Концепция создания цифровых интеллектуальных датчиков на базе электрохимических чувствительных элементов | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 3 октября, печатный экземпляр отправим 7 октября.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №13 (199) март 2018 г.

Дата публикации: 03.04.2018

Статья просмотрена: 72 раза

Библиографическое описание:

Юлдашева, М. Т. Концепция создания цифровых интеллектуальных датчиков на базе электрохимических чувствительных элементов / М. Т. Юлдашева. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2018. — № 13 (199). — С. 62-64. — URL: https://moluch.ru/archive/199/49102/ (дата обращения: 21.09.2020).



Разработка аппаратуры газового контроля для целей промышленной безопасности и экологического контроля атмосферы основана на использовании газочувствительных сенсоров (датчиков). Для преобразования химического сигнала в электрическом датчике используются самые разные физические принципы, и потому сенсоры значительно отличаются друг от друга по электрическим параметрам, конструкции и габаритам.

Датчики, предназначенные для определения химического состава газовой смеси, получили широкое распространение, связанное прежде всего с контролем за процессами горения в целях экономии энергии и сокращения загрязнения атмосферы. Многие из новых датчиков газового состава предназначены для анализа газового состава горючих смесей или продуктов сгорания: О2, СО, СО2, Н2О, SO2, SO3, NOX, CHX.

Характеристики датчиков газового состава также претерпевают заметную эволюцию: появляются новые датчики с более высокой селективностью, происходит их миниатюризация, приспособление к измерению непосредственно в рабочем объеме; некоторые из них способны заменить сложные и громоздкие анализаторы. Применение таких датчиков расширяется, стимулируя разработку новых специальных зондов для таких газов, как Cl2, SO2, HCl, H2S, H2.

Кислород в качестве объекта газового анализа занимает особое место: возможности точного и быстрого анализа этого газа, предоставляемые сегодня некоторыми датчиками и прежде всего, датчиками на основе твердых электролитов, находят многочисленные применения в таких весьма различных областях человеческой деятельности как химическая промышленность, металлургия, сельское хозяйство, пищевая промышленность, медицина, биология, системы кондиционирования и контроля атмосферы в лаборатории [1].

Граница между «датчиками» и «анализаторами» в случае контроля газа является расплывчатой. При ее определении используются три критерия:

‒ возможность оперативного использования в непрерывном или квазинепрерывном режиме для контроля газовой среды либо определения ее физических параметров (температуры, давления, скорости циркуляции, содержания пыли);

‒ отсутствие необходимости в использовании химических реагентов;

‒ невмешательство оператора в каждое измерение (для отбора проб, поверки и т. д.).

Следует отметить, что определение датчиков дается нестрого. Анализаторы, которые не рассматриваются как датчики газового состава — это масс-спектрометры, анализаторы на основе хемолюминесценции (ионизация газа под действием высокоэнергетического ультрафиолетового излучения) и приборы ядерного магнитного резонанса (ЯМР).

Возможна следующая классификация датчиков газового состава:

а) электрохимические датчики на основе твердых электролитов;

б) электрические датчики;

в) катарометры;

г) парамагнитные датчики;

д) оптические датчики.

Современное развитие микроэлектронных технологий позволяет производить датчики небольших размеров и с удобными для приборостроителей габаритами. Универсальная цифровая шина обеспечивает надежную связь сенсоров с измерительной электроникой прибора. Универсальность направлена, в первую очередь, на удобства пользователя и оперативной возможности замены стандартного блока газочувствительным модулем.

В настоящее время на рынке газоаналитических приборов имеются сотни фирм, предлагающих свою продукцию. Каждая из них старается «привязать» покупателя к своей продукции и вводит собственный стандарт на газочувствительные датчики. Не секрет, что половину прибыли фирмы получают от продажи запасных частей и датчиков к ранее поставленной аппаратуре. Немаловажным является и тот факт, что далеко не везде имеются специализированные сервисные центры по обслуживанию газочувствительного оборудования и потребитель вынужден длительное время дожидаться ремонта или технического обслуживания приборов, которые обычно отправляются на завод-изготовитель. В это время, как правило, производство не обеспечено надлежащим контролем из-за отсутствия приборов на рабочем месте, и создаются условия для техногенных аварий. Если производство ответственное, то приобретается сменный комплект приборов, которые большую часть времени простаивают, увеличивая затраты. Учитывая средний общепринятый межповерочный интервал в 1 год и средний срок службы датчиков 3 года, расход на обслуживание парка приборов в стране превышает стоимость первоначальных приборов.

Факт, что большинство комплектующих в отечественных приборах, а также стран СНГ — импортного производства. Это значит, что газоаналитическое оборудование и системы безопасности на их основе являются в значительной мере импортозависимыми, что не отрицает стремления достичь единых международных стандартов в газоаналитике, приборостроении и других смежных отраслях [2].

Разработка единого стандарта на датчики позволит не только значительно снизить затраты на эксплуатацию газоаналитических приборов, но и снизить стоимость самих приборов. Это будет способствовать ускорению разработок новых видов датчиков, а также модернизации и совершенствованию уже имеющихся в производстве, что в последствии приведет к использованию взаимозаменяемых стандартных блоков.

