Uporaba kemično uporovnih senzorjev za natančno nadzorovanje plinov
Digi-Key Electronics
Avtor: Rich Miron
2018_263_21
Kemično uporovni senzorji nudijo nizkocenovno rešitev za merjenje širokega razpona koncentracij plina v okviru različnih uporab, kot so industrijski nadzor, sistemi HVAC ter sistemi za skrb za zdravje in varnost. Vendar so senzorji odvisni od grelnega elementa, zato morajo razvijalci zagotoviti natančne meritve upornosti senzorja ter hkrati poskrbeti, da grelni element ohranja ustrezno temperaturo.
Slika 1: Odnos med logaritmom upornosti kemično uporovnih senzorjev, kot je senzor vodika SGAS701 podjetja IDT, in logaritmom koncentracije plina je linearen, vendar lahko s podpornim vezjem dosežemo nelinearnost izmerjenih rezultatov. (Vir slike: Integrated Device Technology)
Pri obeh zahtevah lahko razvijalci uporabijo različne tehnike, s katerimi poskrbijo za ravnovesje med kompleksnostjo zasnove in natančnostjo meritev.
Ta članek [1] opisuje naravo kemično uporovnih senzorjev in njihovo vlogo pri različnih uporabah. Nato predstavi naprave s plinskimi kemično uporovnimi senzorji podjetja Integrated Device Technology (IDT) in se osredotoči na zahteve za uporabo teh senzorjev ter predstavi alternative z analogno zasnovo, ki podpirajo njihovo delovanje.
Nazadnje opiše splošni pristop za zasnovo na osnovi mikrokontrolerja ter predstavi povezane plošče in programsko opremo za ocenjevanje in razvoj zasnov plinskih senzorjev.
Kemično uporovni senzorji
Kakovostno zaznavanje in kvantitativne meritve so postali izjemno pomembni tako pri bolj specializiranih kot tudi pri splošnejših uporabah. Detektorji metana zagotavljajo ključna opozorila pri rudarskih dejavnostih, meritve vodikovega plina lahko uporabnike opozorijo na težave z baterijami, natančni plinski senzorji pa imajo lahko vlogo »elektronskega nosu« pri uporabah v medicini. V stanovanjskih in poslovnih stavbah lahko spremljanje ravni različnih plinov opozori osebe, ki se nahajajo v stavbi, na prisotnost strupenih plinov in poskrbi za pravočasna opozorila v primeru požarov.
Slika 2: Konfiguracija z delilnikom napetosti predstavlja najpreprostejšo zasnovo kemično uporovnega senzorja. Vendar zasnova zaradi svojih omejitev morda ne izpolnjuje zahtev za uporabo, pri katerih je zahtevano natančno merjenje koncentracije plina. (Vir slike: Integrated Device Technology)
Kovinsko-oksidni kemično uporovni senzorji zagotavljajo stroškovno učinkovito rešitev v primerjavi z drugimi razpoložljivimi plinskimi senzorji in zagotavljajo zanesljive rezultate tudi v zahtevnih pogojih delovanja. Upornost teh senzorjev se spremeni skladno s spremembo koncentracije plinskih molekul v zraku. Upornost se lahko spremeni za več velikostnih redov v okviru delovnega razpona senzorja. To razmerje med upornostjo senzorja (RS) in koncentracijo plina C je izraženo s preprosto enačbo, ki vključuje samo dve dodatni konstanti: A in α.
RS = A * C-α [Enačba 1]
Enačba, zapisana v enakovredni obliki:
log (RS) = log(A) – α * log(C) [Enačba 2]
Enačba 2 prikazuje linearen odnos med logaritmom koncentracije plina in logaritmom upornosti senzorja. V praksi enačba prikazuje, da se bo upornost teh senzorjev hitro spreminjala pri nizkih koncentracijah, medtem ko se bo pri visokih koncentracijah spreminjala veliko počasneje (slika 1).
Komplet kemično uporovnih senzorjev podjetja IDT lahko zagotovi natančne meritve širokega razpona plinov, med drugim:
- vodika z uporabo senzorja IDT SGAS701,
- hlapnih organskih spojin (HOS), vključno s formaldehidom, toluenom, acetonom in alkoholi, z uporabo senzorja SGAS707,
- vnetljivih plinov, vključno z ogljikovodiki, metanom, propanom in zemeljskim plinom, z uporabo senzorja SGAS711.
Senzorji s štirimi priključki podjetja IDT poleg senzorskega elementa vsebujejo tudi upor, ki služi segrevanju senzorskega elementa na optimalno temperaturo za merjenje.
Izziv za razvijalce je zagotoviti natančne meritve upornosti senzorja ter hkrati poskrbeti, da grelni element ohranja ustrezno temperaturo. Pri obeh zahtevah lahko razvijalci uporabijo različne tehnike, s katerimi poskrbijo za ravnovesje med kompleksnostjo zasnove in natančnostjo meritev.
Razmisleki pri implementaciji analognih prilagoditvenih vezij
Slika 3: Razvijalci lahko dosežejo odziv v želenem razponu med največjim odzivom in osnovnim odzivom (v zraku) tako, da uporabijo različne vrednosti upora RFIXED v zasnovi, ki uporablja 3,3-voltno napajanje (napetost Vbias, označena kot Vc na sliki 2). (Vir slike: Integrated Device Technology)
Kot uporovno vezje kemično uporovni senzor potrebuje ustrezno prednapetost za merjenje sprememb upornosti pri spremembah koncentracije plina. Kot pri drugih podobnih napravah lahko razvijalci merijo upornost senzorja (RS) na različne načine, med drugim:
- z namestitvijo senzorja v preprost delilnik napetosti,
- z napajanjem vezja z virom konstantne napetosti,
- z napajanjem vezja z virom konstantnega toka.
