Разработка анализатора газов на базе газового сенсора RS 286-620

датчика. Во время снятия термограмм результаты измерений, полученные с АЦП,

записываются в элементы массива в ОЗУ прибора. После записи очередного

результата значение адреса в массиве увеличивается и сбрасывается флаг

«Новое измерение».

После того, как запись результатов в массив завершена управление

передается блоку обработки результатов. Первоначально снятые данные,

полученные с АЦП, пересчитываются в проводимость сенсора. Затем

проводимость сенсора и эталонные термограммы пересчитываются в матрицу М и

столбец свободных членов В.

Полученная система уравнений решается методом прогонки. Полученные

решения сравниваются с 0. Если все решения положительны, то полученное

решение пересчитывается в концентрации примесей. Задача в этом случае

считается решенной. Если некоторые из полученных решений отрицательны –из

матрицы М изымаются соответствующие строки и столбцы и процесс

определения концентраций повторяется. Процесс продолжается до тех пор,

пока не будет получено положительное решение системы. Структура алгоритма

работы прибора изображена на рис. 5 Контрольный пример для определения

правильности работы алгоритма нахождения неотрицательных решений приведен в

приложении 4.

Заключение

В настоящее время весьма актуальна проблема мониторинга окружающей

среды. Для контроля состояния окружающей среды и определения ее

соответствия санитарно-гигиеническим нормам необходимо всестороннее

изучение ее характеристик и количественная оценка этих характеристик.

Система экологического мониторинга, разрабатываемая на кафедре в

настоящее время, предназначена для одновременного измерения нескольких

параметров окружающей среды – температура, влажность, давление,

электрические и магнитные поля, радиоактивные загрязнения и т.д. Для

определения пригодности и безопасности помещений для нахождения человека

необходимо так же контролировать состав находящейся в помещении газовой

смеси. Для оперативного определения химического состава газовой смеси

предназначен входящий в систему в качестве периферийного блока газовый

анализатор.

Данная работа посвящена разработке газового анализатора для системы

экологического мониторинга. Основным его отличием от приборов аналогичного

назначения является использование в качестве чувствительного элемента

датчика загрязненности воздуха, предназначенного не для определения состава

газовой смеси, а для определения степени ее загрязненности. Применение

такого датчика повлекло за собой необходимость измерения зависимости

сопротивления датчика от его температуры и обработки полученной зависимости

для выделения вклада в нее различных составляющих газовой смеси.

В качестве математического аппарата применялся как метод решения систем

уравнений понижающейся размерности, так и методы линейного программирования

( в частности симплекс-метод), позволивший убедиться в корректности работы

первого алгоритма решения задачи.

В ходе работы показана возможность расширения области применения

датчика загрязненности воздуха и создания прибора для определения состава

газовой смеси. Так же создан прототип такого прибора, позволяющий

определить присутствие в газовой смеси ряда примесей.

Использованная литература.

1.А.Б. Певцов, Н.А. Феоктистов. В.Г. Голубев, Л.Е. Морозова, Проводимость

тонких нанокристаллических пленок кремния. Физика и техника

полупроводников, 1999, том 33, №1.

http://www.ioffe.rssi.ru/journals/ftp/1999/01/page-75.html.ru

2.Аленберг В.Б., Бичукина Т.Н., Кожитов Л.В. и др .Тонкие пленки SnO2 (CuO)

для газовых сенсоров.Перспективные материалы (1997), 2.

3.Киселев В.Ф., Крылов О.В. Адсорбционные процессы на поверхности

полупроводников и диэлектриков. Москва. Наука (1978).

4.Зимин А.Б., Николаев Ю.А., Толмаев В.В. Квантовая физика полупроводников.

Издательство МГТУ им Баумана ( 1994) .

