Разработка анализатора газов на базе газового сенсора RS 286-620

Пусть Bj =(sсмесиsj)  Мij=(sisj)

Тогда (20) можно переписать в виде

                                                             Bj= S Ai Мij                                                                         (20а)

Если после решения системы (20а) некоторые числа Ai оказались отрицательными из системы изымаются строки и столбцы с соответствующими номерами и процесс определения концентраций Ai  повторяется с системой из меньшего количества уравнений.

Существует несколько методов для определения концентраций примесей по записям термограмм.

Если F(x)-исходная термограмма, Fi(x)-эталонные термограммы, под скалярным произведением функций понимается нормированная сумма произведений этих функций во всех точках диапазона

(F G)= A S  F ( xj ) G(xj )    

Если Mij=(Fi Fj)  Bi=(F Fi)   Xi – концентрация i-го вещества , тогда  искомые крнцентрации определяются из системы

MxX=B

1).Решение систем уравней

Имея систему уравнений MxX=B находим решение Х0, если среди полученных решений имеются отрицательные {Хj} , то из матрицы М изымаются строки и столбцы с соответствующими номерами и полученная система меньшей размерности решается вновь.

Цикл повторяется до тех пор, пока не будет получено решение, состоящее только из положительных элементов. Такой метод определения концентраций применен в приборе в настоящий момент.

Достоинствами данного метода являются:

1.          Высокая скорость работы

2.          Простота алгоритма.

3.          Быстрое сужение круга веществ, присутствие предполагается в смеси

4.          Независимость устойчивости работы алгоритма от свойств матрицы M

Недостатками данного метода являются:

1.          Возможность получения «пустого» решения- если на каком- либо шаге все решения окажутся отрицательными.

2.          Невозможность возврата в систему для определения концентраций строк и столбцов, изъятых на предыдущих шагах.

2).Минимизация невязки.

Задач ставится таким образом, что требуется минимизировать функцию

D=S(F-S XiFi(xj))2

при дополнительных ограничениях Xi>0.

Для решения этой задачи может применяться симплекс-метод, или другие методы математического программирования.

Достоинствами данного метода являются:

1.          Надежность получения решения. Всегда будет получено какое-либо решение – в крайнем  случае решением будет признано начальное приближение.

2.          Возможность возврата в систему для определения концентраций элементов, изъятых на предыдущих шагах.

Недостатками данного метода являются:

1.          Зависимость метода от свойств матрицы M. Корректная работа возможна только в случае положительно определенной матрицы.

2.          Невысокая скорость работы как из-за сложности алгоритма, так и благодаря большому количеству итераций

3.          Возможная зависимость окончательного результата от выбора начального приближения решения. ( в случае, если у невязки имеется более одного минимума в рассматриваемой области)

4.          Сложность алгоритма.

5.          Определение «суммарной концентрации неизвестных веществ» - С=1/N для функции отклика G(xj)=(F-S XiFi(xj))

При разработке прибора проверялась работа алгоритма определения концентраций. В приложении 6 приведены результаты определения концентраций алгоритмами обоих типов. Окончательный выбор был сделан в пользу первого метода определения концентраций как из-за меньшего количества ограничений, налагаемых на исходные данные, так и из-за большей логичности.

Соответствие между термограммами и парциальными проводимостями.

В процессе работы прибора на нагреватель чувствительного элемента подается периодическая последовательность импульсов напряжения. Зависимость напряжения на нагревателе от времени показана на рис 1. После перехода напряжения на нагревателе из низкого уровня в высокий температура сенсора начинает возрастать. Процесс снятия термограмм построен таким образом, что положительный фронт напряжения на нагревателе совпадает с моментом начала съема термограммы. Сопротивление сенсора измеряется через равные промежутки времени. Поскольку процессы прогрева сенсора и снятия термограммы протекают параллельно, то различным значениям температуры сенсора соответствуют различные точки термограммы. При одинаковых внешних условиях такое соответствие является однозначным. В процессе снятия термограммы  измеряются падения напряжения на сенсоре, по которым затем определяется сопротивление сенсора R. Схема процесса снятия термограммы показана на рис 2. Проводимость сенсора определяется как   s=1/ R. В выражение (16) входят “парциальные” проводимости отдельных примесей, в то же время, снятие термограмм происходит не отдельно для примесей, а для газовой смеси, содержащей примеси. Исходя из гипотезы о линейной аддитивности сигналов для получения “парциальных” проводимостей необходимо из проводимости среды с примесями  вычесть проводимость “чистой” газовой смеси. Таким образом    

                                                 si=1/ R i-1/ R0                                                                   (21)

Структурная схема и основные элементы прибора

Принципы работы прибора.

