Датчик газов и паров алкоголя
ФЕДЕРАЛЬНОЕ
АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«Тюменский
государственный нефтегазовый университет»
Институт
Нефти и Газа
Кафедра
«КС»
КУРСОВАЯ
РАБОТА
по
дисциплине
«Автоматизация
медико-биологических систем и комплексов»
на
тему
«Датчик
газов и паров алкоголя»
Выполнил:
студент гр. БМС-07
Хорольский Михаил
проверил: Васильев
Д.А.
Тюмень
2010
Содержание:
Введение
Описание
устройства
Принципиальная
схема и ее пояснение
Основные
параметры и рекомендации
Калибровка
устройства
Настройка
чувствительности
Датчики
на основе оксида олова
Схема
включения датчика
Заключение
Литература
Введение
С момента первой публикации описания подобного
устройства в журнале "Радио" прошло около 10 лет. За этот время было
описано несколько подобных приборов: от простейших до собранных на
микроконтроллере. Все они, имея как определенные достоинства, так и недостатки,
основаны на типовой схеме включения датчика газа, рекомендованной фирмой-изготовителем.
За прошедшие годы появились как новые, более
совершенные и чувствительные к присутствию разнообразных газообразных веществ
датчики, так и другие очень удобные для построения сигнализаторов элементы -
звуковые сигнализаторы со встроенным генератором, электромагнитные реле в
микросхемных корпусах.
Описание устройства
Предлагаемое устройство для обнаружения утечки
горючих и взрывоопасных газов построено на основе хорошо себя зарекомендовавшей
схемы из с учетом рекомендаций и на современной элементной базе. Сигнализатор
может применяться для обнаружения утечки газа в быту, в автомобилях с
газобаллонным оборудованием и на газовых магистралях.
Предлагаемый детектор (рис.1) пригоден для
обнаружения в воздухе окиси углерода (СО), а также паров алкоголя и прочих
органических веществ (бензина, ацетилена, бензола). В случае достижения
заданной (критической) концентрации газа прибор оповещает об этом прерывистым
звуковым и световым сигналом.
Особенности:
Высокая чувствительность и селективность к
низким концентрациям окиси углерода.
Длительный срок службы и высокая надежность
работы.
Применение:
Для обнаружения утечки газа в домашних и
промышленных условиях. Подходит для обнаружения монооксида углерода, водорода,
этанола.
Принципиальная схема и ее пояснение
Рис.1.Схема устройства.
Сопротивление датчика в случае Rs/Ro=1 может
составлять 1...10 кОм при температуре среды +20°С и относительной влажности
воздуха 65%. При повышении температуры среды сопротивление датчика снижается,
что следует учитывать при обработке сигнала датчика. Схема устройства (рис.1)
рассчитана на питание от вилки-адаптера, обеспечивающей постоянное напряжение
12 В при токе до 500 мА. Диод D1 защищает прибор в этом случае от переполюсовки
(подключения питания в обратной полярности). В принципе, прибор может работать
и от переменного напряжения. Тогда D1 с буферным конденсатором С1 образуют
однополупериодный выпрямитель, обеспечивающий требуемое постоянное напряжение.
В обоих случаях важно, чтобы напряжение питания не падало ниже 12 В, поскольку
это является предпосылкой надлежащей работы стабилизатора (IC1).
Напряжение питания поступает на входы
интегральных стабилизаторов напряжения IC1 и IC2. Выходное напряжение
стабилизатора IC2 (5 В) служит для накала датчика, тогда как напряжение IC1 (10
В) - для питания электронной части.
Микросхема IC3 содержит в корпусе четыре
операционных усилителя, из которых в схеме используются три. Усилитель IC3b
функционирует в качестве компаратора. Его роль состоит в контроле питающего
напряжения 10 В. Опорное напряжение, образованное цепочкой из двух
последовательно соединенных диодов D5, D6, поступает на инвертирующий вход ОУ.
Это напряжение компаратор сравнивает с напряжением с делителя R17-R18, на
который подается питающее (10 В). Если оно превышает пороговое значение, на
выходе IC3b - высокий уровень (близкий-к 10 В), и зеленый светодиод D8 горит.
Усилитель lC3d также служит компаратором. На его
инвертирующий вход поступает напряжение с делителя, образованного Rs, R4 и Р.