5.Б.А.Акимов, А.В.Албул, А.М.Гаськов, В.Ю.Ильин, М.Лабо, М.Н.Румянцева,

Л.И.Рябова Сенсорные свойства по отношению к сероводороду и

;электропроводность поликристаллических пленок SnO2 (CuO) Физика и техника

полупроводников, 1997, том 31, № 4.

http://www.ioffe.rssi.ru/ journals/ftp/1997/04/page-400.html.ru

6.Техническая документация на матричные жидкокристаллические модули LM44780

HD44780 CONTROLLER APPLICATION NOTES.

http://www.gec.com.au/kc/hd44780.htm

7.Техническая документация на газовые датчики.

http://www.capteur.demon.co.uk

8.Техническая документация на газовые датчики.

http://wgc.chem.pu.ru/personal/htk/histart.htm

9.Техническая документация на микропроцессоры и микроконтроллеры.

http://www.atmel.com

10.Техническая документация на протокол информационного обмена с матричными

жидкокристаллическими модулями семейства LM44780. How to control HD44780-

based Character-LCD

http://www.iaehv.nl/users/pouweha/lcd0.htm

11.Э.Ю.Бучин, А.Л.Винке, А.В.Проказников, Н.Е.Мокроусов, Физические

особенности формирования пористого кремния для газовых сененсоров. Труды ИМ

РАН, г. Ярославль, 1992 г.

12.Дж.Блейкмор. Физика твердого тела. Москва. «МИР», 1988 г.

13.Физика вакуума.

http://astra.phtd.tpu.edu.ru/~chair23/russian/study/mol/p2.htm

14. Техническая документация на АЦП. Протоколы информационного обмена с

АЦП.

http://www.argussoft.ru/

15. Техническая документация на АЦП и операционные усилители.

http://www.analog.com/

16.Техническая документация на микропроцессоры и микроконтроллеры семейства

MCS-51. http://developer.intel.com/sites developer/mcs51/

Приложения

Приложение 1. Структурная схема прибора.

Приложение 2. Принципиальная схема прибора

Приложение 3. Принципы хранения информации в ПЗУ данных. Эталонные

термограммы, прошитые в ПЗУ прибора.

Адресное пространство микропроцессора.

0000Hex Указатель на начало

таблицы размещения. Длина 1 байт.

0001Hex Справочная информация ( дата записи ПЗУ и т.п.)

Название вещества 1. Длина записи 20 байт.

Длина эталонной записи вещества в байтах. Длина

2 байта.

Адрес эталонной записи в ПЗУ. Длина 4 байта.

Название вещества 2. Длина записи 20 байт.

Размещение данных в ПЗУ данных.

Эталонные записи в ПЗУ прибора.

В настоящее время в ПЗУ данных прибора в качестве контрольного примера

зашиты термограммы следующих веществ

1. Чистый воздух

1. Пары воды

1. Углекислый газ

1. Сероводород

1. Спирт этиловый

[pic]

Приложение 4. Контрольный пример и определение точности алгоритма обработки

данных.

В качестве контрольного примера проводилась проверка алгоритма на системе

8х8

M*X=B

1 шаг – Исходная система

| | | | | | | | | | | |

| |1 |2 |3 |4 |5 |6 |7 |8 | |10 |

| |3 |10 |-1 |1 |2 |3 |4 |10 | |8 |

| |4 |3 |2 |1 |0 |-1 |2 |-3 | |9 |

|M= |-1 |1 |-1 |1 |-1 |1 |-1 |1 |B= |12 |

| |1 |1 |1 |0 |0 |1 |0 |2 | |13 |

| |9 |1 |8 |2 |7 |3 |6 |4 | |14 |

| |0 |10 |1 |9 |2 |8 |3 |7 | |15 |

| |6 |5 |4 |1 |2 |3 |4 |0 | |16 |

| | | | | | | | | | | |

|Х= |11,5|-7,2|-4,3|5,11|-14,9|4,86|2,62|4,08| | |

| |39 |18 |65 |2 |48 |8 |5 |8 | | |

2 шаг

| | | | | | | | |

| |1 |4 |6 |7 |8 | |10 |

| |-1 |1 |1 |-1 |1 | |12 |

|M= |9 |2 |3 |6 |4 |B= |14 |

| |0 |9 |8 |3 |7 | |15 |

| |6 |1 |3 |4 |0 | |16 |

| | | | | | | | |

|Х= |3,64|-9,7|13,0|-8,7|3,610| | |

| |5 |90 |30 |90 | | | |

3 шаг

| | | | | | |

| |1 |6 |8 | |10 |

|M= |9 |3 |4 |B= |14 |

| |6 |3 |0 | |16 |

| | | | | | |

|Х= |1,05|3,21|-1,2| | |

| |9 |5 |94 | | |

4 шаг - Окончательный результат

| | | | | |

| |1 |6 | |10 |

|M= |9 |3 |B= |14 |

| | | | | |

|Х= |1,05|1,49| | |

| |9 |0 | | |

Приложение 5. Результаты измерений загрязненности воздуха.