В приборе использовался полупроводниковый сенсор RS286-620 производства RS-Components.  По утверждению представителей фирмы чувствительный элемент представляет собой тонкопленочную композицию из оксидов палладия, легированных веществами, увеличивающими чувствительность сенсора к органическим соединениям.

На нагреватель сенсора подается управляемое процессором периодическое напряжение. (форма напряжения на нагревателе чувствительного элемента представлена на рис.1.). После перехода напряжения на нагревателе из низкого уровня в высокий температура сенсора начинает возрастать. .Нагреваясь под   воздействием напряжения, сенсор меняет свое сопротивление. Сопротивление сенсора связано как с его температурой так и с составом окружающей сенсор газовой смеси. Зависимость сопротивления сенсора от температуры содержит информацию о составе окружающей сенсор газовой смеси. Одновременно с процессом прогрева сенсора происходит процесс измерения сопротивления чувствительного элемента. Процессор производит измерение сопротивления сенсора через равные промежутки времени. При таком построении процесса съема термограммы фактически снимается зависимость сопротивления сенсора не от температуры нагревателя, а от времени с начала прогрева сенсора. Поэтому для обеспечения повторяемости результатов измерений необходимо обеспечить одинаковые начальные условия (температуру сенсора перед началом прогрева, отсутствие адсорбированных на поверхности сенсора примесей и т.д.). Для уменьшения зависимости результатов измерений от внешних условий чувствительный элемент прибора работает непрерывно, а не только в процессе измерений. Сразу после включения питания прибора на нагреватель начинают подаваться прямоугольные импульсы с периодом 220 с. импульсы напряжения подаются в течении всего времени работы прибора. Зависимость сопротивления сенсора от времени снимается во время прогрева сенсора одним из импульсов напряжения ( первый импульс считается прогревочным и измерения в первые 220 с. работы прибора не проводятся ). Эта зависимость снимается при помощи АЦП и сохраняется в ОЗУ прибора. После того, как снятие зависимости завершено микропроцессор производит обработку результатов в соответствии с изложенным ниже алгоритмом. В качестве эталонных термограмм используются термограммы веществ с известными концентрациями, снятые в лабораторных условиях и прошитые в ПЗУ большой емкости. Для обеспечения достоверности результатов необходимо, чтобы эталонные термограммы были сняты на том же сенсоре. Эталонные термограммы представлены в виде показаний АЦП при проведении измерений на эталонных веществах, поэтому их обработка в приборе ничем не отличается от обработки результатов измерений.

Измерительная часть прибора.

Измерительная часть состоит из схемы управления нагревателем сенсора и АЦП для измерения сигнала с сенсора. Поскольку входной ток АЦП достаточно велик и непосредственное подключение сенсора к входу АЦП вызовет искажение результатов необходимо применение повторителя для разделения цепей сенсора и АЦП. В качестве повторителя используется операционный усилитель. Основным требованием к повторителю является высокое входное сопротивление. При разработке измерительной части в качестве микросхем АЦП и усилителя были выбраны микросхемы AD7896 и AD820 соответственно. При подборе элементной базы измерительной части прибора проводилась проверка линейности работы измерительной части, состоящей из АЦП AD7896 и различных типов ОУ. Лучшей линейностью среди проверенных наборов обладает набор с ОУ AD820. АЦП поддерживает последовательный протокол обмена данными, что позволило сократить размеры схемы и ограничить число интерфейсных соединений. Уровни выходных сигналов этой микросхемы совпадают со стандартными уровнями сигналов ТТЛ, что избавляет от применения согласующих цепей.

Схема управления нагревателем должна обеспечивать достаточный ток через нагреватель. Этот блок измерительной части представляет собой 2-х каскадную ключевую схему. Сигнал от микропроцессора открывает маломощный транзистор VT2, а ток, протекающий через него, открывает мощный транзистор VT3, управляющий нагревателем. 

Информационный обмен измерительной части и микроконтроллера происходит следующим образом:

Микроконтроллер передает на схему управления нагревателем управляющий сигнал и включает нагреватель. Информационный обмен с АЦП, производящими измерения по мере роста температуры нагревателя, происходит после включения нагревателя. Происходит считывание информации с АЦП. Формат считываемых данных соответствует формату данных микросхемы AD7896.

