电场，使气体的极性分子去极化，同时通入Ｎ↓［２］将气体分子带走。相应的调控单元包括超声场发生器、超声场极板和供电电源三部分。本发明专利技术对吸附气体脱附的效率高、速度快，可适用各种气体的脱附。

Ultrasonic field gas desorption method and its control unit

The invention belongs to the technical field of gas sensors, in particular to an ultrasonic field gas desorption method for an ultra high frequency gas detecting sensor and a control unit thereof. This method is sensitive to membrane gas sensor applied to 1MHz 20KHz by alternating electric field, so that polar molecule gas depolarization, through the N: 2 gas molecules. The corresponding control units include ultrasonic field generator, ultrasonic field plate and power supply three parts. The desorption gas of the invention has high efficiency and high speed and can be applied to desorption of various gases.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属气体传感器
，具体涉及一种特高频气体检测系统的气体脱附方法及其调控单元。
技术介绍
特高频气体检测系统(QCM)的检测原理是以晶振片上的气体敏感膜对被测气体的有效组分的分子进行选择性的吸附，并使其富集于敏感膜上(广义的称敏感膜为吸附剂，而被吸附的气体有效组分的分子称为吸附质)。此时晶振片由于质量符合效应使得QCM传感器的谐振频率降低，从而达到间接测量被测气体有效组分浓度的目的。按照吸附剂与吸附质之间存在的吸附力的性质的不同，可以分为物理吸附、化学吸附和交换吸附三大类型。物理吸附仅为吸附剂与吸附质之间的分子吸引力(范德华力)，因此物理吸附没有选择性；化学吸附由于吸附剂表面未能完全被相邻的原子所饱和，还有剩余的成键力，于是在吸附剂与吸附质之间便有电子转移，形成了化学键的化学吸附。化学吸附具有较强的选择性，一种吸附剂只吸附一种特定的吸附质或几种特定的吸附质；当吸附剂的表面为极性分子或离子所组成时，则它就会吸引溶液或气体中带相反电荷的离子形成双电层，这种吸附称为极性吸附，与此同时在吸附剂与吸附质之间便发生离子交换，离子电荷交换是极性吸附的决定因素，离子所带的电荷越多，它在吸附剂表面的相反电荷点上的吸引力就越强。以上三种吸附在气体的吸附中是不严格的划分的，它们往往是同时发生，并且可以相互转化。QCM气体传感器的敏感膜通常采用ZSM-5纳米沸石分子筛，由于沸石分子筛晶粒直径小、孔道短、晶内扩散阻力小，暴露在外的原子多、沸石外表面有许多不饱和键、含有丰富的晶间隙，所以它具有较强的吸附能力，有利于与分子孔径相匹配的选择吸附。工业上对于多组分气体分子的分离方法有两种一是变温吸附解吸法，二是变压吸附解吸法。变温吸附解吸法是在较低温度(常温或更低)下进行吸附；在较高的温度下使被吸附的组分解吸出来，这样的方法存在如下问题因为加热和冷却的时间较长，同时加热与冷却装置的耗能与体积必然加大，加之吸附剂本身的导热系数低，这对于要求在几秒钟内快速敏感毒气信息的QCM气体敏感器是不适用的。变压吸附解吸法是在较高的压力下进行吸附，在较低的压力下(甚至真空条件)解吸，该方法同样遇到压力系统的功耗、体积庞大及真空负压需要时间长的问题。另外从吸附动力学的观点上看，对于大多数的吸附体系而言，吸附过程是一个放热过程；解吸过程是一个吸热过程，而正常的QCM气体传感器检测相应时间只有3～5秒，这样变压吸附与解吸只是一个等温吸附和解吸过程。这对于快速敏感毒气信息的QCM气体传感器也是不合适的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种特高频气体传感器的快速气体脱附方法及其调控电路。本专利技术提出的特高频气体传感器的快速气体脱附方法，是一种超声场气体脱附方法，它以频率为20KHz～1MHz频段的超声交变电场作用于气体传感器的敏感膜，同时通入N2，速率为50-80ml/min，时间为40-60秒，即可。