Эти элементы образуют одну из ветвей моста. Вторую ветвь составляет делитель
напряжения, сформированный из элементов R1, Th, R2 и R3. Его выходное
напряжение поступает на неинвертирующий вход ОУ. Компаратор производит
сравнение выходных напряжений с этих делителей напряжения. В исходном состоянии
напряжение на неинвертирующем входе больше, так что на выходе IC3d - высокий
уровень. При наличии газа (и увеличении его концентрации) сопротивление датчика
(Rs) уменьшается, напряжение на инвертирующем входе ОУ растет и, когда оно
превышает напряжение на неинвертирующем входе, компаратор переключается, т.е.
на выходе появляется низкий уровень.
Текущее значение электрического сопротивления
поверхности детектора Rs может быть получено через значение падения эффективного
напряжения выходного сигнала на сопротивлении нагрузки. Связь выражается
формулой:
RS/RL=(VC - VRL)/VRL
Рис.2. График падения эффективного напряжения
выходного сигнала на сопротивлении нагрузки
Пороговое напряжение переключения
устанавливается с помощью подстроечного резистора R Термистор Th компенсирует
снижение сопротивления датчика при увеличении температуры.
В исходном состоянии (на выходе компаратора
высокий уровень) транзистор Т1 открыт, реле J включено, и его контакты
соединяют точки 2 и 3 CS2. После срабатывания компаратора на его выходе низкий
уровень, который закрывает Т1. Реле J отпускает, точки 2 и 3 GS2 размыкаются, а
1 и 2 - замыкаются. Таким образом, контакты реле можно использовать для управления
внешним исполнительным устройством. Контакты реле способны коммутировать
переменное напряжение 230 В и постоянное 30 В при максимальном токе 5А.
Разумеется, в "тревожном" состоянии активируется световая и звуковая
сигнализация. Она работает в прерывистом режиме. Частота и коэффициент
заполнения "прерывистости" задается мультивибратором на операционном
усилителе IC3c. При высоком уровне на выходе ОУ открывается транзистор Т2. Если
компаратор lC2d сработал, низкий уровень с его выхода открывает транзистор ТЗ.
При периодическом открывании Т2 питающее напряжение поступает на активный
зуммер и на красный светодиод D7 (через токоограничивающий резистор R12).
Рис. 3. Диаграмма изменения импульсов
Диаграмма на рис. 3 построена на основе схемы,
изображенной на рис. 3. Изначально исследуется чистый воздух, затем кривая
выходного сигнала изменяется при обнаружении детектором газа СО. Данные
повторяются с периодичностью 2,5 минуты, что соответствует времени смены
высокого напряжения на низкое в цепи нагревателя.
Основные параметры и рекомендации
Устройство собрано на односторонней печатной
плате размерами 123x52 мм.
Номинальное напряжение реле составляет 12 В,
однако оно надежно срабатывает и при питании от 10 В. ИМС стабилизатора,
питающего нагреватель датчика, устанавливается на небольшой теплоотвод,
поскольку ее мощность рассеивания составляет примерно 1 Вт. Под датчиком на
плате предусмотрено отверстие для свободного движения газов, но его все равно
рекомендуется установить с зазором 2...3 мм от платы, поскольку длина выводов
датчика - 6,5 мм. В силу cимметричности расположения выводов датчика (цоколевка
приведена на рис.1) положение его при установке не имеет значения. Монтажную
высоту светодиодов нужно подогнать под расстояние между передней панелью
корпуса и платой.
После каждого включения требуется время для
разогрева прибора в течение нескольких минут. В это время он находится в
"тревожном" состоянии. В работоспособности схемы можно убедиться
путем использования "алкогольной чувствительности" сенсора. Для
калибровки прибора необходим какой-нибудь промышленный детектор алкогольных
паров ("Алкотестер" - Roadtest). Такие приборы появились несколько
лет назад в свободной продаже.
Калибровка устройства
Для обнаружения наличия СО прибор настраивается
по диаграмме на рис.5, которая показывает изменение сопротивления датчика в
зависимости от концентрации СО и Н2 (по сравнению с сопротивлением датчика в
воздухе - Rгaз/Rвоздух)'
Рис.4. Изменение сопротивления датчика в
зависимости от концентрации СО и Н2
Видно, что в случае СО при концентрации 100 ppm
гaз<0,3Rвоздух, т.е. сопротивление датчика уменьшается меньше, чем на 1/3.