Протоколы обслуживания информационного обмена сенсор-микроконтроллер.

Микросхема AD7896 представляет собой быстродействующий 12-ти разрядный АЦП. Сигналы управления передаются по линиям CS (“Начало преобразования”) и CLK (“тактовые импульсы”). При переходе сигнала “Начало преобразования” из высокого уровня в низкий АЦП начинает преобразование входного сигнала. Время преобразования не превышает 8 микросекунд. Во время преобразования сигнал “Ожидание” выставляется в высокий уровень. После завершения преобразования АЦП готов к передаче данных. Для прочтения бита данных на вход “тактовые импульсы” подается низкий логический уровень, который следует удержать не менее 40 нс. Затем на выходе микросхемы (Линия SDO) появляется бит данных. Для прочтения следующего бита на вход “тактовые импульсы” следует подать высокий логический уровень, который так же должен быть удержан не менее 40 нс. Затем процедура повторяется. Таким образом в тот момент, когда на входе “тактовые импульсы” присутствует уровень логической 1 на выходе выставлен соответствующий бит данных. Подробная временная диаграмма представлена на рис. 3.    

Рис. 3.Информационный обмен с АЦП

Микросхема выдает описанным выше образом последовательность из 16 бит, однако первые 4 бита всегда имеют нулевое значение. Затем идут 12 значащих бит начиная со старшего.

Подробно характеристики и описания режимов работы АЦП приведены в [14] и [15].

Процессорная часть прибора.

Основу процессорной части прибора составляет микроконтроллер AT89C51 (D1). Шина данных микропроцессора 8и битная, коммутируемая т.е. адрес и данные передаются по одной шине. Для выделения младшего байта адреса  используется регистр D2. Программа работы прибора храниться в ПЗУ программ  D5. Регистр D2 фиксирует состояние шины адрес-данные по переходу сигнала ALE из высокого в низкий логический уровень. Считывание из ПЗУ слова программы происходит по переходу сигнала PSEN из высокого в низкий логический уровень. Отсутствие конфликтов на шине обеспечивается задержкой сигнала PSEN по отношению к сигналу ALE. Обмен с ОЗУ D6 происходит полностью аналогично, но чтение происходит не по сигналу PSEN, а по сигналу RD. Обмен с ОЗУ и ПЗУ происходит только тогда, когда сигнал А15 находиться в низком уровне. Схематично процесс обмена показан на рис 4.

Для обращения ко внешним устройствам используется дешифратор адреса D4. Дешифратор проверяет состояние шины A15 и если она находиться в высоком логическом уровне, то адрес А12-А14 трактуется как адрес внешнего устройства. При этом на соответствующее устройство (дисплей, ПЗУ данных, регистр страниц и т.д.) дешифратор подает сигнал “Выбор”.

Для хранения эталонных термограмм применяется ПЗУ большой емкости ( 512 Кбайт ) D7. Адресное пространство процессора позволяет непосредственно адресовать не более 64 Кбайт внешней памяти. С учетом особенностей построения прибора этот лимит снижается до 32 Кбайт. Таким образом необходима страничная адресация ПЗУ данных. ПЗУ Данных разбито на 64 страницы по 8 Кбайт каждая. Таким образом каждая страница содержит одну эталонную термограмму. Для переключения между страницами используется регистр страниц D3. Для прочтения данных из ПЗУ данных необходимо проделать следующие операции:

1.    Произвести запись номера страницы в регистр страниц.

2.    Произвести чтение ПЗУ данных на установленной в п 1 странице.

Для последующего чтения данных с той же страницы повторного обращения к регистру страниц не требуется.

Для работы с измерительной частью используется порт 1 микроконтроллера. Весь необходимый протокол обмена реализован программно.

При работе в автономном режиме для отображения результатов измерений используется жидкокристаллический дисплей HD44780 со встроенными схемами управления. Благодаря наличию в дисплее схем формирования символов и управления стало возможным включить его непосредственно в шину данных- адреса.

Блок питания.

В качестве блока питания прибора используется внешний источник питания напряжением 9В. Ток, обеспечиваемый источником составляет 0,7 А. Напряжение питания, поступающее в прибор фильтруется цепочкой С5 С105 L4 С107 С106 , стабилизируется интегральным стабилизатором D50 . Напряжение со стабилизатора поступает в цепи питания электронных компонент прибора.

Отсутствие в приборе автономного блока питания ( аккумуляторов ) объясняется большим энергопотреблением прибора, которое, в свою очередь, обусловлено большим током в цепи нагревателя газового датчика.