本专利技术方法是将超声交变电场力作用于气体敏感膜(吸附剂)与气体分子之间形成的范德华力及氢键作用力。也就是说超声场的气体分子解脱不是通过空气介质的振动作用完成的，而是依靠超声场的交变电场力直接作用于吸附剂与气体分子形成的偶极矩，使这些偶极矩完全被打乱，此时N2流经敏感膜的表面就将脱离吸附剂偶极场束缚的气体分子带走。如图1所示。吸附剂中的沸石分子筛、氧化铝、硅胶、聚酰胺等，它们的分子中都存在未公用电子的氧原子或氮原子，还有能形成氢键的-OH基团或-NH基团，吸附剂与吸附质(气体分子)之间作用力包括色散力、定向力、诱导力和氢键作用力，前面的三种总称为范德华力。在非极性或弱极性分子间，由于分子内部电子运动而产生瞬时偶极从而引起的作用力即为色散力；极性吸附剂与极性吸附质分子之间永久的偶极的作用力称为定向力，被吸附质的分子极性越大，与极性吸附剂的作用力就越强；极性吸附剂表面与非极性吸附质分子也会产生诱导偶极，这种表面吸附的作用力称为诱导力。氢键作用力是一种特殊的分子作用力，与范德华力的差别是在于它有方向性和饱和性，氢键是当两个氢原子处在两个电负性强的原子之间而形成的，以X-H....Y表示。X、Y表示电负性强的原子，例如FONX原子，它与H原子之间以共价键相连，由于X的负电性很强，使H原子略带正电，所以能与Y原子上的自由电子相对吸引形成氢键，氢键的强弱与X、Y原子的负电性大小有关，也与X、Y原子的半径有关，半径越小，电负性越大，氢键越强。相应于上述气体脱附方法，本专利技术设计了超声场气体脱附调控单元，结构如图2所示，它包括一个超声场发生器、一对超声场极板和供电电源三个部分，具体由电阻R1、R2、R3，电位器R4，电容C1、C2、C3、C4、C5、C6，变压器T1、T2，二极管D1、D2、D3，稳压电源块L，一对超声场极板B，开关S经电路连接构成，其中，电阻R1一端接二极管D3正极，另一端接变压器T1次级线圈中心抽头；电阻R2一端接稳压电源L输出端，另一端接二极管D3正极；电阻R3一端接变压器T1次级线圈中心抽头，另一端接三极管G的发射极；电阻R4一端接三极管G的基极，另一端接变压器T2初级线圈下端，移动点接变压器T2初级线圈下端；电容C1一端接二极管D1负极，另一端接变压器T1次级线圈中心抽头；电容C2一端接二极管D1负极，另一端接变压器T1次级线圈中心抽头；电容C3正极接二极管D3正极，负极接变压器T1次级线圈中心抽头；电容C4正极接稳压电源L输出端，负极接变压器T1次级线圈中心抽头；电容C5一端接三极管G的基极，另一端接变压器T2初级线圈下端；电容C6一端接变压器T2次级线圈上端，另一端接地；二极管D1正极接变压器T1次级线圈上端，负极接稳压电源L输入端；二极管D2正极接变压器T1次级线圈下端，负极接稳压电源L输入端；二极管D3正极接稳压电源L调整端，负极接稳压电源L输出端；三极管G的基极接电阻R4，发射极接电阻R3，集电极接变压器T2初级线圈上端；开关S一端接稳压电源L输出端，另一端接变压器T2初级线圈中心抽头；超声场极板B一端接变压器T2次级线圈上端，另一端接地；变压器T1初级线圈接220V电压；变压器T2次级线圈下端接地。本专利技术的超声场气体脱附调控单元的超声场发生器与特高频双晶振混频式(QCM)气体传感单元合用一个供电电源。QCM气体传感单元工作时超声场发生器就停止供电，反过来超声场发生器工作时，QCM气体传感单元就停止供电，以保证吸附与解吸形成一个循环工作的系统，保持气体采样和解吸的有序进行。本专利技术提出超场场气体脱附方法和调控单元，效率高，速度快，尤其适合于QCM气体传感器的气体脱附。附图说明图1为QCM气体传感器中吸附剂(敏感膜)与吸附质(气体分子)的偶极矩图示，其中，(a)为无超声场情形，(b)为有超声场情形。图2为本专利技术的超声场气体脱附调控单元。图中标号1为超声场极板，2为特高频石英晶振片，3为吸附剂偶极矩，4为被吸附的气体分子偶极矩。具体实施例方式本专利技术的超声场气体脱附调控单元如图2所示。各元器件的连接如前所述。在该电路中，R2取240Ω，R3取20Ω，R4取22k，C1取0.1μ，C2取1000μ，C3取10μ，C4取1000μ，C5取0.01μ，C6取3900p，L采用LM317。晶体管G采用9013。本专利技术具有快速、完全解脱优点。本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超声场气体脱附方法，其特征在于以频率为２０ＫＨｚ～１ＭＨｚ频段的超声交变电场作用于气体传感器的敏感膜，同时通入Ｎ↓［２］，速率为５０－８０ｍｌ／ｍｉｎ，时间为４０－６０秒。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘全，黄宜平，谢海芬，杨秋冬，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]