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.