Разработка анализатора газов на базе газового сенсора RS 286-620

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ технический университет Кафедра N039 ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К ДИПЛОМНОМУ ПРОЕКТУ НА ТЕМУ Разработка анализатора газов на базе газового сенсора RS 286-620 Студент-дипломник Пименов Алексей Андреевич. Руководитель проекта к. ф м. н. Кривашеев Сергей Владимирович Консультант д. Ф м. н. Федорович Геннадий Викторович Рецензент Рыжов Валерий Валентинович Заведующий кафедрой Москва - 1999 г. Содержание Содержание 2 Введение 4 Постановка задачи 4 Возможные пути решения 4 Обзор литературы 6 Что сделано другими разработчиками в этом направлении. 6 Обзор современных полупроводниковых газовых датчиков 6 Обзор микроконтроллеров для обработки сигналов 7 Выбор элементной базы для измерительной части. 8 Выбор устройства отображения информации 8 Описание прибора 9 Описание сенсора RS286-9 Физические основы работы прибора. 10 Зависимость количества адсорбированных молекул от температуры. 14 Принципы обработки сигналов сенсора 16 Гипотеза линейной аддитивности сигналов. 16 Особенности построения алгоритма определения концентраций. 17 Соответствие между термограммами и парциальными проводимостями. 19 Структурная схема и основные элементы прибора 20 Принципы работы прибора. 20 Измерительная часть прибора. 20 Процессорная часть прибора. 22 Блок питания. 23 Устройство отображения информации. 23 Результаты испытаний прибора термограммы некоторых веществ и смесей 24 Настройка и калибровка анализатора. 24 Алгоритм работы прибора 26 Заключение 28 Использованная литература. 29 Приложения 31 Приложение 1. Структурная схема прибора. 31 Приложение 2. Принципиальная схема прибора 32 Приложение 3. Принципы хранения информации в ПЗУ данных. Эталонные термограммы, прошитые в ПЗУ прибора. 33 Приложение 4. Контрольный пример и определение точности алгоритма обработки данных. 35 Приложение 5. Результаты измерений загрязненности воздуха. 36 Приложение 6. Результаты определения химического состава газовой смеси. 38 риложение 7. Описание и характеристики газового датчика RS 286-44 Приложение 8. Вольт-кодовая характеристика измерительного блока на базе ОУ AD820 . 45 Приложение 9. Описание и характеристики устройства отображения информации. 46 Приложение 10. Расчетные графики зависимости количества носителей заряда от температуры полупроводниковой пленки. 47 Приложение 11. Эталонные термограммы и таблица взаимных корреляций для некоторых веществ. 48 Введение Постановка задачи В настоящее время на кафедре 39 ведутся работы по созданию комплексной системы экологического мониторинга по проекту МНТЦ N 484. Одним из направлений работ по этому проекту является разработка универсального анализатора газовой смеси.

Универсальный анализатор газовой смеси является одним из периферийных блоков системы и предназначается для мониторинга содержания различных химических веществ в окружающей прибор газовой смеси.

В ходе работ над проектом изучались различные методики мониторинга химического состава газовой смеси.

После разностороннего анализа имеющихся возможностей было установлено, что применить для решения поставленной задачи существующие готовые приборы невозможно.

Встала задача разработки нового анализатора газовой смеси.

Требования, предъявляемые к прибору Универсальность.

Возможность определять концентрации различных химических веществ без замены чувствительных элементов и настройки прибора на эти вещества.

Чувствительность прибора на уровне до единиц объемных процентов.

Необходимость обработки результатов измерения на месте и передачи в центральный блок только готовых результатов.

Возможность работы как в составе системы так и автономно. Совместимость информационных протоколов прибора со стандартом RS-232. Модульное построение. Малые габариты. Низкое энергопотребление. Работы над созданием такого прибора были начаты на кафедре в декабре 1997 г.

Возможные пути решения

Как конструкция детекторов, так и методы обработки результатов, отраба... Полупроводниковых датчиках спирты, углеводороды, токсичные газы. Топливных ячейках кислород. Речь может идти о некотором компромиссе вряд ли можно надеяться на соз... Задача исследований на настоящем этапе состояла в основном в определен...

Обзор литературы

Обзор литературы

Что сделано другими разработчиками в этом направлении

. 2 , 5 . Наиболее впечатляющие результаты по созданию универсальных анализаторо... Большинство таких работ ориентированы на определение содержания в газе... Например, в 5 исследовано влияние легирования медью на электропроводно...

Обзор современных полупроводниковых газовых датчиков

При изучении электрических свойств полупроводников было установлено, ч... Если кристалл полупроводника представляет собой тонкую полупроводников... RS-Components Capteur Подробные сравнительные характеристики датчиков ... При выборе сенсора RS 286-620 во внимание принимались и эти соображени... 3.

