專利名稱：超聲場氣體脫附方法及其調控單元的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬氣體傳感器技術領域，具體涉及一種特高頻氣體檢測系統(tǒng)的氣體脫附方法及其調控單元。
背景技術：
特高頻氣體檢測系統(tǒng)(QCM)的檢測原理是以晶振片上的氣體敏感膜對被測氣體的有效組分的分子進行選擇性的吸附，并使其富集于敏感膜上(廣義的稱敏感膜為吸附劑，而被吸附的氣體有效組分的分子稱為吸附質)。此時晶振片由于質量符合效應使得QCM傳感器的諧振頻率降低，從而達到間接測量被測氣體有效組分濃度的目的。
按照吸附劑與吸附質之間存在的吸附力的性質的不同，可以分為物理吸附、化學吸附和交換吸附三大類型。物理吸附僅為吸附劑與吸附質之間的分子吸引力(范德華力)，因此物理吸附沒有選擇性；化學吸附由于吸附劑表面未能完全被相鄰的原子所飽和，還有剩余的成鍵力，于是在吸附劑與吸附質之間便有電子轉移，形成了化學鍵的化學吸附。化學吸附具有較強的選擇性，一種吸附劑只吸附一種特定的吸附質或幾種特定的吸附質；當吸附劑的表面為極性分子或離子所組成時，則它就會吸引溶液或氣體中帶相反電荷的離子形成雙電層，這種吸附稱為極性吸附，與此同時在吸附劑與吸附質之間便發(fā)生離子交換，離子電荷交換是極性吸附的決定因素，離子所帶的電荷越多，它在吸附劑表面的相反電荷點上的吸引力就越強。以上三種吸附在氣體的吸附中是不嚴格的劃分的，它們往往是同時發(fā)生，并且可以相互轉化。
QCM氣體傳感器的敏感膜通常采用ZSM-5納米沸石分子篩，由于沸石分子篩晶粒直徑小、孔道短、晶內擴散阻力小，暴露在外的原子多、沸石外表面有許多不飽和鍵、含有豐富的晶間隙，所以它具有較強的吸附能力，有利于與分子孔徑相匹配的選擇吸附。
工業(yè)上對于多組分氣體分子的分離方法有兩種一是變溫吸附解吸法，二是變壓吸附解吸法。
變溫吸附解吸法是在較低溫度(常溫或更低)下進行吸附；在較高的溫度下使被吸附的組分解吸出來，這樣的方法存在如下問題因為加熱和冷卻的時間較長，同時加熱與冷卻裝置的耗能與體積必然加大，加之吸附劑本身的導熱系數(shù)低，這對于要求在幾秒鐘內快速敏感毒氣信息的QCM氣體敏感器是不適用的。
變壓吸附解吸法是在較高的壓力下進行吸附，在較低的壓力下(甚至真空條件)解吸，該方法同樣遇到壓力系統(tǒng)的功耗、體積龐大及真空負壓需要時間長的問題。另外從吸附動力學的觀點上看，對于大多數(shù)的吸附體系而言，吸附過程是一個放熱過程；解吸過程是一個吸熱過程，而正常的QCM氣體傳感器檢測相應時間只有3～5秒，這樣變壓吸附與解吸只是一個等溫吸附和解吸過程。這對于快速敏感毒氣信息的QCM氣體傳感器也是不合適的。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提出一種特高頻氣體傳感器的快速氣體脫附方法及其調控電路。
本發(fā)明提出的特高頻氣體傳感器的快速氣體脫附方法，是一種超聲場氣體脫附方法，它以頻率為20KHz～1MHz頻段的超聲交變電場作用于氣體傳感器的敏感膜，同時通入N2，速率為50-80ml/min，時間為40-60秒，即可。
本發(fā)明方法是將超聲交變電場力作用于氣體敏感膜(吸附劑)與氣體分子之間形成的范德華力及氫鍵作用力。也就是說超聲場的氣體分子解脫不是通過空氣介質的振動作用完成的，而是依靠超聲場的交變電場力直接作用于吸附劑與氣體分子形成的偶極矩，使這些偶極矩完全被打亂，此時N2流經敏感膜的表面就將脫離吸附劑偶極場束縛的氣體分子帶走。如圖1所示。