При разработке прибора проводились промежуточные контрольные измерения.

Приведенные ниже данные представляют собой необработанные ( не

нормированные на количество измерений ) результаты измерений суммарной

загрязненности воздуха.

В этой части в качестве суммарной загрязненности бралась величина

M1=?(?г-?0)2

В этой формуле ?г –проводимость сенсора в газовой смеси, ?0

-проводимость сенсора в эталонной газовой смеси (чистый воздух). Сумма

берется по всем точкам термограммы.

Измерения первоначально проводились в замкнутом объеме с чистым

воздухом, затем в воздухе в помещении лаборатории, затем в новь в замкнутом

объеме с примесью паров спирта (10ppm). Второй слабый пик на графике

соответствует добавлению еще 10ppm паров сприта.

Нижний график представляет собой попытку учесть разнличия между

эталонным воздухом и «чистым» воздухом в лаборатории. ( Из верхнего графика

вычтена «фоновя» проводимость, обусловленная воздухом в лаборатории. В

качестве «чистого» воздуха взят результат измерений, наименее отличающийся

от эталонного.)

|Серия |Сумма по|Где |Разнос|

| |150 | |ть с |

| |точкам | |фоном |

| |за 50 | | |

| |сек | | |

|1 |132925 |Замкнутый объем |7201 |

|Серия | | | |

| |129303 |Замкнутый объем |3579 |

|2 |128038 |Замкнутый объем |2314 |

|Серия | | | |

| |127356 |Замкнутый объем |1632 |

|3 |126468 |Замкнутый объем |744 |

|Серия | | | |

| |125979 |Замкнутый объем |255 |

|4 |125724 |Замкнутый объем |0 |

|Серия | | | |

| |126081 |Замкнутый объем |357 |

|5 |148656 |снаружи |22932 |

|Серия | | | |

| |152352 |снаружи |26628 |

|6 |152472 |снаружи |26748 |

|Серия | | | |

| |168452 |снаружи |42728 |

|7Серия|162484 |снаружи |36760 |

| |161306 |снаружи |35582 |

|8 |155528 |Замкнутый объем |29804 |

|Серия | | | |

| |151928 |Замкнутый объем |26204 |

|9 |150372 |Замкнутый объем |24648 |

|Серия | | | |

| |149073 |Замкнутый объем |23349 |

|10 |148267 |Замкнутый объем |22543 |

|Серия | | | |

| |146876 |Замкнутый объем |21152 |

|11 |145682 |Замкнутый объем |19958 |

|Серия | | | |

| |144619 |Замкнутый объем |18895 |

|12 |146374 |Добавлен спирт |20650 |

|Серия | | | |

| |147044 |Добавлен спирт |21320 |

|13 |146699 |Добавлен спирт |20975 |

|Серия | | | |

| |145677 |Добавлен спирт |19953 |

|14 |143998 |Добавлен спирт |18274 |

|Серия | | | |

| |143611 |Добавлен спирт |17887 |

|15 |143453 |Добавлен спирт |17729 |

|Серия | | | |

| |143392 |Добавлен спирт |17668 |

Приложение 6. Результаты определения химического состава газовой смеси.

Для определения состава газовой смеси производилось измерение

зависимости сопротивления датчика от его температуры. Затем полученная

таким образом термограмма раскладывалась по базису из 19 эталонных

термограмм. Для разложения по эталонным термограммам применялись

одновременно и метод решения системы уравнений и симплекс метод для

минимизации невязки. В таблице приведены результаты, полученные обоими

способами.

Концентрации в таблице – в относительных единицах. Для получения

истинных концентраций того или иного вещества необходимо умножать указанные

в таблице числа на нормировочные коэффициенты для соответствующего

вещества.

После предварительных испытаний методики работы и алгоритмов

определения концентраций из 19 эталонов были отобраны 4, обладающие

минимальными коэффициентами корреляции с остальными и хорошей

повторяемостью термограмм, для дальнейшего использования в приборе.

