|
DOI: 10.14489/td.2026.10.pp.067-075
Новиков С. П., Плуготаренко Н. К.
ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ДИОКСИДА СЕРЫ НА ОСНОВЕ СОВРЕМЕННЫХ КРЕМНИЙ-УГЛЕРОДНЫХ СЕНСОРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕРМОЦИКЛИРОВАНИЯ
(с. 67-75)
Аннотация. Рассмотрена разработка усовершенствованного метода борьбы с одним из ключевых загрязнителей атмосферы ‒ диоксидом серы SO2. Целью исследования является повышение точности и эффективности его обнаружения за счет использования режима термоциклирования в сочетании с перспективными датчиками на основе кремний-углеродных материалов. Актуальность работы заключается в необходимости создания доступных, точных и быстрых систем мониторинга, которые преодолевают недостатки традиционных методов (хроматографии, спектроскопии) и существующих газоанализаторов. В экспериментальной части подробно описана методика: исследованы хеморезистивные датчики, работающие в диапазоне температур 120…140 °C, проанализирована кинетика адсорбции и построены калибровочные зависимости в логарифмической шкале на основе изменения сопротивления при нагревании. Ключевым результатом является создание информационно-измери-тельной системы, реализующей предложенный способ. Ее использование позволяет снизить относительную погрешность определения концентрации SO2 до 4 – 8 %, что более чем в 2,5 раза точнее серийных аналогов. Таким образом, работа демонстрирует практический потенциал сочетания термоциклирования и датчиков на основе кремний-углеродистых материалов для создания эффективных систем мониторинга окружающей среды.
Ключевые слова: система контроля, сенсоры газа, кремний-углеродные материалы, термоциклирование.
Novikov S. P., Plugotarenko N. K.
AN INFORMATION AND MEASUREMENT SYSTEM FOR MONITORING SULFUR DIOXIDE CONCENTRATION BASED ON MODERN SILICON-CARBON SENSORS USING THERMOCYCLES
(pp. 67-75)
Abstract. The article is devoted to the development of an improved control technique for one of the key pollutants of the atmosphere ‒ sulfur dioxide SO2. The aim of the study is to increase the accuracy and efficiency of its detection through the use of a thermal cycling mode in combination with promising sensors based on silicon-carbon materials. The urgency of the work lies in the need to create affordable, accurate and fast monitoring systems that overcome the disadvantages of traditional methods (chromatography, spectroscopy) and existing gas analyzers. In the experimental part, the technique is described in detail: chemoresistive sensors operating in the temperature range of 120…140 °C are investigated, the kinetics of adsorption is analyzed, and calibration dependences are constructed on a logarithmic scale based on changes in resistance during heating. The key result is the creation of an information and measurement system that implements the proposed method. Its use makes it possible to reduce the relative error in determining the concentration of SO2 to 4…8 %, which is more than 2.5 times more accurate than its serial counterparts. Thus, the work demonstrates the practical potential of a combination of thermal cycling and silicon-carbon materials-based sensors to create effective environmental monitoring systems.
Keywords: control system, gas sensors, silicon carbon materials, thermocycles.
С. П. Новиков (ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет», Ростов-на-Дону, Россия) E-mail:
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
Н. К. Плуготаренко (Институт нанотехнологий электроники и приборостроения, ФГАОУ ВО «Южный федеральный университет», Таганрог, Россия) E-mail:
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
S. P. Novikov (Federal State Educational Institution of Higher Education, Don State Technical University, Rostov-on-Don, Russia) E-mail:
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
N. K. Plugotarenko (Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education Southern Federal University, Taganrog, Russia) E-mail:
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
1. Пашкевич М. А., Смирнов Ю. Д., Петрова Т. А. Система экологического мониторинга атмосферного воздуха горнопромышленной агломерации // Записки Горного института. 2013. Т. 204. С. 272.
2. Watson N., Davies S., Wevill D. Air Monitoring: New Advances in Sampling and Detection // Scientific World Journal. 2011. Vol. 11, Р. 2582 ‒ 2598. DOI: 10.1100/2011/430616
3. Акимов В. С. Диоксид серы и основные источники загрязнения атмосферы диоксидом серы // Научный журнал. 2017. № 6-1(19). С. 18 ‒ 20.
