Реферати українською » Геология » Розробка аналізатора газів з урахуванням газового сенсора RS 286-620


Реферат Розробка аналізатора газів з урахуванням газового сенсора RS 286-620

Страница 1 из 2 | Следующая страница

МІНІСТЕРСТВО СПІЛЬНОГО І ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОСВІТИ РОСІЙСЬКОЇ ФЕДЕРАЦІЇ

МОСКОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ІНСТИТУТ

(технічний університет)


Кафедра N0 39


ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

До ДИПЛОМНОМУ ПРОЕКТУ НА ТЕМУ:


Розробка аналізатора газів з урахуванням газового сенсора RS 286-620


Студент-дипломник Піменов Олексій Андрійович.


Керівник проекту до. ф.-м. зв. Кривашеев Сергій Володимирович

Консультант буд. Ф.-м. зв. Федорович Геннадій Вікторович



Рецензент Рижов Валерій Валентинович  


Завідувач кафедри



Москва – 1999 р.

Зміст

Зміст 2

Запровадження 4

Постановка завдання 4

Можливі шляхи вирішення 4

Огляд літератури 6

Що іншими розробниками у цьому напрямі. 6

Огляд сучасних напівпровідникових газових датчиків 6

Огляд микроконтроллеров в обробці сигналів 7

Вибір елементної бази щодо вимірювальної частини. 7

Вибір устрою відображення інформації 8

Опис приладу 9

Опис сенсора RS286-620 9

Фізичні основи роботи приладу. 10

Залежність кількості адсорбированных молекул від температури. 14

Принципи обробки сигналів сенсора 16

Гіпотеза лінійної аддитивности сигналів. 16

Особливості побудови алгоритму визначення концентрацій. 18

Відповідність між термограммами і парциальными проводимостями. 19

Структурна схема реалізувати основні елементи приладу 20

Принципи роботи приладу. 20

Измерительная частина приладу. 21

Процессорная частина приладу. 22

Блок харчування. 23

Пристрій відображення інформації. 23

Результати випробувань приладу (термограммы деяких речовин і сумішей) 24

Налаштування і калібрування аналізатора. 24

Алгоритм роботи приладу 27

Укладання 29

Використана література. 30

Додатка 32

Додаток 1. Структурна схема приладу. 32

Додаток 2. Принципова схема приладу 33

Додаток 3. Принципи зберігання інформацією ПЗУ даних. Еталонні термограммы, прошиті в ПЗУ приладу. 34

Додаток 4. Контрольний приклад й визначення точності алгоритму обробки даних. 36

Додаток 5. Результати вимірів забруднення повітря. 37

Додаток 6. Результати визначення хімічного складу газової суміші. 39

43

риложение 7. Опис і характеристики газового датчика RS 286-620 45

. 45

Додаток 8. Вольт-кодовая характеристика вимірювального блоку з урахуванням ЗУ AD820 . 46

Додаток 9. Опис і характеристики устрою відображення інформації. 47

Додаток 10. Розрахункові графіки залежності кількості носіїв заряду від температури напівпровідникової плівки. 47

Додаток 11. Еталонні термограммы і таблиця взаємних кореляцій декому речовин. 49


Запровадження

Постановка завдання

Нині спеціалісти кафедри 39 роботи з створенню комплексної системи екологічного моніторингу у проекті МНТЦ N 484. Однією з напрямів робіт із цього проекту є розробка універсального аналізатора газової суміші.

Універсальний аналізатор газової суміші одна із периферійних блоків системи та призначається для моніторингу змісту різних хімічних речовин, у оточуючої прилад газової суміші.

У результаті робіт над проектом вивчалися різні методики моніторингу хімічного складу газової суміші. Після різнобічного аналізу наявних можливостей було встановлено, що застосувати на вирішення поставленого завдання існуючі готові прилади неможливо. Стала завдання розробки нового аналізатора газової суміші. Вимоги, які пред'являються приладу:

  • Універсальність. Можливість визначати концентрації різних хімічних речовин без заміни чутливих елементів і настрою приладу для цієї речовини.

  • Чутливість приладу лише на рівні до одиниць об'ємних відсотків.

  • Необхідність обробки результатів виміру дома і передачі у центральний блок лише готових результатів.

  • Можливість роботи, як у складі системи і автономно.

  • Сумісність інформаційних протоколів приладу зі стандартом RS-232.

  • Модульна побудова.

  • Малі габарити.

  • Низька енергоспоживання.