Открытый протокол обмена с сенсорным модулем позволит всем оперативно воспользоваться этим стандартом, что повысит качество газоаналитических приборов.

Используя открытый протокол можно производить регулярную калибровку и техническое обслуживание приборов на стандартных и общедоступных, а не лицензионных зарубежных программных продуктах и создавать устройства для ремонта и настройки приборов на территории нашей страны, а также стран СНГ. При снижении стоимости приборов от производителей спрос на них увеличится, что приведет к росту количества используемых приборов в системах безопасности.

Применение электронного сенсорного модуля упрощает метрологический контроль систем безопасности, поскольку поверяется только собственно модуль, легко снимаемый и заменяемый, а не прибор и система в целом [3].

В качестве практического примера будет рассмотрен электрохимический чувствительный элемент серии MQ-135, который может выступить в качестве составного компонента цифрового датчика для газоаналитического оборудования.

Рассматриваемый электрохимический чувствительный элемент серии MQ-135 реагирует на наличие в воздухе углекислого газа, окиси углерода, аммиака, паров спирта и бензина, метана и горючих газов, кроме того, он также реагирует на дым. Представленный диапазон селективности выбранного датчика позволяет разрабатывать и создавать приборы, предназначенные для оценки и измерения загазованности в помещениях, поиска источников загазованности и контроля качества воздуха, для оценки атмосферы в медицинских и лечебных заведениях, в подземных и складских помещениях, для поиска утечек газа на производстве и в других случаях.

Для работы цифрового датчика необходимо использование микроконтроллера, который будет принимать и обрабатывать информацию, полученную от электрохимического чувствительного элемента. В качестве наиболее распространенных и общедоступных с экономической точки зрения, могут быть выбраны микроконтроллеры серии ATMEGA 16 компании Atmel. Выбранный микроконтроллер обладает характеристиками, указанными в табл. 1.

Таблица 1

Основные характеристики микроконтроллера AT mega 16

Наименование параметра

Показатели

1

Архитектура

RISC

2

Flash(ПЗУ программ)

16 Кбайт

3

EEPROM (ЭСППЗУ)

512 байт

4

Объем оперативной памяти (SRAM)

1 Кбайт

5

Интерфейсы

SPI, TWI (аналог I2C), JTAG

6

Таймер/счетчик

16-разрядный таймер/счетчик с предварительным делителем частоты, режимом сравнения и режимом внешнего события

7

АЦП

8-канальный 10-разрядный АЦП как с несимметричными, так и с дифференциальными входами

8

Наличие режимов пониженного энергопотребления

присутствуют

9

Напряжение питания

2,7–5,5 В

Следует отметить, что в качестве управляющего контроллера системы можно применять любые серийные микроконтроллеры с аппаратным SPI-интерфейсом, необходимой производительностью и объемом памяти.

В табл. 2 приведены основные технические характеристики электрохимического чувствительного элемента серии MQ-135, а на рис. 1 его внешний вид.

Таблица 2

Основные технические характеристики элемента серии MQ-135

Наименование параметра

Показатели

1

Напряжение на выходе датчика

0–5 В (чем выше концентрация газов, тем выше напряжение на выходе)

2

Напряжение питания

5 В

3

Размеры

32 х 22 х 27мм

4

Тип

MQ-135

C:\Users\Олег\Desktop\mq135.png

Рис. 1. Внешний вид MQ-135 а=32 мм; б=22 мм; с=27 мм

Далее приведена структурная схема цифрового датчика:

Рис. 2. Структурная схема датчика

Таким образом, подводя итог вышеизложенному, можно подчеркнуть то, что в настоящее время ведутся исследования, конечной целью которых является создание миниатюрных полупроводниковых сенсоров с низким энергопотреблением и высоким быстродействием, способных определять концентрацию токсичных и взрывоопасных газов. Перспективными газочувствительными элементами такого типа являются резистивные сенсоры на основе поликристаллических металлооксидных полупроводников, некоторые виды которых уже получили практическое применение.

Литература:

  1. Мясников И. А., Сухарев В. Я., Куприянов Л. Ю. и др. Полупроводниковые сенсоры в физико-химических исследованиях. — М.: Наука, 2014. -237 с.
  2. Косухин О. О., Турсунов М. А. Перспективы применения измерительных преобразователей неэлектрических величин // Журнал «Texnika yulduzlari». –Т.: ТашГТУ, 2015. -282 с.
  3. Гаман В. И. Физика полупроводниковых газовых сенсоров:монография. — Томск: Изд-во НТЛ, 2012. -76 с.
Основные термины (генерируются автоматически): датчик, газовый состав, прибор, цифровой датчик, электрохимический чувствительный элемент, ATMEGA, CHX, внешний вид, газоаналитическое оборудование, техническое обслуживание приборов.