4. Жданеев О. В., Зайцев А. В., Лобанков В. М. Метрологическое обеспечение аппаратуры для геофизических исследований // Записки Горного института. 2020. Т. 246. С. 667 ‒ 677. DOI: 10.31897/PMI.2020.6.9
5. Sytko I. I., Kremcheeva D. A. Instrumentation for Measuring the Parameters and Characteristics of Four-poles // International Journal of Mechanical Engineering and Technology. 2017. Vol. 10, No. 8. Р. 844 ‒ 854.
6. Yibiao Yang, Jianing Wang, Zihui Zhanga, Guanyu Lina. Study on the Concentration Retrieval of SO2 and NO2 in Mixed Gases Based on the Improved DOAS Method // The Royal Society of Chemistry. 2023. Vol. 13. P. 19149 ‒ 19157. DOI: 10.1039/D3RA01512B
7. Алмаев А. В. Электрические и газочувствительные характеристики сенсоров водорода на основе тонких пленок диоксида олова: специальность 01.04.10 «Физика полупроводников»: дис. … канд. физ.-мат. наук. Томск, 2018. 184 с.
8. Вадова Л. Ю. Исследование механизмов газочувствительности термохимических сенсоров // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2018. № 6. С. 15 ‒ 20.
9. Brauns E., Morsbach E., Kunz S., et al. Temperature Modulation of a Catalytic Gas Sensor // Sensors. 2014. Vol. 14, Is. 11. P. 20372 – 20381.
10. Михайлова Т. С. Разработка газочувствительных сенсоров на основе кремний-углеродных пленок и исследование их функциональных характеристик: специальность 2.2.2 «Электронная компонентная база микро- и наноэлектроники, квантовых устройств»: дис. … канд. техн. наук. Таганрог, 2023. 165 с.
11. Григорьев М. Н., Михайлова Т. С., Мясоедова Т. Н. Резистивные структуры на основе кремний-углеродных пленок для сенсоров газов // Известия ЮФУ. Технические науки. 2019. № 6(208). С. 85 ‒ 93. DOI: 10.23683/2311-3103-2019-6-85-94
12. Myasoedova T. N., Grigoryev M. N., Plugotarenko N. K., Mikhailova T. S. Fabrication of Gas-Sensor Chips Based on Silicon-Carbon Films Obtained by Electrochemical Deposition // Chemosensors. 2019. Vol. 7, No. 4. Art. 52. DOI: 10.3390/chemosensors7040052
13. Яловега Г. Э., Шматко В. А., Назарова Т. Н. и др. Исследование фазового состава нанокомпозитных материалов SiO2CuOx методами рентгеновской спектроскопии поглощения и фотоэлектронной спектроскопии // Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2010. № 4. С. 31 ‒ 35.
14. Hassan N., Shahat A., El-Daidamony A., et al. Synthesis and Characterization of ZnO Nanoparticles Via Zeolitic Imidazolate Framework-8 and its Application for Removal of Dyes // Journal of Molecular Structure. 2020. Vol. 1210, No. 8. P. 128029. DOI: 10.1016/j.molstruc.2020.128029
15. Jaya A., Wahyudin E., Djabir Y. Y., et al. Phenotypical Effect of Phosphodiesterase 5 (PDE5) Inhibitor on Behavioral Activities of Fruit Fly Drosophila Melanogaster // Biointerface Research in Applied Chemistry. 2021. Vol. 12. P. 222 ‒ 229. DOI: 10.33263/BRIAC121.222229
16. Hassan N., Shahat A., El-Didamony A., et al. Equilibrium, Kinetic and Thermodynamic Studies of Adsorption of Cationic Dyes from Aqueous Solution Using ZIF-8 // Moroccan J. of Chem. 2020, Vol. 8. No. 3. P. 627 ‒ 637. DOI: 10.33263/BRIAC121.10221038
1. Pashkevich, M. A., Smirnov, Yu. D., & Petrova, T. A. (2013). System of environmental monitoring of atmospheric air in a mining industrial agglomeration. Zapiski Gornogo instituta, 204, 272. [in Russian language].