吸附劑中的沸石分子篩、氧化鋁、硅膠、聚酰胺等，它們的分子中都存在未公用電子的氧原子或氮原子，還有能形成氫鍵的-OH基團或-NH基團，吸附劑與吸附質(氣體分子)之間作用力包括色散力、定向力、誘導力和氫鍵作用力，前面的三種總稱為范德華力。在非極性或弱極性分子間，由于分子內部電子運動而產生瞬時偶極從而引起的作用力即為色散力；極性吸附劑與極性吸附質分子之間永久的偶極的作用力稱為定向力，被吸附質的分子極性越大，與極性吸附劑的作用力就越強；極性吸附劑表面與非極性吸附質分子也會產生誘導偶極，這種表面吸附的作用力稱為誘導力。氫鍵作用力是一種特殊的分子作用力，與范德華力的差別是在于它有方向性和飽和性，氫鍵是當兩個氫原子處在兩個電負性強的原子之間而形成的，以X-H....Y表示。X、Y表示電負性強的原子，例如FONX原子，它與H原子之間以共價鍵相連，由于X的負電性很強，使H原子略帶正電，所以能與Y原子上的自由電子相對吸引形成氫鍵，氫鍵的強弱與X、Y原子的負電性大小有關，也與X、Y原子的半徑有關，半徑越小，電負性越大，氫鍵越強。
相應于上述氣體脫附方法，本發(fā)明設計了超聲場氣體脫附調控單元，結構如圖2所示，它包括一個超聲場發(fā)生器、一對超聲場極板和供電電源三個部分，具體由電阻R1、R2、R3，電位器R4，電容C1、C2、C3、C4、C5、C6，變壓器T1、T2，二極管D1、D2、D3，穩(wěn)壓電源塊L，一對超聲場極板B，開關S經電路連接構成，其中，電阻R1一端接二極管D3正極，另一端接變壓器T1次級線圈中心抽頭；電阻R2一端接穩(wěn)壓電源L輸出端，另一端接二極管D3正極；電阻R3一端接變壓器T1次級線圈中心抽頭，另一端接三極管G的發(fā)射極；電阻R4一端接三極管G的基極，另一端接變壓器T2初級線圈下端，移動點接變壓器T2初級線圈下端；電容C1一端接二極管D1負極，另一端接變壓器T1次級線圈中心抽頭；電容C2一端接二極管D1負極，另一端接變壓器T1次級線圈中心抽頭；電容C3正極接二極管D3正極，負極接變壓器T1次級線圈中心抽頭；電容C4正極接穩(wěn)壓電源L輸出端，負極接變壓器T1次級線圈中心抽頭；電容C5一端接三極管G的基極，另一端接變壓器T2初級線圈下端；電容C6一端接變壓器T2次級線圈上端，另一端接地；二極管D1正極接變壓器T1次級線圈上端，負極接穩(wěn)壓電源L輸入端；二極管D2正極接變壓器T1次級線圈下端，負極接穩(wěn)壓電源L輸入端；二極管D3正極接穩(wěn)壓電源L調整端，負極接穩(wěn)壓電源L輸出端；三極管G的基極接電阻R4，發(fā)射極接電阻R3，集電極接變壓器T2初級線圈上端；開關S一端接穩(wěn)壓電源L輸出端，另一端接變壓器T2初級線圈中心抽頭；超聲場極板B一端接變壓器T2次級線圈上端，另一端接地；變壓器T1初級線圈接220V電壓；變壓器T2次級線圈下端接地。
本發(fā)明的超聲場氣體脫附調控單元的超聲場發(fā)生器與特高頻雙晶振混頻式(QCM)氣體傳感單元合用一個供電電源。QCM氣體傳感單元工作時超聲場發(fā)生器就停止供電，反過來超聲場發(fā)生器工作時，QCM氣體傳感單元就停止供電，以保證吸附與解吸形成一個循環(huán)工作的系統(tǒng)，保持氣體采樣和解吸的有序進行。
本發(fā)明提出超場場氣體脫附方法和調控單元，效率高，速度快，尤其適合于QCM氣體傳感器的氣體脫附。