Похожие статьи

Анализатор воздуха на платформе Arduino

Плата выполнена на базе процессора ATmega с тактовой частотой 16 МГц, обладает памятью

MQ-2 относится к полупроводниковым приборам. – Датчик угарного газа MQ-7 необходим

Внутри трубки проходит элемент, нагревающий чувствительный слой до температуры, при...

Электрохимические методы и приборы для определения...

Внешний вид прибора показан на рисунке 6.

Новым элементом в этом приборе является электрохимический датчик

Сопоставлены разработанные аналоги оборудования для определения антиоксидантов, с выпускаемыми промышленностью приборами.

Современные методы мониторинга коррозии | Статья в журнале...

Датчик должен иметь чувствительный элемент из такого же материала, как и оборудование технологического процесса [2].

У таких датчиков чувствительный элемент выполнен в виде маленькой просветленной, полой трубы.

Универсальное программно-аппаратное устройство для...

Выходной сигнал интеллектуального датчика имеет цифровой или аналоговый вид.

Концепция создания цифровых интеллектуальных датчиков на базе электрохимических чувствительных элементов.

Портативный амперометрический датчик для измерения...

Датчик подключен к измерительно-задающему устройству через микросхему

С помощью резисторов измерительного прибора выставляется диапазон 0–100 единиц, для аналита в

Измерение аналитического сигнала до и после введения в электрохимическую ячейку...

Аппаратно-алгоритмический комплекс...

Такие приборы в наибольшей степени отвечают требованиям чувствительности

Функционально емкостные датчики уровня связаны с относительной диэлектрической

(5). Тогда расчетная формула для определения уровня примет вид [9, с.1]: , (6). где А, В и D...

Применение емкостного датчика для определения температуры...

Температуру в настоящее время измеряют с помощью приборов, принцип работы которых

При нагревании чувствительного элемента (проводника, терморезистора) его сопротивление электрическому току изменяется.

Имитационная модель цифрового датчика давления.

Современные приборы бесконтактного кодирования рельсовых...

Другим бесконтактным прибором кодирования, повышающим надежность кодообразующей аппаратуры систем числовой кодовой автоблокировки

Техническое описание инструкция по эксплуатации 36291000 ТО Датчики импульсов микроэлектронные ДИМ-1 и ДИМ-2.

Техническое обслуживание топливных форсунок бензиновых...

Основные неисправности инжектора предполагают выход из строя блока управления двигателя и его датчиков.

3) Не соблюдение правил технического обслуживания инжекторов.

Расчет работы твердрооксидных топливных элементов в составе комбинированных ГТУ.

Похожие статьи

Анализатор воздуха на платформе Arduino

Плата выполнена на базе процессора ATmega с тактовой частотой 16 МГц, обладает памятью

MQ-2 относится к полупроводниковым приборам. – Датчик угарного газа MQ-7 необходим

Внутри трубки проходит элемент, нагревающий чувствительный слой до температуры, при...

Электрохимические методы и приборы для определения...

Внешний вид прибора показан на рисунке 6.

Новым элементом в этом приборе является электрохимический датчик

Сопоставлены разработанные аналоги оборудования для определения антиоксидантов, с выпускаемыми промышленностью приборами.

Современные методы мониторинга коррозии | Статья в журнале...

Датчик должен иметь чувствительный элемент из такого же материала, как и оборудование технологического процесса [2].

У таких датчиков чувствительный элемент выполнен в виде маленькой просветленной, полой трубы.

Универсальное программно-аппаратное устройство для...

Выходной сигнал интеллектуального датчика имеет цифровой или аналоговый вид.

Концепция создания цифровых интеллектуальных датчиков на базе электрохимических чувствительных элементов.

Портативный амперометрический датчик для измерения...

Датчик подключен к измерительно-задающему устройству через микросхему

С помощью резисторов измерительного прибора выставляется диапазон 0–100 единиц, для аналита в

Измерение аналитического сигнала до и после введения в электрохимическую ячейку...

Аппаратно-алгоритмический комплекс...

Такие приборы в наибольшей степени отвечают требованиям чувствительности

Функционально емкостные датчики уровня связаны с относительной диэлектрической

(5). Тогда расчетная формула для определения уровня примет вид [9, с.1]: , (6). где А, В и D...

Применение емкостного датчика для определения температуры...

Температуру в настоящее время измеряют с помощью приборов, принцип работы которых

При нагревании чувствительного элемента (проводника, терморезистора) его сопротивление электрическому току изменяется.

Имитационная модель цифрового датчика давления.

Современные приборы бесконтактного кодирования рельсовых...

Другим бесконтактным прибором кодирования, повышающим надежность кодообразующей аппаратуры систем числовой кодовой автоблокировки

Техническое описание инструкция по эксплуатации 36291000 ТО Датчики импульсов микроэлектронные ДИМ-1 и ДИМ-2.

Техническое обслуживание топливных форсунок бензиновых...

Основные неисправности инжектора предполагают выход из строя блока управления двигателя и его датчиков.

3) Не соблюдение правил технического обслуживания инжекторов.

Расчет работы твердрооксидных топливных элементов в составе комбинированных ГТУ.

Задать вопрос