Разработка анализатора газов на базе газового сенсора RS 286-620 - Геология - Скачать бесплатно
МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
(
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
(технический университет)
Кафедра N0 39
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 RS286-620 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 286-620 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
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.
Если задаться целью повышения селективности измерений, следует иметь в
виду, что несмотря на качественную однотипность, температурные зависимости
сопротивления (ниже, для краткости, будем называть их термограммами)
полупроводникового сенсора в присутствии различных газов различаются. Ниже
описана методика определения состава газовой смеси, основывающаяся на
предположении о линейной аддитивности термограмм, и ее аппаратная
реализация, примененная в приборы.
Следует отметить, что полученные на настоящем этапе исследования
результаты как по чувствительности, так и по селективности разработанный
анализатор газов уступает современным газохроматографическим анализаторам.
Надо иметь в виду, однако, что это первый шаг в направлении модификации
методов работы с полупроводниковыми газовыми сенсорами. Задача исследований
на настоящем этапе состояла в основном в определении перспективности
описываемого направления. В этом отношении полученные результаты
представляются вполне обнадеживающими - показано, что обыкновенный
полупроводниковый сенсор можно использовать для селекции отдельных газов в
произвольной смеси.
Обзор литературы
Что сделано другими разработчиками в этом направлении.
Среди работ по изучению свойств полупроводников заметную роль занимают
работы по изучению взаимодействия полупроводниковых пленок и химических
веществ. [2], [5].
Большинство таких работ ориентированы на определение содержания в газе
какой-либо конкретной примеси. Например, в [5] исследовано влияние
легирования медью на электропроводность и сенсорные свойства пленок SnO2.
Предложена модель, объясняющая повышенную чувствительность SnO2 к
сероводороду. В рассматриваемом случае изменение проводимости проводимости
обусловлено химическим взаимодействием электрически активной меди с серой
во всем объеме пленки.
Наиболее впечатляющие результаты по созданию универсальных анализаторов
газовой смеси на основе полупроводниковых датчиков были достигнуты при
использовании в качестве детектора набора из нескольких десятков однотипных
полупроводниковых пленок, по разному легированных примесями, создающими
сильно удаленные от границ запрещенной зоны уровни. В зависимости от
положения примесного уровня загрязнителя максимальное увеличение
проводимости происходит в одной из таких ячеек. Выводы о характере
присутствующих в газовой смеси загрязнителей делаются на основе
совокупности сигналов от всех ячеек прибора. Такой прибор, фактически,
представляет собой смонтированный в одном корпусе набор полупроводниковых
детекторов, каждый из которых реагирует на какое-либо определенное
вещество. Достаточно подробно такой датчик описан в [7].
Обзор современных полупроводниковых газовых датчиков
При изучении электрических свойств полупроводников было установлено,
что их проводимость существенно меняется при появлении в полупроводнике
примесей (процесс легирования полупроводника). Теоретическое обоснование
такого изменения на примере модели Корнига-Пенни дано, например, в [4] и
[12]. Если кристалл полупроводника представляет собой тонкую
полупроводниковую пленку, то адсорбция на его поверхности молекул из
окружающей полупроводник газовой среды так же приводит к изменению его
электрических свойств. Поведение тонких полупроводниковых пленок
рассматривается в [1]-[3]. В настоящее время явление изменения проводимости
тонких полупроводниковых слоев при адсорбции на их поверхности различных
химических веществ достаточно широко используется для создания
полупроводниковых газовых датчиков [2],[5]. Наиболее распространенным
материалом для изготовления газовых датчиков в настоящее время является
пористый кремний.
В настоящее время разработано и серийно выпускается несколько семейств
газовых датчиков. Основным недостатком всех таких датчиков является их
направленность на определенный вид химического вещества- загрязнителя или
на определение загрязненности воздуха в целом.
Основными направлениями в разработке газовых датчиков являются
разработки
. Датчиков загрязненности воздуха (Air quality sensors)
. Датчиков токсичных газов
. Датчиков углекислоты
. Датчиков органических газов
. Датчиков углекислого газа
. Датчиков взрывоопасных газов
. Датчиков ядовитых газов
Основными поставщиками этих приборов являются фирмы
. PAX Analytics Inc.
. Senco Sensors Inc.
