Выбор оптимальной компонентной базы для NDIR-сенсора остается сложной инженерной задачей, требующей баланса между техническими характеристиками, стоимостью и энергопотреблением. NDIR-метод (недисперсионная инфракрасная спектроскопия) основан на избирательном поглощении инфракрасного излучения молекулами метана на характеристической длине волны 3,31 микрона. Система включает три ключевых компонента: ИК-источник, оптическую систему и фотоэлектрический приемник с микроконтроллерной обработкой сигнала, реализующей синхронное детектирование для компенсации внешних факторов.
Целью данной работы является представление систематического подхода к выбору оптимальной компонентной базы для NDIR-датчика метана с описанием принципов отбора основных элементов и обоснованием финального технического решения.
Микротермоэлектрический эмиттер является критическим компонентом NDIR-датчика. Для обнаружения метана необходим источник излучения в спектральном диапазоне 2–14 микрон (средняя инфракрасная область) [1, 2].
Микротермоэлектрический эмиттер 1600–9A выбран на основе следующих критериев:
Спектральный диапазон 2–14 микрон охватывает характеристическое поглощение метана и позволяет реализовать двухканальное детектирование с опорным каналом на соседней длине волны для компенсации помех [1].
Долговечность более 100 000 часов гарантирует срок службы датчика 5–7 лет при непрерывной работе, что удовлетворяет требованиям промышленного применения.
Широкополосное излучение обеспечивает устойчивость к запылению и частичному загрязнению оптических элементов, что особенно важно для датчиков, работающих в промышленной среде.
Низкое энергопотребление позволяет обеспечить работу датчика от портативного источника питания.
Управление микротермоэлектрическим эмиттером критически зависит от стабилизации его температуры. В разработанной функциональной схеме используется блок управления LAMPCURRCONTROL, поддерживающий ток накала в диапазоне 150–200 мА, обеспечивающий стабильную спектральную характеристику источника независимо от условий окружающей среды [1].
Для регистрации ИК-излучения была проведена сравнительная оценка различных типов приемников, включая пироэлектрические, PIN фотодиоды, лавинные фотодиоды и микроболометры.
Выбор пал на двухканальный пироэлектрический приемник PYS 3828 TC, обладающий следующими преимуществами:
Спектральная чувствительность в диапазоне 2,2–3,4 микрона идеально соответствует спектру метана и позволяет отличить его от других газов.
Встроенное усиление сигнала 50–100 В/Вт значительно снижает требования к внешним усилителям и упрощает схему обработки сигнала.
Невысокие требования к напряжению смещения (2–3 В) обеспечивают низкое энергопотребление приемника.
Двухканальная архитектура позволяет одновременно регистрировать сигнал на рабочей (3,31 мкм) и опорной (3,5 мкм) длинах волн, компенсируя влияние температуры, вибрации и колебаний интенсивности источника.
Широкий диапазон рабочих температур (−20 до +80 °C) обеспечивает надежную работу в различных климатических условиях [2].
Двухканальная синхронная демодуляция является принципиальным преимуществом такой архитектуры, позволяя повысить селективность датчика и стабильность измерений, недостижимую при использовании одноканальных приемников [2].
Обработка сигналов в NDIR-датчике требует высокоточного аналого-цифрового преобразования, управления периферией и реализации алгоритмов цифровой обработки сигнала, включая быстрое преобразование Фурье.
Микроконтроллер ATSAML22E17A-MUT (ARM Cortex-M0) выбран как оптимальное решение по следующим причинам:
Встроенное 12-битное АЦП с четырьмя каналами позволяет одновременно оцифровывать сигналы обоих приемников и вспомогательные датчики (температуры, напряжения питания).
Технология picoPower с потреблением в режиме сна 0,1 мкА критична для портативных применений и обеспечивает длительное время автономной работы от аккумулятора.
Встроенный контроллер сегментного LCD позволяет подключить дисплей без дополнительных компонентов.
Система обработки событий синхронизирует работу аналоговых модулей, обеспечивая точное совпадение временных окон измерения на обоих каналах приемника.
Низкая стоимость делает решение конкурентоспособным на рынке.
Альтернативные варианты (STM32L, Nordic nRF52, MSP430) либо имели избыточную функциональность и стоимость, либо лишены необходимой поддержки SLCD, либо недостаточно производительны для требуемых алгоритмов обработки [1, 3].
Выбранная компонентная база (микротермоэлектрический эмиттер 1600–9A, пироэлектрический приемник PYS 3828 TC и микроконтроллер ATSAML22E17A-MUT) обеспечивает оптимальный баланс между техническими характеристиками, энергопотреблением и стоимостью для NDIR-датчика метана. Двухканальное синхронное детектирование с микроконтроллерной обработкой сигнала обеспечивает высокую селективность, стабильность и надежность в широком диапазоне условий окружающей среды. Разработанная архитектура датчика готова к внедрению в промышленной практике для контроля загазованности рабочих зон.
Литература:
- Брюэль К., Кьер М. Датчики: Справочное пособие. М.: Техносфера, 2004. 472 с.
- Городов Ю. И., Кулинцев В. К. Газоаналитические приборы и системы. М.: МГТУ им. Баумана, 2000. 488 с.
- Microchip Technology. ATSAML22E17A-MUT Datasheet. [Электронный ресурс]. — URL: https://www.microchip.com/