Это означает, что напряжение на инвертирующем входе (выводе 13) IC3d с помощью
Р следует задать так, чтобы при уменьшении сопротивления датчика на треть оно
вызывало срабатывание компаратора и включение сигнализации. Настройку режимов
нужно производить в помещении с чистым воздухом при комнатной температуре
(около +22°С). При подаче с помощью Р на инвертирующий вход IC3d напряжения 2,8
В сигнализация должна срабатывать при концентрации окиси углерода около 100
ppm, тогда как при напряжении 2,5 В - при концентрации СО около 150 ppm. .
Учитывая, что датчик реагирует и на наличие
других газов, во избежание ошибочного включения сигнализации нецелесообразно
задавать высокий уровень чувствительности.
Приведенная на рис.5 диаграмма показывает
изменение сопротивления чувствительного элемента (Rs) в зависимости от
концентрации различных газов по отношению к сопротивлению датчика для
концентрации этанола 300 ppm (Ro).
Рис.5. диаграмма изменения сопротивления
чувствительного элемента (Rs)
Зависимость чувствительности детектора от
температуры окружающей среды характеризует график на рис. 6. Чувствительный
слой детектора HS-134 изготовлен из диоксида олова Это сохраняет температурную
стабильность детектора в течение длительного времени (5 лет в стандартных
рабочих условиях).
Рис.6. Зависимость чувствительности детектора от
температуры окружающей среды
Настройка чувствительности
К сожалению, на чувствительность датчика с
течением времени могут влиять резкие температурные изменения окружающей среды,
источники повышенной влажности, дыма и пыли, агрессивные вещества, попадающие в
атмосферу контролируемого помещения.
Поэтому, предусмотрена возможность подстройки
потребителем чувствительности датчика до максимальной. В задней части корпуса
есть отверстие для доступа к регулировочному резистору.
Регулировка производится в проветренном
помещении при отсутствии источников загрязнений воздуха, дыма, пыли,
агрессивных веществ, следующим образом:
В установившемся рабочем режиме не ранее чем
через 15 мин после включения убедитесь, что горят жёлтый и зелёный светодиоды,
клавиша находится в положении I, сигнал тревоги отсутствует. Не отключая прибор
от сети, вставьте отвертку в отверстие на задней части корпуса для регулировки
чувствительности и поворачивайте медленно против часовой стрелки до появления
звукового и светового сигналов тревоги. Затем отверните резистор обратно (по
часовой стрелке) до прекращения сигналов тревоги и далее, примерно, на 5 -10
градусов.
Таким образом, рекомендуется устанавливать
максимальную чувствительность датчика каждые 2 -3 месяца эксплуатации прибора.
Датчики на основе оксида олова.
Датчики TGS называются так потому, что эта
аббревиатура расшифровывается как Taguchi Gas Sensor. Автором этих датчиков и
их модификаций в 1962 г. стал японский изобретатель Наойоши Тагучи.
Большинство датчиков TGS изготовлены на основе
оксида олова. Сопротивление этих датчиков постоянному току в обычном воздухе
высоко, а при наличии в воздухе примесей (паров органического происхождения) у
соответствующего датчика (они не универсальны, датчик паров алкоголя не
реагирует, например, на утечку фреона) сопротивление резко снижается. Если
подключить такой датчик к компаратору (устройству сравнения напряжения), то
последний среагирует по аналогии с параметрическим сигнализатором на изменение
сопротивление датчика и включит звуковую (иную) сигнализацию. На основе этих расчетов
разработано и испытано простое в повторении устройство, заменяющее промышленный
прибор контроля алкоголя.
Принцип их действия основан на изменении
электропроводности полупроводниковой пленки в результате адсорбции газа на ее
поверхности. На трубчатую подложку из оксида алюминия (рис.7) наносится тонкий
слой оксида олова (SnO2), легированного элементами со свойствами катализаторов
(Pt, Cu, Ni, Pd), чтобы обеспечить более высокую чувствительность
полупроводника к конкретному типу газа примеси.
Рис.7. Схема датчика на основе оксида олова
При нагреве сенсора с помощью нагревательного
элемента, выполненного в конструктиве с датчиком, до рабочей температуры
(~400°С) происходит адсорбция содержащегося в воздухе кислорода на его
поверхность с мелкозернистой структурой. В результате электрическая
проводимость сенсора изменяется в зависимости от концентрации газа примеси.