. Monox Limited.
. RS-Components
. Capteur
Подробные сравнительные характеристики датчиков приведены в [7] и [8]/
В отличии от остальных комплектующих прибора, при выборе газового
датчика следует принимать во внимание соображения доступности тех или иных
приборов( цена, возможность приобретения в России ). При выборе сенсора RS
286-620 во внимание принимались и эти соображения. Как показали
эксперименты, данный тип сенсора не обладает хорошей повторяемостью
результатов на различных экземплярах датчика. Необходима индивидуальная
калибровка каждого датчика для газового анализатора.
Основные требования, предъявляемые к датчику:
1. Повторяемость результатов измерений (термограмм) при замене датчика.
2. Низкая тепловая инерционность датчика.
3. Температура датчика не менее 250оС при напряжении на нагревателе 5В.
Обзор микроконтроллеров для обработки сигналов
При выборе микроконтроллера для прибора выдвигались следующие
требования
Совместимость уровней и длительностей сигналов с остальными блоками системы
экологического мониторинга.
Возможность прямой адресации не менее 64 К Байт внешней памяти.
Удобство при программировании.
Минимальное количество периферийных элементов.
Невысокая стоимость.
Вовремя предыдущих разработок на кафедре был накоплен богатый опыт
работы с микропроцессорами семейства MCS-51. Для ускорения разработки
микроконтроллер для прибора выбирался из модельного ряда MCS-51.
Ниже приведены сравнительные характеристики некоторых микроконтроллеров
этого семейства.
80 C 51 BH – 8 разрядный MCS-51 совместимый микроконтроллер. 4Кбайт
ПЗУ. 128 байт ОЗУ. 4 порта ввода/вывода. 2 программируемых
16-ти разрядных таймера. 1 последовательный порт.
80 C 51 FA – 8 разрядный MCS-51 совместимый микроконтроллер. 256
байт ОЗУ. 4 порта ввода/вывода. 3 программируемых 16-ти
разрядных таймера. 1 последовательный порт.
80 C 31 – 8 разрядный MCS-51 совместимый микроконтроллер. 128
байт ОЗУ. 4 порта ввода/вывода. 2 программируемых 16-ти
разрядных таймера. 1 последовательный порт.
80 C 32 – 8 разрядный MCS-51 совместимый микроконтроллер. 256
байт ОЗУ. 4 порта ввода/вывода. 3 программируемых 16-ти
разрядных таймера. 1 последовательный порт.
87 C 51 FC – 8 разрядный MCS-51 совместимый микроконтроллер.
32Кбайт ПЗУ. 256 байт ОЗУ. 4 порта ввода/вывода. 3
программируемых 16-ти разрядных таймера. 1 последовательный
порт.
В качестве основы процессорной части прибора был взят микроконтроллер
класса 80C51BH производства компании Atmel - АТ89С51.
Подробные характеристики микроконтроллеров семейства MCS-51 приведены в
[16], а описание микросхемы АТ89С51 – в [9].
Выбор элементной базы для измерительной части.
Назначением измерительной части прибора является измерение
сопротивления на чувствительном элементе газового датчика, его
преобразование в цифровой код и дальнейшая передача этого кода в
микропроцессор для обработки. Сопротивление датчика определяется по падению
напряжения на нем. Поскольку ток, протекающий через чувствительный элемент
датчика является величиной того же порядка, что и токи протекающие по
измерительным цепям современных аналого-цифровых преобразователей, то для
устранения искажений от АЦП необходимо применить гальваническую развязку. В
качестве такой развязки целесообразно применять операционный усилитель с
единичным коэффициентом усиления.
При выборе микросхемы АЦП основными критериями отбора являются
следующие
Диапазон измеряемых напряжений 0-5 В.
Точность измерений не хуже 1%
Совместимость сигналов с микропроцессором.
Удобство управления и обмена информацией.
При проектировке прибора из-за нехватки свободных портов
микроконтроллера было решено использовать АЦП с последовательным
интерфейсом. После детального рассмотрения имеющихся комплектующих круг
выбора был сужен до двух изделий - микросхем AD7893 и AD 7896.
Окончательный выбор был сделан в пользу последней, как более доступной.
