Созданный по авторской методике специалистов университета, он в 10 раз быстрее и точнее своих аналогов. Предварительные результаты исследования опубликованы журналом Chemosensors.
Газоанализатор, как таковой, является незаменимым прибором в области экологии, техники безопасности и ряда отраслей промышленности, пояснили в университете. С помощью таких измерительных приборов специалисты распознают наличие газовой смеси и ее компонентов в той или иной среде. Проверка на наличие летучих веществ необходима перед началом работ в шахтах и канализациях, на химических производствах, а также в местах техногенных аварий.
По словам ученых ЮФУ, прототип датчика газа, работающий по их методике, анализирует первые взаимодействия молекул газа с датчиком. Это позволяет увеличить его скорость в 10 раз по сравнению с аналогами.
Большинство других систем газоанализа распознают вещество только после завершения реакции его взаимодействия с датчиком. Промедление особенно невыгодно в аварийных ситуациях, когда необходимо оперативно выявить подозрение на утечку газа или наличие в помещении опасных химических веществ.
«Как только поступает информативный сигнал, прибор прекращает измерение и сразу выдает ответ в виде значения концентрации газа. Этого удалось добиться путем изучения динамики резистивного отклика, то есть изменения сопротивления датчика при воздействии различных газов разной концентрации. Как только измерительная система фиксирует крайние значения (минимальные и максимальные значения) реакции на датчике, она выдает данные о наличии, насыщенности и типе летучего соединения», — рассказала Нина Плуготаренко, руководитель кафедры техносферной безопасности и химии Южного федерального университета.
Для создания эффективной программы специалисты изучили динамические характеристики многих химических соединений и заложили алгоритмы их точного распознавания. Для анализа ученые используют сразу несколько калибровочных зависимостей, что позволяет более точно определить концентрацию газа. Этот метод также позволяет обнаруживать несколько газов одновременно, добавила Плуготаренко.
Исследователи разработали сенсоры на основе полупроводниковых соединений: диоксида циркония и кремния, а также кремний-углеродного материала. Сам газочувствительный датчик имеет размер всего 1 х 1,2 см. Миниатюрные размеры — одна из существенных характеристик разработки, подчеркнули в университете, поскольку массивные газоанализаторы проблематично использовать в труднодоступных местах, например, в пещерах и шахтах.
В настоящее время программное обеспечение устройства работает на компьютере, подключенном к датчику. Однако, по словам создателей, на следующем этапе исследований они создадут автономную версию газоанализатора со встроенной микроэлектроникой для работы с программой.
«Устройства для анализа газов, способные обнаруживать несколько газов, состоят из ряда датчиков — их разные реакции определяют газ. Наиболее часто используемый метод обработки данных основан на нейронных сетях. В нашем случае на этапе калибровки проводятся прямые в многомерном параметрическом пространстве, уникальном для каждого газа. При работе датчика газ идентифицируется уже по реальным параметрам динамики отклика по сравнению с прямыми линиями, полученными при калибровке», — уточняет Плуготаренко.
Она обратила внимание на то, что преимущество разработки заключается в сочетании четырех параметров: точности, компактности, скорости и простоты использования. В то время как сегодня при производстве подобных устройств на базе искусственного интеллекта необходимо использовать более дорогое оборудование и не менее четырех датчиков для работы одного устройства.