Роботи створення такого приладу розпочато спеціалісти кафедри у грудні 1997 р.


Можливі шляхи вирішення

Нині в прикладної хімії однією з поширених методів контролю стану довкілля є газова хроматографія. Хроматография - гібридний метод: спочатку на колонці серед аналізованого газу відбувається поділ суміші деякі компоненти, та був детектор, розташований після хроматографічної колонки, визначає зміст розділених сполук, у потоці газа-носителя. Газохроматографический детектор є вимірювати, який виявляє присутність у газе-носителе компонентів, від газа-носителя за хімічним складом, і перетворює цю інформацію в електричний сигнал. Розмаїття вимог спричинило появу цілого ряду детекторів, які відрізняються своїм властивостями (чутливості, селективності, динамічному діапазону тощо.).

До переваг газохроматографических методів слід віднести високу селективність і точність. У це пов'язані з хорошою пропрацьованністю методів інтерпретації результатів вимірів. Як конструкція детекторів, і методи обробки результатів, відпрацьовувалися протягом чотирьох десятків років й у час розроблено високочутливі методи, дозволяють виявляти навіть фемтограммы речовини. Але ці результати отримано з допомогою надзвичайно складних (і, дорогих) конструкцій газових хроматографов, робота у яких вимагають великих витрат робочого дня висококваліфікованого персоналу.

Для простих застосувань, коли можна обійтися невеличкий влучністю і селективностью, застосовують газові датчики, що виробляють більш-менш специфічні щодо різноманітних речовин електричні сигнали. У цьому використовуються різні фізичні і хімічні ефекти, реалізовані в

  • Термокондуктометрических осередках (щоб виявити ЗІ2, SO2, SF6 та інших. газів).

  • Термохимических (каталітичних) осередках (щоб виявити CO, вибухонебезпечних і горючих газів).

  • Полупроводниковых датчиках (спирти, вуглеводні, токсичні гази).

  • Топливных осередках (кисень).

Прилади, засновані на використанні газових датчиків, відрізняються відносної простотою конструкції, невеличкий ціною і простотою оперування ними, що дозволяє користуватися ними персоналу яка має спеціальної підготовки. До вад таких приладів ставляться їх низька чутливість і селективність. Ці прилади використовуються там, де необхідно визначати концентрацію домішок лише на рівні одиниць (рідко - часткою) об'ємних відсотків і від. Що ж до селективності, то зазвичай потрібно попередня з'явилася інформація, який газ (із групи газів, які впливають на сенсор) є у повітрі, після чого результати вимірів можна інтерпретувати в термінах його концентрації.

Становить безсумнівний інтерес можливість створення аналізатора газів, що об'єднує гідності газових хроматографов (висока чутливість і селективність) і газових датчиків (простота використання коштів і оперативність вимірів). Йдеться може бути про деякому компроміс: навряд можна очікувати створення датчика з параметрами газового хроматографа і ціною газового датчика, проте принципове поліпшення параметрів газових датчиків за збереження відносної (стосовно газовим хроматографам) простоти конструкції і обслуговування можна. Певні перспективи тут відкрилися після розробки та освоєння виробництва напівпровідникових газових датчиків. Принцип дії таких датчиків грунтується на явище зміни електричного опору тонкопленочного напівпровідника при абсорбції з його поверхні молекул різних газів. Останні стають донорами (або акцепторами) електронів до зони провідності напівпровідника. Чим більший концентрація молекул в навколишньому плівку газі, то більше вписувалося число абсорбованих лежить на поверхні молекул, тим більше зміна опору плівки. Як число абсорбованих молекул, і результуюче зміна електропровідності плівки залежить від температури.

Якщо поставити мету підвищення селективності вимірів, слід пам'ятати, що попри якісну однотипність, температурні залежності опору (нижче, для стислості, ми йменуватимемо термограммами) напівпровідникового сенсора у присутності різних газів різняться. Нижче описана методику визначення складу газової суміші, яка грунтується на припущенні про лінійної аддитивности термограмм, і його апаратна реалізація, застосована в прилади.

Слід зазначити, що отримане справжньою етапі дослідження результати як у чутливості, і по селективності розроблений аналізатор газів поступається сучасним газохроматографическим аналізаторах. Треба пам'ятати, проте, що це перший крок у напрямі модифікації методів роботи з напівпровідниковими газовими сенсорами. Завдання досліджень справжньою етапі полягало у основному визначенні перспективності описуваного напрями. У цьому плані отримані результати є цілком обнадійливими - показано, що звичайний напівпровідниковий сенсор можна використовуватиме селекції окремих газів у довільній суміші.