2. Watson, N., Davies, S., & Wevill, D. (2011). Air monitoring: New advances in sampling and detection. The Scientific World Journal, 11, 2582–2598. https://doi.org/10.1100/2011/430616
3. Akimov, V. S. (2017). Sulfur dioxide and the main sources of atmospheric pollution with sulfur dioxide. Nauchnyy zhurnal, (6 1), 18–20. [in Russian language].
4. Zhdaneev, O. V., Zaitsev, A. V., & Lobankov, V. M. (2020). Metrological support of equipment for geophysical research. Zapiski Gornogo instituta, 246, 667–677. [in Russian language]. https://doi.org/10.31897/PMI.2020.6.9
5. Sytko, I. I., & Kremcheeva, D. A. (2017). Instrumentation for measuring the parameters and characteristics of four poles. International Journal of Mechanical Engineering and Technology, 10(8), 844–854.
6. Yang, Y., Wang, J., Zhang, Z., & Lin, G. (2023). Study on the concentration retrieval of SO₂ and NO₂ in mixed gases based on the improved DOAS method. The Royal Society of Chemistry, 13, 19149–19157. https://doi.org/10.1039/D3RA01512B
7. Almayev, A. V. (2018). Electrical and gas sensitive characteristics of hydrogen sensors based on thin tin dioxide films [Cand. Sci. (Phys.-Math.) dissertation, Tomsk]. [in Russian language].
8. Vadova, L. Yu. (2018). Study of gas sensitivity mechanisms of thermochemical sensors. Mezhdunarodnyy zhurnal prikladnykh i fundamental'nykh issledovaniy, (6), 15–20. [in Russian language].
9. Brauns, E., Morsbach, E., Kunz, S., et al. (2014). Temperature modulation of a catalytic gas sensor. Sensors, 14(11), 20372–20381.
10. Mikhailova, T. S. (2023). Development of gas sensitive sensors based on silicon carbon films and investigation of their functional characteristics [Cand. Sci. (Eng.) dissertation, Taganrog]. [in Russian language].
11. Grigoryev, M. N., Mikhailova, T. S., & Myasoedova, T. N. (2019). Resistive structures based on silicon carbon films for gas sensors. Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki, (6), 85–93. [in Russian language]. https://doi.org/10.23683/2311-3103-2019-6-85-94
12. Myasoedova, T. N., Grigoryev, M. N., Plugotarenko, N. K., & Mikhailova, T. S. (2019). Fabrication of gas-sensor chips based on silicon-carbon films obtained by electrochemical deposition. Chemosensors, 7(4), Article 52. https://doi.org/10.3390/chemosensors7040052
13. Yalovega, G. E., Shmatko, V. A., Nazarova, T. N., et al. (2010). Investigation of the phase composition of SiO₂CuOₓ nanocomposite materials by X-ray absorption spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Materialy elektronnoy tekhniki, (4), 31–35. [in Russian language].
14. Hassan, N., Shahat, A., El-Daidamony, A., et al. (2020). Synthesis and characterization of ZnO nanoparticles via zeolitic imidazolate framework-8 and its application for removal of dyes. Journal of Molecular Structure, 1210(8), Article 128029. https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2020.128029
15. Jaya, A., Wahyudin, E., Djabir, Y. Y., et al. (2021). Phenotypical effect of phosphodiesterase 5 (PDE5) inhibitor on behavioral activities of fruit fly Drosophila melanogaster. Biointerface Research in Applied Chemistry, 12, 222–229. https://doi.org/10.33263/BRIAC121.222229
16. Hassan, N., Shahat, A., El-Didamony, A., et al. (2020). Equilibrium, kinetic and thermodynamic studies of adsorption of cationic dyes from aqueous solution using ZIF-8. Moroccan Journal of Chemistry, 8(3), 627–637. https://doi.org/10.33263/BRIAC121.10221038
|
Текущий номер
Разработка концепции и создание сайта - ООО «Издательский дом «СПЕКТР»