Ниже приведены результаты определения состава газовых смесей.

|Файл |Пар|хло|чет|дих|гек|СГГ|бен|тол|фен|фор|аце|спи|амм|уга|угл|укс|мет|сер|озо|

| |ы |роф|ыре|лор|сан| |зол|уол|ол |мал|тон|рт |иак|рны|еки|усн|ан |ово|н |

| |вод|орм|ххл|эта| | | | | |ьде| |эти| |й |слы|ая | |дор| |

| |ы | |ори|н | | | | | |гид| |лов| |газ|й |к-т| |од | |

| | | |сты| | | | | | | | |ый | | |газ|а | | | |

| | | |й | | | | | | | | | | | | | | | | |

| | | |угл| | | | | | | | | | | | | | | | |

| | | |еро| | | | | | | | | | | | | | | | |

| | | |д | | | | | | | | | | | | | | | | |

| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|Результа| | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|т, | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|найденны| | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|й при | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|помощи | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|симплекс| | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|-метода.| | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

| |0,9| |0,0| | | |0,0| |0,0| | | |0,0| |0,0| | |0,1| |

| | | |15 | | | |06 | |02 | | | |12 | |18 | | |55 | |

|Результа| | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|т, | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|найденны| | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|й при | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|помощи | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|симплекс| | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|-метода.| | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

| |0,3| | | | | |0,0| | | | | | | | | |0,0| | |

| |4 | | | | | |39 | | | | | | | | | |74 | | |

| |0,0| |0,0| | | |0,2| |0,0| | | | |0,0| | |0,1| | |

| |03 | |89 | | | |22 | |82 | | | | |54 | | |19 | | |

|Результа| | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|т, | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|найденны| | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|й при | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|помощи | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|симплекс| | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|-метода.| | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

| |0,0| | |0,0| | |0,2| |0,0| | | | |0,0| | |0,0|0,0| |

| |27 | | |29 | | |97 | |3 | | | | |59 | | |36 |92 | |

| | | | | | | | | | | | | |0,0| | | | |1,4| |

| | | | | | | | | | | | | |34 | | | | |97 | |

|Результа| | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|т, | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|найденны| | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|й при | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|помощи | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|симплекс| | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|-метода.| | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

| | | | | | | | | | | | | | |0,2| | | | |0,7|

| | | | | | | | | | | | | | |25 | | | | |21 |

| |0,0| | |0,0| | | | | |0,2| |0,0|0,1| | | | | | |

| |39 | | |1 | | | | | |23 | |12 |25 | | | | | | |

| | | |0,0| | | | | | | | | | |0,1| | | | | |

| | | |59 | | | | | | | | | | |86 | | | | | |

|Результа| | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|т, | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|найденны| | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|й при | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|помощи | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|симплекс| | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|-метода.| | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

| | |0,0|0,1| | | | | |0,0| |0,0| | |0,0| |0,0| |0,1| |

| | |18 |26 | | | | | |69 | |8 | | |08 | |26 | |36 | |

|Результа| | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|т, | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|найденны| | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|й при | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|помощи | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|симплекс| | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|-метода.| | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

| | | |0,1| | | | | |0,0| |0,0| | | | |0,0|0,0|0,1| |

| | | |41 | | | | | |61 | |97 | | | | |19 |08 |22 | |

| | | |0,0| | | |0,0| |0,0| | | |0,0|0,0| | | | | |

| | | |71 | | | |32 | |51 | | | |11 |06 | | | | | |

|Результа| | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|т, | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|найденны| | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|й при | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|помощи | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|симплекс| | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|-метода.| | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

| | | | | | | | | |0,4| | |0,3| | | | | | | |

| | | | | | | | | |82 | | |13 | | | | | | | |

|Результа| | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|т, | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|найденны| | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|й при | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|помощи | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|симплекс| | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|-метода.| | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

| | | | | | | | | |0,3| | | | |0,0| | | | | |

| | | | | | | | | |06 | | | | |05 | | | | | |

| | | | | | | | | |0,1| | |0,0| | |0,0| | | | |

| | | | | | | | | |81 | | |02 | | |1 | | | | |

|Результа| | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|т, | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|найденны| | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|й при | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|помощи | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|симплекс| | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|-метода.| | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

| | | | | | | | | |0,2| | |0,0| |0,0| | | | | |

| | | | | | | | | |05 | | |02 | |16 | | | | | |

| | | |0,0| | | |0,1| | | |0,0| | |0,1| |0,0| |0,0| |

| | | |93 | | | |91 | | | |24 | | |24 | |24 | |23 | |

|Результа| | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

|т, | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5