Огляд літератури

Що іншими розробниками у цьому напрямі.

Серед робіт з вивченню властивостей напівпровідників помітну роль займають роботи з вивчення взаємодії напівпровідникових плівок і хімічних речовин. [2], [5].

Більшість таких робіт орієнтовані визначення вмісту у газі певною конкретною домішки. Наприклад, в [5] досліджувана вплив легування міддю на електропровідність і сенсорні властивості плівок SnO2. Запропоновано модель, пояснює підвищену чутливість SnO2 до сірководню. У означеному разі зміна провідності провідності зумовлено хімічним взаємодією електрично активної міді зі сріблясто-сірою всього обсягу плівки.

Найбільш вражаючі результати зі створення універсальних аналізаторів газової суміші з урахуванням напівпровідникових датчиків досягнуто під час використання як детектора набору з кілька десятків однотипних напівпровідникових плівок, по-різному легованих домішками, створюють сильно віддалені до кордонів забороненої зони рівні. Залежно від становища примесного рівня забруднювача максимальне збільшення провідності відбувається у одній з таких осередків. Висновки про характер присутніх у газовій суміші забруднювачів робляться з урахуванням сукупності сигналів від усіх осередків приладу. Такий прилад, фактично, є змонтований щодо одного корпусі набір напівпровідникових детекторів, кожен із яких реагує на якесь певну речовину. Досить докладно такий датчик описаний в [7].

Огляд сучасних напівпровідникових газових датчиків

Під час вивчення електричних властивостей напівпровідників було встановлено, що й провідність істотно змінюється у разі в полупроводнике домішок (процес легування напівпровідника). Теоретичне обгрунтування такої зміни з прикладу моделі Корнига-Пенни дано, наприклад, в [4] і [12]. Якщо кристал напівпровідника є тонку напівпровідникову плівку, то адсорбція з його поверхні молекул з довколишнього напівпровідник газової середовища як і призводить до зміни його електричних властивостей. Поведінка тонких напівпровідникових плівок у [1]-[3]. Нині явище зміни провідності тонких напівпровідникових верств при адсорбції з їхньої поверхні різних хімічних речовин досить використовується до створення напівпровідникових газових датчиків [2],[5]. Найпоширенішим матеріалом виготовлення газових датчиків нині є пористий кремній.

Нині розроблено й серійно випускається кілька сімейств газових датчиків. Основним недоліком всіх таких датчиків був частиною їхнього спрямованість визначений вид хімічного речовини- забруднювача чи визначення забруднення повітря на цілому.

Основних напрямів з розробки газових датчиків є розробки

  • Датчиков забруднення повітря (Air quality sensors)

  • Датчиков токсичних газів

  • Датчиков вуглекислоти

  • Датчиков органічних газів

  • Датчиков вуглекислого газу

  • Датчиков вибухонебезпечних газів

  • Датчиков отруйних газів

Основні постачальники цих приладів є фірми

  • PAX Analytics Inc.

  • Senco Sensors Inc.

  • Monox Limited.

  • RS-Components

  • Capteur


Докладні порівняльні характеристики датчиків наведені у [7] і [8]/

На відміну від інших комплектуючих приладу, під час виборів газового датчика слід сприймати до уваги міркування доступності тих чи інших приладів( ціна, можливість придбання Росії ). При виборі сенсора RS 286-620 до уваги приймалися й інші міркування. Як засвідчили експерименти, даний тип сенсора не має хорошою повторюваністю результатів в різних примірниках датчика. Необхідна індивідуальна калібрування кожного датчика для газового аналізатора.

Найвища вимога, які пред'являються датчику:

  1. Повторюваність результатів вимірів (термограмм) при заміні датчика.

  2. Низька теплова інерційність датчика.

  3. Температура датчика щонайменше 250проЗ при напрузі на нагревателе 5В.


Огляд микроконтроллеров в обробці сигналів

При виборі микроконтроллера для приладу висувалися такі вимоги

  • Сумісність рівнів і длительностей сигналів з іншими блоками системи екологічного моніторингу.

  • Можливість прямий адресації щонайменше 64 До Байт зовнішньої пам'яті.

  • Зручність при програмуванні.

  • Мінімальна кількість периферійних елементів.

  • Невисока вартість.

Вчасно попередніх розробок спеціалісти кафедри було накопичено досвід роботи з мікропроцесорами сімейства MCS-51. Для прискорення розробки микроконтроллер для приладу вибирався з модельного низки MCS-51.