Обзор микроконтроллеров для обработки сигналов

128 байт ОЗУ. 80 C 31 - 8 разрядный MCS-51 совместимый микроконтроллер. 87 C 51 FC - 8 разрядный MCS-51 совместимый микроконтроллер. 256 байт ОЗУ. В качестве основы процессорной части прибора был взят микроконтроллер ...

Выбор элементной базы для измерительной части

Окончательный выбор был сделан в пользу последней, как более доступной... Точность измерений не хуже 1 3. . Сопротивление датчика определяется по падению напряжения на нем. Проводились испытания блока с микросхемами AD832, AD820,AD282.

Выбор устройства отображения информации

Выбор устройства отображения информации. При достаточно большой частоте активации строк человеческий глаз воспр... Для отображения результатов измерений и служебной информации необходим... После того, как поочередно будут активированы все строки изображения ц... .

Описание прибора

Описание прибора

Описание сенсора RS

Датчик состоит из нагревателя и тонкопленочного чувствительного элемен... Чувствительный элемент, состоящий из полупроводника, при адсорбции на ... Различные вещества-загрязнители создают примесные уровни в на различно... При более низких температурах проводимость датчика будет обусловлена, ... Датчик имеет следующие характеристики Максимальное напряжение на нагре...

Физические основы работы прибора

Чем уже запрещенная зона, тем больше в полупроводнике термически возбу... Наличие в кристалле примесей и дефектов приводит к появлению в запреще... При некоторой температуре вся примесь оказывается ионизованной и конце... При дальнейшем увеличении температуры, наступает момент, когда концент... При адсорбции на поверхности пленки молекул примеси в запрещенной зоне...

Зависимость количества адсорбированных молекул от температуры

Зависимость количества адсорбированных молекул от температуры. Ударяяс... Время адсорбции или пребывания молекул в адсорбированном состоянии зав... Величина aм количество молекул, необходимое для образования монослоя н... 9 Где Q степень покрытия поверхности. Из последнего уравнения следует. Q m n 10 Величина n определяется как скорость испарения газа с поверхн...

Принципы обработки сигналов сенсора

Принципы обработки сигналов сенсора Гипотеза линейной аддитивности сигналов.

Очевидно, что чем больше концентрация молекул в окружающем газе, тем больше число молекул, абсорбированных на поверхности тонкопленочного чувствительного элемента сенсора, и тем больше изменение его электропроводности.

Ясно также, что при представляющих интерес концентрациях примесей, степень покрытия поверхности сенсора много меньше единицы. В этих предположениях изменение s электропроводности чувствительного элемента сенсора при появлении в окружающем сенсор газе примесей с концентрацией C можно считать связанными линейно и аддитивно, т.е. полагать, что S Cisi s 16 где суммирование идет по видам примесей, si - соответствующие коэффициенты пропорциональности.

Коэффициенты si зависят от температуры, это обуславливает суммарную зависимость от температуры электропроводности чувствительного элемента сенсора. Соотношение 16 выражает содержание гипотезы линейной аддитивности результирующей термограммы предполагается, что наблюдаемая зависимость s Т есть сумма парциальных проводимостей, каждая из которых отражает вклад отдельной примеси в окружающем газе в суммарную электропроводность чувствительного элемента сенсора.

В рамках этой гипотезы задача определения парциальной концентрации примесей сводится к решению обратной задачи - подбору таких значений Ci, которые при известных температурных зависимостях коэффициентов si Т наилучшим образом описывают наблюдаемую термограмму s Т . Наиболее простой путь решения этой задачи - рассматривать соотношение 16 при нескольких температурах как систему линейных уравнений для неизвестных Ci, если число точек по температуре выбрать равным числу неизвестных концентраций, то система легко решается. Недостаток этого метода очевиден - результат будет зависеть от произвольного выбора температурных точек и, в этом смысле, будет также произволен.

Реально следует использовать какие-либо интегральные методы, учитывающие поведение термограммы s Т на всем представляющем интерес интервале изменения температуры. Некоторые из таких методов обсуждаются ниже. В основе обсуждаемых ниже интегральных методов лежат представления об эталонных термограммах - зависимостях s Т , обусловленных только одним видом примесей, единым образом нормированных.

Будем обозначать эти термограммы через si. Способ нормировки может быть выбран из соображений, навязываемых внутренней логикой используемого метода и не связан с требованием нормировки на каким-либо образом заданную единичную концентрацию примеси. Последнему требованию можно удовлетворить

Введение

Введение м дополнительных коэффициентов перехода между реальными и внутренними нормировочными коэффициентами.

Вопрос о нормировке эталонных термограмм тесно связан также с проблемой выбора аргумента функций. До сих пор все функции представлялись зависящими от температуры Т. Реально, однако, зависимости s и Ds снимаются как функции времени с начала прогрева сенсора. Для практических целей удобно именно эту величину принимать за аргумент функций, причем после очевидного линейного преобразования x t tmax можно получить аргумент х, меняющийся в интервале 0 1 . Это будет предполагаться ниже. Функции si х будут предполагаться нормированными в классе L2 на единицу т si х sj х dx si х sj х 17 Под скалярным произведением функций будем понимать выражение S si xk sj xk si х sj х 18 Где сумма берется по всем возможным значениям x в интервале 0 1 . Тогда имеея термограмму смеси sсмеси х можно записать sсмеси х S Aisi х i 1 n 19 Здесь Ai коэффициенты концентрации эталонных примесей, подлежащие определению.