Устройство отображения информации.

Для отображения результатов измерений используется матричный жидкокристаллический модуль семейства LM44780. Устройство отображения информации позволяет отображать цифровую и текстовую информацию, а так же некоторые служебные символы. В опытном экземпляре прибора установлен модуль, позволяющий отображать 2 строки информации по 20 символов каждая. В других экземплярах прибора допускается использование других модулей семейства LM44780 без каких-либо изменений в схеме и алгоритме работы прибора. Жидкокристаллический модуль отображения информации включает в свой состав схемы управления и знакогенератора, что избавляет от необходимости тратить ресурсы микроконтроллера на реализацию пользовательского интерфейса.

Модуль состоит из входного регистра, знакогенератора, четырех сдвиговых регистров для обеспечения динамической индикации, и жидкокристаллического дисплея. Обмен информацией между модулем и внешними устройствами происходит посредством входного регистра. Работа модуля возможна как в режиме 8 битового интерфейса, так и в режиме 4-х битового интерфейса. В приборе реализован первый вариант работы этого устройства.

Модуль имеет следующие входные сигналы

·        E-тактовые импульсы. При переходе этого сигнала из высокого логического уровня в низкий происходит исполнение поступившей команды или захват данных.

·        R/W-запись/чтение. Используется для указания направления обмена данными с модулем. Низкий логический уровень соответствует записи данных в модуль. Режим чтения используется для определения текущего состояния модуля.

·        RS-команда/данные. Состояние этого сигнала определяет характер поступающей в модуль информации. Высокий уровень соответствует команде, низкий- данным (код отображаемого символа).

·        DB0…DB7-шина данных. Используется для обмена данными с модулем.

Для записи информации в ЖК-модуль необходимо выставить сигнал RS в состояние, соответствующее характеру обмена; сигнал R/W установить в низкий логический уровень, выставить на шине данных передаваемую информацию, изменить уровень сигнала Е с низкого на высокий и обратно.

После проведения записи информации модуль временно блокируется для ее обработки и не отвечает на внешние запросы. Характерным признаком такого состояния является высокий логический уровень во всех разрядах шины данных. После завершения внутренней операции шина данных будет выставлена в низкий логический уровень.

Работа с модулем отображения информацией должна начинаться со специальной инициализирующей последовательности данных. Далее следуют команды очистки индикатора, управления курсором, определения произвольных символов (если необходимо) и коды выводимых символов. Подробно протоколы информационного обмена с ЖК модулями семейства LM44780  описаны в [6] и [10] 

Результаты испытаний прибора  (термограммы некоторых веществ и смесей)

Настройка и калибровка анализатора.

Процесс настройки прибора сводится к отладке процессорной части и программы работы, а так же к проверке работы измерительного блока. Подготовка измерительной части к работе заключается в проверке напряжений на нагревателе чувствительно элемента, и проверке длительности интервалов прогрева и охлаждения сенсора. Кроме того, необходимо проведение проверки длительности и равномерности интервалов между измерениями при снятии термограммы.

Процесс калибровки проводиться путем снятия термограмм эталонных смесей на сенсоре, который затем будет установлен в приборе. Эталонные термограммы снимаются сенсором, подключенным к ПЭВМ IBM PC и записываются в файл. В дальнейшем такие файлы можно использовать либо для проверки взаимозаменяемости сенсоров, либо для их метрологической проверки. Содержимое эталонных файлов зашивается в ПЗУ данных прибора.

При изменении типа сенсора необходимо определить оптимальные для данного датчика длительностей прогрева и охлаждения датчика. В качестве значения времени прогрева выбирается время полного прогрева  датчика от температуры  +10оС до рабочей температуры. В качестве значения времени охлаждения выбирается время остывания датчика от рабочей температуры до +10оС. В процессе определения длительности интервалов прогрева и охлаждения  датчика на нагреватель датчика подается рабочее напряжение и измеряется ток через  нагреватель. После подачи на нагреватель напряжения, его температура начинает возрастать. Поскольку сопротивление нагревателя растет с ростом температуры, то ток через нагреватель уменьшается до достижения некоторого стационарного значения. Время с момента подачи напряжения на нагреватель до достижения током стационарного значения считается временем прогрева датчика.

Для настройки датчика используются тарированные газовые растворы паров различных веществ в воздухе. Типичные концентрации паров должны составлять величины 10 - 1000 ppm.

Первоначально испытания датчика проводились на 20 эталонных образцах.