Нижче наведені порівняльні характеристики деяких микроконтроллеров цього сімейства.

80 З 51 BH – 8 розрядний MCS-51 сумісний микроконтроллер. 4Кбайт ПЗУ. 128 байт ОЗУ. 4 порту ввода/вывода. 2 программируемых 16-ти розрядних таймера. 1 послідовний порт.

80 З 51 FA – 8 розрядний MCS-51 сумісний микроконтроллер. 256 байт ОЗУ. 4 порту ввода/вывода. 3 программируемых 16-ти розрядних таймера. 1 послідовний порт.

80 З 31 – 8 розрядний MCS-51 сумісний микроконтроллер. 128 байт ОЗУ. 4 порту ввода/вывода. 2 программируемых 16-ти розрядних таймера. 1 послідовний порт.

80 З 32 – 8 розрядний MCS-51 сумісний микроконтроллер. 256 байт ОЗУ. 4 порту ввода/вывода. 3 программируемых 16-ти розрядних таймера. 1 послідовний порт.

87 З 51 FC – 8 розрядний MCS-51 сумісний микроконтроллер. 32Кбайт ПЗУ. 256 байт ОЗУ. 4 порту ввода/вывода. 3 программируемых 16-ти розрядних таймера. 1 послідовний порт.

Як основи процессорной частини приладу узяли микроконтроллер класу 80C51BH виробництва компанії Atmel - АТ89С51.

Докладні характеристики микроконтроллеров сімейства MCS-51 наведені у [16], а опис мікросхеми АТ89С51 – в [9].


Вибір елементної бази щодо вимірювальної частини.

Назначением вимірювальної частини приладу є вимірювання опору на чутливому елементі газового датчика, його перетворення на цифровий код і подальша передача цього коду в мікропроцесор в обробці. Опір датчика визначається по падіння напруги у ньому. Оскільки струм, протекающий через чутливий елемент датчика є величиною такого ж порядку, як і струми які відбуваються по вимірювальним ланцюгах сучасних аналого-цифрових перетворювачів, то тут для усунення спотворень від АЦП необхідно застосувати гальванічну розв'язку. Як такий розв'язки доцільно застосовувати операційний підсилювач з одиничним коефіцієнтом посилення.

При виборі мікросхеми АЦП основними критеріями відбору є такі

  1. Діапазон вимірюваних напруг 0-5 У.

  2. Точність вимірів буде не гірший 1%

  3. Сумісність сигналів з мікропроцесором.

  4. Зручність управління та обміну інформацією.

При проектування приладу через нестачу вільних портів микроконтроллера було вирішено використовувати АЦП з послідовним інтерфейсом. Після докладного розгляду наявних комплектуючих коло вибору звузилося до двох виробів - мікросхем AD7893 і AD 7896. Остаточний вибір було зроблено користь останній, як більше доступною.

При виборі мікросхеми операційного підсилювача основним критерієм під час виборів була лінійність всього вимірювального блоку. Проводилися випробування блоку з мікросхемами AD832, AD820,AD282. Кращий результат лінійності відповідає блоку з урахуванням AD820. Відповідна вольт-кодовая характеристика приведено в Додатку 8.


Вибір устрою відображення інформації

Для відображення результатів вимірів та службовою інформації необхідно застосування точечно-матричного індикатора. Нині існує 3 основних сімейства пристроїв відображення інформації- вакуумно - люмінесцентні, світлодіодні і рідкокристалічні.

Вакумно- люмінесцентні прилади вимагають відносно високих (порядку 30-50 У) напруг харчування і додаткових ланцюгів харчування змінного струму задля забезпечення прогріву катода. Застосування такого устрою відображення у цьому приладі суттєво збільшив його складність і габарити.

Матричные світлодіодні устрою відображення виготовляються як відносно невеликих матриць (зазвичай 7х5 чи 8х8 елементів). Одного такого устрою достатньо відображення одного символу. Робота приладу необхідно одночасне відображення по, крайнього заходу, 12-15 символів. При складанні устрою відображення , задовольняючого таких вимог з отбельных елементів по 1 символу постають певні технологічні труднощі, пов'язані розміщенням великої кількості електричних ланцюгів на платі устрою відображення інформації.

Рідкокристалічні устрою відображення інформації позбавлені недоліків, властивих двом першим типам пристроїв відображення. Через те й

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Схожі реферати:

Навігація