При выборе микросхемы операционного усилителя основным критерием при
выборе была линейность всего измерительного блока. Проводились испытания
блока с микросхемами AD832, AD820,AD282. Лучший результат по линейности
соответствует блоку на базе AD820. Соответствующая вольт-кодовая
характеристика приведена в Приложении 8.
Выбор устройства отображения информации
Для отображения результатов измерений и служебной информации необходимо
применение точечно-матричного индикатора. В настоящее время существует 3
основных семейства устройств отображения информации- вакуумно -
люминесцентные, светодиодные и жидкокристаллические.
Вакумно- люминесцентные приборы требуют относительно высоких (порядка
30-50 В) напряжений питания и дополнительных цепей питания переменного тока
для обеспечения прогрева катода. Применение такого устройства отображения в
данном приборе существенно увеличило бы его сложность и габариты.
Матричные светодиодные устройства отображения изготавливаются в виде
относительно небольших матриц (как правило 7х5 или 8х8 элементов). Одного
такого устройства достаточно для отображения одного символа. Для работы
прибора необходимо одновременное отображение по, крайней мере, 12-15
символов. При сборке устройства отображения , удовлетворяющего таким
требованиям из отбельных элементов по 1 символу возникают определенные
технологические трудности, связанные с размещением большого количества
электрических цепей на плате устройства отображения информации.
Жидкокристаллические устройства отображения информации лишены
недостатков, присущих двум первым типам устройств отображения. Из-за этого
и благодаря малому энергопотреблению они получили наиболее широкое
распространение в современной технике.
Управление точечно-матричным устройством отображения организовано при
помощи вертикальных и горизонтальных электродов, на пересечении которых
расположены отдельные элементы отображения информации-точки. При подаче
напряжения на один из горизонтальный электродов (строку изображения) на
вертикальных электродах должны быть выставлены уровни напряжения,
соответствующие активности элементов изображения в данной строке. При
снятии напряжения со строки эти уровни должны быть сняты и вновь выставлены
при активизации следующей строки. После того, как поочередно будут
активированы все строки изображения цикл отображения должен быть повторен.
При достаточно большой частоте активации строк человеческий глаз
воспринимает изображение как неподвижное.
Для обслуживания устройства отображения необходимы существенные затраты
ресурсов прибора, либо выделение отдельного блока, предназначенного для
управления отображением информацией.
В приборе в качестве устройства отображения применяется стандартный ЖК
модуль со встроенными схемами управления LM44780. Благодаря удобству
интерфейса модуль удалось включить непосредственно в шину данных-адреса,
что позволило избежать дополнительной загрузки портов микроконтроллера.
Краткое описание и основные характеристики устройства отображения
информации приведены в приложении 9.
Описание прибора
Описание сенсора RS286-620
Сенсор RS 286-620 производства RS-Components представляет собой
тонкопленочный полупроводниковый датчик для определения загрязненности
воздуха. Датчик состоит из нагревателя и тонкопленочного чувствительного
элемента. Частицы примесей, содержащиеся в окружающем датчик воздухе,
адсорбируются на поверхности чувствительного элемента. Чувствительный
элемент, состоящий из полупроводника, при адсорбции на его поверхности
примесей приобретает дополнительные донорные или акцепторные уровни в
запрещенной зоне. При подаче напряжения на нагреватель датчика температура
полупроводника и кинетическая энергия электронов в нем возрастает. При
достижении температурой определенного критического значения доля
электронов, способных преодолеть запрещенную зону между верхним краем
валентной зоны и энергетическим уровнем примеси-акцептора (либо между
донорным уровнем примеси и нижним краем зоны проводимости) становиться
достаточной для обеспечения заметного тока через чувствительный элемент.
При длительном прогреве датчика молекулы примеси испаряются с поверхности
чувствительного элемента (происходит самовосстановление датчика).
Фирмой-изготовителем предлагается определять степень загрязненности
воздуха, измеряя проводимость датчика при постоянном значении температуры
чувствительного элемента. Тогда может быть установлено соответствие между
загрязненностью воздуха и проводимостью датчика.
Различные вещества-загрязнители создают примесные уровни в на различном
удалении от границы зоны проводимости. Для забрасывания электронов на эти
уровни необходимо по-разному нагреть полупроводник. Кроме того, каждое
вещество характеризуется определенной зависимостью адсорбции от температуры
поверхности.