Домножая 19 на sj х и интегрируя имеем т sсмеси х sj х dx т sj х S Aisi х dx sсмеси х sj х тS Aisi х sj х dx sсмесиsj S Ai тsi х sj х dx sсмесиsj S Ai sisj j 1 n 20 Выражение 20 представляет собой систему линейных уравнений относительно искомых чисел Ai. Коэффициенты sisj известны.

Особенности построения алгоритма определения концентраций

Особенности построения алгоритма определения концентраций. Если F x -исходная термограмма, Fi x -эталонные термограммы, под скаля... 3. Надежность получения решения. Всегда будет получено какое-либо решение... Недостатками данного метода являются 1.

Соответствие между термограммами и парциальными проводимостями

Соответствие между термограммами и парциальными проводимостями. Процесс снятия термограмм построен таким образом, что положительный фр... Таким образом si 1 R i-1 R0 21 . Схема процесса снятия термограммы показана на рис 2. В процессе снятия термограммы измеряются падения напряжения на сенсоре...

Структурная схема и основные элементы прибора

Структурная схема и основные элементы прибора

Принципы работы прибора

Принципы работы прибора. Одновременно с процессом прогрева сенсора происходит процесс измерения... Процессор производит измерение сопротивления сенсора через равные пром... работы прибора не проводятся. Для обеспечения достоверности результатов необходимо, чтобы эталонные ...

Измерительная часть прибора

В качестве повторителя используется операционный усилитель. Схема управления нагревателем должна обеспечивать достаточный ток чере... Формат считываемых данных соответствует формату данных микросхемы AD78... Во время преобразования сигнал Ожидание выставляется в высокий уровень. Рис.

Процессорная часть прибора

Процессорная часть прибора. Для хранения эталонных термограмм применяется ПЗУ большой емкости 512 ... Адресное пространство процессора позволяет непосредственно адресовать ... Для прочтения данных из ПЗУ данных необходимо проделать следующие опер... Произвести чтение ПЗУ данных на установленной в п 1 странице.

Блок питания

В качестве блока питания прибора используется внешний источник питания... Ток, обеспечиваемый источником составляет 0,7 А. Напряжение со стабилизатора поступает в цепи питания электронных компо... Для отображения результатов измерений используется матричный жидкокрис... При переходе этого сигнала из высокого логического уровня в низкий про...

Результаты испытаний прибора термограммы некоторых веществ и смесей

Результаты испытаний прибора термограммы некоторых веществ и смесей

Настройка и калибровка анализатора

Типичные концентрации паров должны составлять величины 10 - 1000 ppm. Первоначально испытания датчика проводились на 20 эталонных образцах. Пары воды 3. уксусная к-та 18. Из таблицы корреляций видно, что значение коэффициента корреляции для ...

Заключение

Заключение В настоящее время весьма актуальна проблема мониторинга окружающей среды.

Для контроля состояния окружающей среды и определения ее соответствия санитарно-гигиеническим нормам необходимо всестороннее изучение ее характеристик и количественная оценка этих характеристик. Система экологического мониторинга, разрабатываемая на кафедре в настоящее время, предназначена для одновременного измерения нескольких параметров окружающей среды - температура, влажность, давление, электрические и магнитные поля, радиоактивные загрязнения и т.д. Для определения пригодности и безопасности помещений для нахождения человека необходимо так же контролировать состав находящейся в помещении газовой смеси.

Для оперативного определения химического состава газовой смеси предназначен входящий в систему в качестве периферийного блока газовый анализатор. Данная работа посвящена разработке газового анализатора для системы экологического мониторинга. Основным его отличием от приборов аналогичного назначения является использование в качестве чувствительного элемента датчика загрязненности воздуха, предназначенного не для определения состава газовой смеси, а для определения степени ее загрязненности.

Применение такого датчика повлекло за собой необходимость измерения зависимости сопротивления датчика от его температуры и обработки полученной зависимости для выделения вклада в нее различных составляющих газовой смеси. В качестве математического аппарата применялся как метод решения систем уравнений понижающейся размерности, так и методы линейного программирования в частности симплекс-метод, позволивший убедиться в корректности работы первого алгоритма решения задачи.

В ходе работы показана возможность расширения области применения датчика загрязненности воздуха и создания прибора для определения состава газовой смеси. Так же создан прототип такого прибора, позволяющий определить присутствие в газовой смеси ряда примесей.

Использованная литература

Перспективные материалы 1997 , 2. Наука 1978 . http wgc.chem.pu.ru personal htk histart.htm 9.Техническая документаци... 12.Дж. Блейкмор. Физика твердого тела.