Отклик датчика выражается через изменение его сопротивления в зависимости от
концентрации газа, а его скорость зависит от модели датчика и конкретного газа
примеси. В соответствии с соотношением между сопротивлением сенсора и
концентрацией газа примеси - R = A [C]-a (где R- электрическое со противление
сенсора, A и а - константы, [C] - концентрация газа примеси). Зависимость
сопротивления датчика от концентрации газа примеси линейна в логарифмическом
масштабе для рабочего диапазона концентраций (от единиц ppm до нескольких тысяч
ppm).
Рис.8. Кривые чувствительности датчика на основе
оксида олова (TGS2611)
Датчик одновременно чувствителен к различным
типам газов примеси. Для обеспечения оптимальной селективности к определенному
типу необходимо, во-первых, вводить в оксид олова специальные легирующие
добавки и, во-вторых, задать необходимую рабочую температуру сенсора, что
достигается подачей на нагревательный элемент определенного постоянного
напряжения. На рис.8 показаны кривые чувствительности датчика.
Схема включения датчика
Схема подключения датчика достаточно проста (рис.9).
Рис.9. Схема подключения датчика, изготовленного
на основе оксида олова
утечка датчик газ чувствительность
Выходной сигнал снимается с резистора RL, с
помощью которого для защиты датчика можно регулировать его потребляемую
мощность. От выбора Rl зависит стабильность рабочих характеристик датчика. На
скорость протекания химической адсорбции газа на поверхности и, соответственно,
на чувствительность датчика влияют температура и влажность окружающей среды,
что требует применения схемытемпературной компенсации, содержащей термистор и
резисторы R1, R2 и R3.
Для корректной работы датчика необходимо
согласовать измерительную схему с внутренним сопротивлением конкретной модели
датчика.
Заключение
Фирма Figaro Engineering Inc. является одним из
мировых лидеров по производству датчиков детектирования и определения
концентрации газов и газовых примесей в составе воздуха. Весь производственный
процесс, включающий разработку новых типов датчиков, их изготовление и
тестирование, имеет международный сертификат качества ISO 9001, который
гарантирует потребителям хорошие технические параметры датчиков, а также их
надежность и стабильность в эксплуатации. Объем производимой продукции Figaro
на сегодняшний день составляет 1 миллион датчиков в месяц. Среди потребителей
датчиков Figaro такие известные мировые компании как BMW, Mitsubishi Heavy
Industries, General Motors, Daikin и др.
Принцип действия датчика на основе оксида
металла основан на изменении электропроводности полупроводниковой пленки
вследствие адсорбции газа на ее поверхности. На трубчатую подложку из оксида
алюминия нанесен тонкий слой оксида олова (SnO2), легированного элементами,
обладающими каталитическими свойствами (Pt, Cu, Ni, Pd), чтобы обеспечить более
высокую чувствительность полупроводника к конкретному типу газа примеси. При
нагреве сенсора до рабочей температуры (около 400ОС) при помощи нагревательного
элемента, выполненного в конструктиве с датчиком, происходит адсорбция
содержащегося в воздухе кислорода на поверхность сенсора, имеющую
мелкозернистую структуру. Протекание адсорбции зависит от концентрации газа
примеси. В результате поверхностных эффектов изменяется электрическая
проводимость сенсора. Отклик датчика выражается через изменение его
сопротивления в зависимости от концентрации газа, изменяющего адсорбцию
кислорода на материале сенсора. Быстрота отклика зависит от модели датчика и
конкретного газа примеси. Зависимость сопротивления датчика от концентрации
газа, примеси линейна в логарифмическом масштабе для рабочего диапазона
концентраций (от нескольких миллионных долей (ppm) до нескольких тысяч ppm)
(рис. 10). Датчик проявляет чувствительность к различным типам газов примеси
одновременно, но оптимальная селективность к определенному типу обеспечивается,
во-первых, путем ввода специальных легирующих добавок в оксид олова на этапе
изготовления и, во-вторых, выбором рабочей температуры сенсора, что достигается
подачей на нагревательный элемент определенного постоянного напряжения.
Рис.10 . Датчик TGS 2611 для обнаружения газов.
Литература
Radidtechnika,
№11/05. Перевод В.Стасюка.
Виноградов
Ю. Контроль взрывоопасных газов. - Радио, 2000, № 10, с. 37.
Суров
В. Сигнализатор загазованности воздуха. - Радио, 2009, № 9, с. 37.
Датчики
газа фирмы FIGARO. - www. chipdip.ru/library/DOC000052164. pdf .