Mathematical modeling and simulation of microfluidic flow in gas sensors
Gaz sensörlerinde mikroakışın matematiksel modellenmesi ve simülasyonu
- Tez No: 810859
- Danışmanlar: PROF. DR. YUSUF ULUDAĞ, PROF. DR. GÜRKAN KARAKAŞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 126
Özet
Yarı iletken metaloksit gaz sensörleri, çeşitli gazların tespiti ve nicelendirilmesini sağlayarak hem endüstriyel ortamlarda hem de ev içi uygulamalarda geniş bir kullanım bulmuştur. Karbonmonoksit (CO) tespiti, insan sağlığı üzerindeki potansiyel toksik etkileri nedeniyle hayati önem taşır. Bu çalışma, COMSOL Multiphysics kullanarak CO'ya karşı SnO2 tabanlı gözenekli bir metal oksit gaz sensörünün algılama davranışına kapsamlı bir inceleme sunmaktadır. Bu çalışmada, aşırı oksijen ortamındaki CO gazı, bir ölçüm odasına giriş hızı ile sunulmuştur ve sensörün zamana bağlı yanıtı incelenmiştir. Model, taşınımsal ve difüzyonel kütle transferini, reaksiyon kinetiğini, iletkenliği ve elektrik akımı modellerini kapsar. Dinamik iyonize oksijen yoğunluğu, gaz konsantrasyonu ve sensörün iletkenliği arasındaki bağlantı olarak kurulmuştur. Sensörün yanıtı, değişken karbonmonoksit konsantrasyonları, giriş hızları, sıcaklıklar, sensör kalınlıkları ve gözeneklilikleri için incelenmiştir. Bulgular, reaksiyon ve difüzyonun rekabet eden etkisinin, sensör filminin içindeki genel dağılımı büyük ölçüde belirlediğini göstermektedir. Ayrıca, hava akışı boyunca taşınan CO moleküllerinin etkisini vurgulayan CO konsantrasyonunun uzunlamasına dağılımı, yerel Sherwood sayısının incelenmesi ile desteklenmiştir. CO giriş konsantrasyonunun sensörün iletkenliği ve hassasiyeti üzerindeki etkisi, CO giriş konsantrasyonundaki bir artışın daha yüksek iletkenliğe ve hassasiyette kademeli bir artışa yol açtığını göstermiştir. Ancak, hassasiyet nihayetinde reaktif sitelerin doygunluğu nedeniyle bir platoya ulaşır. Ek olarak, giriş hızının ve yatay/dikey akış konfigürasyonlarının iletkenlik profil üzerindeki etkisi incelenmiştir. Sıcaklığın iletkenlik ve hassasiyet üzerindeki etkisi, tüketim ve iyonize oksijen yoğunluğunun geri kazanımı arasındaki rekabet etkisi temelinde incelenmiştir. Ayrıca, çalışma hassasiyet ile sensör filmi kalınlığı arasındaki ters ilişkiyi ve hassasiyet ile gözeneklilik arasındaki doğrudan orantıyı gösterir.
Özet (Çeviri)
Semiconductor metal oxide gas sensors are found extensive use in both industrial settings and household settings that enable the detection and quantification of various gases serving different purposes such as safety and process control. Carbon monoxide (CO) detection is vital because of its potential toxic effects on human health. This study provides a comprehensive investigation into the sensing behavior of a SnO2-based porous metal oxide gas sensor in response to CO by utilizing COMSOL Multiphysics. In this study, CO gas in an excess oxygen environment is introduced with an inlet velocity to a measurement chamber, and the time-dependent response of the sensor is investigated. The model encompasses convective and diffusive mass transfer, reaction kinetics, conductance, and electrical current models. The dynamic ionized oxygen density is established as a connection between the gas concentration and the conductance of the sensor. The sensor's response is investigated for varying carbon monoxide concentrations, inlet velocities, temperatures, thicknesses, and porosities. The findings indicate that the competing effect of reaction and diffusion mainly determines the overall distribution inside the sensing film. Additionally, the longitudinal distribution of CO concentration highlighting the impact of CO molecules carried along the air flow was supported by the investigation of the local Sherwood number. The effect of CO inlet concentration on the sensor's conductance and sensitivity demonstrated that an increase in CO inlet concentration leads to higher conductance and a progressive increase in sensitivity. However, the sensitivity eventually reaches a plateau due to the saturation of reactive sites. In addition, the effect of inlet velocity, and horizontal/vertical flow configurations on the conductance profile were investigated. The effect of temperature on conductance and sensitivity was examined based on the competing effect of consumption and recovery of the ionized oxygen density. Furthermore, the study reveals an inverse relationship between sensitivity and the thickness of the sensing film while demonstrating a direct proportionality between sensitivity and porosity.
Benzer Tezler
- Design and fabrication of magnetically actuated cell sorter
Manyetik olarak kontrol edilebilen hücre siniflandirici tasarimi ve üretimi
MERVE GÜLLE
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET CAN ERTEN
- Reduced hardware complexity for viscosity measurements by optical knife-edge detection on micropillar-based microfluidic chips
Mikrosütun tabanlı mikroakışkan çipler üzerindeki optik bıçak kenarı tespiti ile viskozite ölçümleri için azaltılmış donanım karmaşıklığı
EZGİ ŞENTÜRK
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET CAN ERTEN
DOÇ. DR. ONUR FERHANOĞLU
- Inclusion of interactions in mathematical modelling of implant assisted magnetic drug targeting
Başlık çevirisi yok
ADİL MARDİNOĞLU
- Mathematical modeling and simulation of suspension droplet drying
Süspansiyon taneciği kurumasının matematiksel modellemesi ve simülasyonu
AHMET FURKAN ÖZCAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Kimya MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YUSUF ULUDAĞ
- Mathematical modeling and simulation of photopolymerization process
Fotopolimerizasyon sürecinin matematiksel modellenmesi ve simulasyonu
GÖKÇEN ALEV ALTUN ÇİFTÇİOĞLU
Doktora
İngilizce
2008
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYŞEGÜL ERSOY MERİÇBOYU