Содержание

Содержание

Введение

Постановка задачи

Возможные пути решения

Обзор литературы

Что сделано другими разработчиками в этом направлении.

Обзор современных полупроводниковых газовых датчиков

Обзор микроконтроллеров для обработки сигналов

Выбор элементной базы для измерительной части.

Выбор устройства отображения информации

Описание прибора

Описание сенсора RS286-620

Физические основы работы прибора.

Зависимость количества адсорбированных молекул от температуры.

Принципы обработки сигналов сенсора

Гипотеза линейной аддитивности сигналов.

Особенности построения алгоритма определения концентраций.

Соответствие между термограммами и парциальными проводимостями.

Структурная схема и основные элементы прибора

Принципы работы прибора.

Измерительная часть прибора.

Процессорная часть прибора.

Блок питания.

Устройство отображения информации.

Результаты испытаний прибора (термограммы некоторых веществ и смесей)

Настройка и калибровка анализатора.

Алгоритм работы прибора

Заключение

Использованная литература.

Приложения

Приложение 1. Структурная схема прибора.

Приложение 2. Принципиальная схема прибора

Приложение 3. Принципы хранения информации в ПЗУ данных. Эталонные термограммы, прошитые в ПЗУ прибора.

Приложение 4. Контрольный пример и определение точности алгоритма обработки данных.

Приложение 5. Результаты измерений загрязненности воздуха.

Приложение 6. Результаты определения химического состава газовой смеси.

риложение 7. Описание и характеристики газового датчика RS 286-620

Приложение 8. Вольт-кодовая характеристика измерительного блока на базе ОУ AD820 .

Приложение 9. Описание и характеристики устройства отображения информации.

Приложение 10. Расчетные графики зависимости количества носителей заряда от температуры полупроводниковой пленки.

Приложение 11. Эталонные термограммы и таблица взаимных корреляций для некоторых веществ.

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

В настоящее время в прикладной химии одним из наиболее распространенных методов контроля состояния окружающей среды является газовая хроматография. Хроматография - гибридный метод: вначале на колонке в потоке анализируемого газа происходит разделение смеси на отдельные компоненты, а затем детектор, расположенный после хроматографической колонки, определяет содержание разделенных соединений в потоке газа-носителя. Газохроматографический детектор представляет собой измерительный прибор, который обнаруживает присутствие в газе-носителе компонентов, отличающихся от газа-носителя по химическому составу, и преобразует эту информацию в электрический сигнал. Многообразие требований способствовало появлению целого ряда детекторов, отличающихся по своим свойствам (чувствительности, селективности, динамическому диапазону и пр.).

К достоинствам газохроматографических методов следует отнести высокую селективность и точность. В основном это связано с хорошей проработанностью методов интерпретации результатов измерений. Как конструкция детекторов, так и методы обработки результатов, отрабатывались на протяжении десятков лет и в настоящее время разработаны высокочувствительные методы, позволяющие обнаруживать даже фемтограммы вещества. Однако эти результаты получены за счет чрезвычайно сложных (и, соответственно, дорогих) конструкций газовых хроматографов, работа на которых требует больших затрат рабочего времени высококвалифицированного персонала.

Для простых применений, когда можно обойтись небольшой точностью и селективностью, применяют газовые датчики, вырабатывающие более или менее специфичные для различных веществ электрические сигналы. При этом используются различные физические и химические эффекты, реализуемые в

* Термокондуктометрических ячейках (для обнаружения СО2, SO2, SF6 и др. газов).

* Термохимических (каталитических) ячейках (для обнаружения CO, взрывоопасных и горючих газов).

* Полупроводниковых датчиках (спирты, углеводороды, токсичные газы).

* Топливных ячейках (кислород).

Приборы, основанные на использовании газовых датчиков, отличаются относительной простотой конструкции, небольшой ценой и простотой в обращении с ними, что позволяет пользоваться ими персоналу не имеющему специальной подготовки. К недостаткам таких приборов относятся их низкая чувствительность и селективность. Эти приборы используются там, где необходимо определять концентрацию примесей на уровне единиц (редко - долей) объемных процентов и выше. Что касается селективности, то обычно требуется предварительная информация о том, какой газ (из группы газов, воздействующих на сенсор) присутствует в воздухе, после чего результаты измерений можно интерпретировать в терминах его концентрации.

Представляет несомненный интерес возможность создания анализатора газов, объединяющего достоинства газовых хроматографов (высокая чувствительность и селективность) и газовых датчиков (простота использования и оперативность измерений). Речь может идти о некотором компромиссе: вряд ли можно надеяться на создание датчика с параметрами газового хроматографа и ценой газового датчика, однако принципиальное улучшение параметров газовых датчиков при сохранении относительной (по отношению к газовым хроматографам) простоты конструкции и обслуживания представляется возможным. Определенные перспективы здесь открылись после разработки и освоения массового производства полупроводниковых газовых датчиков. Принцип действия таких датчиков основан на явлении изменения электрического сопротивления тонкопленочного полупроводника при абсорбции на его поверхности молекул различных газов. Последние становятся донорами (либо акцепторами) электронов в зону проводимости полупроводника. Чем больше концентрация молекул в окружающем пленку газе, тем больше число абсорбированных на поверхности молекул, и тем больше изменение сопротивления пленки. Как число абсорбированных молекул, так и результирующее изменение электропроводности пленки зависят от температуры.