圖1為QCM氣體傳感器中吸附劑(敏感膜)與吸附質(氣體分子)的偶極矩圖示，其中，(a)為無超聲場情形，(b)為有超聲場情形。
圖2為本發(fā)明的超聲場氣體脫附調控單元。
圖中標號1為超聲場極板，2為特高頻石英晶振片，3為吸附劑偶極矩，4為被吸附的氣體分子偶極矩。
具體實施例方式
本發(fā)明的超聲場氣體脫附調控單元如圖2所示。各元器件的連接如前所述。在該電路中，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。晶體管G采用9013。
本發(fā)明具有快速、完全解脫優(yōu)點。本發(fā)明在應用ZSM-5沸石分子篩作為DMMP強極性氣體的氣體敏感膜的檢測，在未用超聲場氣體脫附時，需要將敏感膜置于150℃烘箱解脫3小時；應用超聲場氣體脫附調控單元后，只要接通供電電源40s～60s，同時以60～70ml/min速率通入N2，再經40～60s即可恢復原來狀態(tài)。
該超聲場氣體解脫的方法同樣可以適用于其它的氣體解脫。
權利要求
1.一種超聲場氣體脫附方法，其特征在于以頻率為20KHz～1MHz頻段的超聲交變電場作用于氣體傳感器的敏感膜，同時通入N2，速率為50-80ml/min，時間為40-60秒。
2.一種超聲場氣體脫附調控單元，其特征在于由電阻R1、R2、R3，電位器R4，電容C1、C2、C3、C4、C5、C6，變壓器T1、T2，二極管D1、D2、D3，穩(wěn)壓電源塊L，一對超聲場極板B，開關S經電路連接構成，其中，電阻R1一端接二極管D3正極，另一端接變壓器T1次級線圈中心抽頭；電阻R2一端接穩(wěn)壓電源L輸出端，另一端接二極管D3正極；電阻R3一端接變壓器T1次級線圈中心抽頭，另一端接三極管G的發(fā)射極；電阻R4一端接三極管G的基極，另一端接變壓器T2初級線圈下端，移動點接變壓器T2初級線圈下端；電容C1一端接二極管D1負極，另一端接變壓器T1次級線圈中心抽頭；電容C2一端接二極管D1負極，另一端接變壓器T1次級線圈中心抽頭；電容C3正極接二極管D3正極，負極接變壓器T1次級線圈中心抽頭；電容C4正極接穩(wěn)壓電源L輸出端，負極接變壓器T1次級線圈中心抽頭；電容C5一端接三極管G的基極，另一端接變壓器T2初級線圈下端；電容C6一端接變壓器T2次級線圈上端，另一端接地；二極管D1正極接變壓器T1次級線圈上端，負極接穩(wěn)壓電源L輸入端；二極管D2正極接變壓器T1次級線圈下端，負極接穩(wěn)壓電源L輸入端；二極管D3正極接穩(wěn)壓電源L調整端，負極接穩(wěn)壓電源L輸出端；三極管G的基極接電阻R4，發(fā)射極接電阻R3，集電極接變壓器T2初級線圈上端；開關S一端接穩(wěn)壓電源L輸出端，另一端接變壓器T2初級線圈中心抽頭；超聲場極板B一端接變壓器T2次級線圈上端，另一端接地；變壓器T1初級線圈接220V電壓；變壓器T2次級線圈下端接地。
全文摘要
本發(fā)明屬氣體傳感器技術領域，具體為一種特高頻氣體檢測傳感器的超聲場氣體脫附方法及其調控單元。該方法是對氣體傳感器的敏感膜施加20KHz～1MHz的超聲交變電場，使氣體的極性分子去極化，同時通入N
文檔編號G01N27/00GK1696679SQ20051002578
公開日2005年11月16日 申請日期2005年5月12日 優(yōu)先權日2005年5月12日
發(fā)明者劉全, 黃宜平, 謝海芬, 楊秋冬 申請人:復旦大學