Поэтому при фиксированной температуре датчика по величине тока через
чувствительный элемент, загрязненный тем или иным веществом, можно пытаться
судить о том, какое именно вещество адсорбировано на поверхности датчика.
Изменяя температуру датчика в некотором интервале, можно попытаться
определить химический состав газовой смеси, окружающей датчик. При более
низких температурах проводимость датчика будет обусловлена, в основном,
примесями, с уровнями, расположенными ближе к границе запрещенной зоны. С
ростом температуры свой вклад в суммарную проводимость примесей, уровни
которых более удалены от границы зоны проводимости возрастает.
В процессе работы над прибором проводилось изучение характеристик
газового датчика RS 286-620. Датчик имеет следующие характеристики:
Максимальное напряжение на нагревателе 5 В
Максимальное напряжение на сенсоре 5 В
Максимальная рассеиваемая нагревателем мощность
0,8 Вт
Максимальная температура нагревателя
300 оС
Сопротивление нагревателя при Т=20 оС
29,5 Ом
Сопротивление нагревателя при Т=300 оС
31,0 Ом
Время прогрева датчика от Т=20 оС до Т=300 оС
60 сек
Подробные характеристики, схема датчика, и зависимости характеристик
нагревателя от температуры приведены в Приложении 7.
Физические основы работы прибора.
В изолированном атоме энергетический спектр электронов дискретный.
Заполнение энергетических уровней осуществляется по определенным правилам.
При этом в s-состоянии может находиться 2 электрона в p-6, в d-10, f-14 и g-
18 электронов. При образовании кристалла в результате химического
взаимодействия валентные электроны соседних атомов обобществляются, и
дискретные уровни расщепляются в энергетические зоны, которые могут быть
заполненными или свободными, в зависимости от заполнения соответствующих
атомных уровней.
В кристаллах полупроводников можно выделить 3 энергетических зоны:
Валентную зону, полностью заполненную электронами. Запрещенную зону – зону,
в которой нет энергетических уровней (в чистом полупроводнике ). Электроны
находиться в этой зоне не могут. Зону проводимости, свободную от носителей
заряда.
Если электрон из валентной зоны возбуждается в зону проводимости, то в
валентной зоне остается его вакансия (дырка), при перемещении которой по
кристаллу переносится положительный заряд. Таким образом заряд в кристалле
может переноситься электронами, находящимися в зоне проводимости и дырками,
находящимися в валентной зоне. В идеальном кристалле, в котором отсутствуют
дефекты и посторонние примеси (такой полупроводник называется собственным),
количество свободных электронов, электронов в зоне проводимости, (n) равно
количеству дырок(p), равно некоторой характеристической величине, которая
называется собственной концентрацией (ni): n=p=ni.
Чем уже запрещенная зона, тем больше в полупроводнике термически
возбужденных свободных носителей заряда. Концентрации свободных электронов
и дырок в собственном полупроводнике зависят от температуры по
экспоненциальному закону.
n=Nc exp(-(Ec-F)/kT)
p=Nv exp(-(F-Ev)/kT)
np= Nv Nc exp(-(Ec-F)/kT) exp(-(F-Ev)/kT)= Nv Nc exp(-(Eg)/kT)=ni2
Nc =2(2?mn kT/h2) 3/2 Эффективная плотность состояний в зоне
проводимости .
Nv =2(2?mp kT/h2) 3/2 Эффективная плотность состояний в
валентной зоне .
Где F-энергия уровня Ферми, mn mp эффективные массы электрона и дырки
соответственно.
Положение уровня Ферми находят из условия электронейтральности для
собственного полупроводника т.е.: n=p. Откуда: F=1/2(Ec+Ev)+kT/2ln(mp/mn),
т.е. при низких температурах уровень Ферми лежит около середины запрещенной
зоны и с повышением температуры постепенно смещается к зоне проводимости.
Наличие в кристалле примесей и дефектов приводит к появлению в
запрещенной зоне энергетических уровней, положение которых зависит от типа
примеси или дефекта. Так, например, примесные атомы B (3 группа
периодической таблицы элементов) в кристалле Si принимают электроны из
валентной зоны, что ведет к образованию дырок и возникновению дырочной
проводимости (легированный акцепторной
|