Ustreznost vsakega pristopa za razvijalce je odvisna od zahtev za preprostost zasnove v primerjavi s kakovostjo meritev. Na primer merjenje upornosti RS v okviru preprostega delilnika napetosti je za razvijalce najpreprostejša rešitev (slika 2). Vendar so, odvisno od zahtev, omejitve pri meritvah, ki so značilne za ta pristop, lahko preveč omejujoče.
Slika 4: V konfiguraciji z delilnikom napetosti upor RFIXED prevlada, kar privede do nelinearnosti v odnosu med logaritmom odziva senzorja in logaritmom koncentracije plina. (Vir slike: Integrated Device Technology)
V razdelilniku napetosti merjena izhodna napetost VOUT ne more doseči vrednosti napajalne napetosti Vbias (Vc na sliki 2). Uporovno vezje omeji vrednost VOUT na delež vrednosti Vbias skladno z enačbo:
VOUT = Vbias * (RFIXED/(RFIXED+RS)) [Enačba 3]
Zaradi člena, ki predstavlja odziv senzorja, RFIXED/(RFIXED+RS), napetosti VOUT in Vbias ne moreta doseči istih vrednosti. Razvijalci lahko kljub temu nastavijo vrednost upora RFIXED, da dosežejo uporaben razpon napetosti, ki leži med osnovno vrednostjo senzorja (vrednost, izmerjena v zraku) in vrednostjo pri največjem odzivu senzorja pri 1000 delcih na milijon (ppm) (slika 3).
Druga omejitev izhaja iz nelinearnosti tega pristopa. Slednja postane očitna pri preoblikovanju enačb 1 in 3 v enačbo:
log(VOUT/Vbias) = log(RFIXED) − log(RFIXED + A * C-α) [Enačba 4]
Slika 5: Razvijalci lahko uporabijo vezje, ki vzbuja senzor s konstantno napetostjo ter zagotavlja odpravljanje odklonov in ojačanje, kar izboljša natančnost, vendar povečuje kompleksnost zasnove. (Vir slike: Integrated Device Technology)
Pri nizkih koncentracijah plina, kjer je upor RS (tj. A * C-α) večji od RFIXED, sta logaritem odziva senzorja in logaritem koncentracije plina v linearnem odnosu. Pri višjih koncentracijah plina, kjer upor RFIXED prevlada nad uporom RS, vrednosti nista več v linearnem odnosu in spremembe odziva v vsakem koraku postajajo z večanjem koncentracije plina manjše (slika 4).
Žal razvijalci nimajo veliko dobrih rešitev za odpravo te nelinearnosti, ker iz rezultata ni mogoče ločiti prispevka upora RFIXED od prispevka upora RS. Posledično je ta pristop bolj primeren za uporabe, ki se osredotočajo na zaznavanje plina in ne na natančne meritve količine. Za namene zaznavanja lahko razvijalci preprosto uporabijo analogni primerjalnik, ki se preklopi pri fiksni ravni napetosti, ki ustreza mejni vrednosti za določeno koncentracijo plina.
Izboljšana natančnost
Z uporabo vira s konstantno napetostjo ali konstantnim tokom za vzbujanje senzorja lahko razvijalci odpravijo upor RFIXED in njegov vpliv na linearnost. Po drugi strani ti pristopi uvajajo drastično drugačne zahteve za zasnovo, ki vplivajo na sistemske zahteve. Pri vzbujanju s konstantno napetostjo lahko razvijalci zagotovijo linearni odziv logaritmiranih vrednosti z uporabo preprostega analognega prilagoditvenega vezja (slika 5). V tem primeru je izhodna napetost premo sorazmerna z uporom RSENSOR:
VOUT = 2 * VBIAS * (RGAIN/RSENSOR) [Enačba 5]
Slika 6: Razvijalci lahko uporabijo običajni linearni regulator, kot je regulator LM317 podjetja Texas Instruments, in z njim ustvarijo ustrezni vir s konstantno napetostjo za grelnik plinskega senzorja. (Vir slike: Integrated Device Technology)
Pri vzbujanju s konstantnim tokom postane VOUT produkt upora RSENSOR in toka, ki teče skozenj, tako da je odziv senzorja premo sorazmeren s koncentracijo plina. Rezultat je linearen odnos med logaritmom koncentracije plina in logaritmom odziva senzorja prek celotnega delovnega razpona. Ta pristop razširi spremembe upora prek celotnega razpona in zagotavlja bolj dosledne spremembe upora v vsakem koraku glede na koncentracijo plina.
Cena teh prednosti je večja kompleksnost v primerjavi z metodo s konstantno napetostjo. Tako kot pri slednji metodi je tudi pri pristopu s konstantnim tokom osnovno krmilno vezje implementirano z operacijskimi ojačevalniki. Vendar v tem primeru operacijski ojačevalniki regulirajo dodana vrata MOSFET za generiranje zahtevanih ravni vzbujalnega toka. Kljub večji kompleksnosti zasnove vezja s konstantnim tokom nudijo prednost pri zasnovah na osnovi mikrokontrolerjev, kot je opisano spodaj.
Krmilnik grelca
Ne glede na pristop, ki je uporabljen za vzbujanje senzorja, je za optimalne rezultate treba kovinsko-oksidni material segrevati na določeno temperaturo. Delovne temperature senzorjev podjetja IDT so 150 °C za senzor SGAS707 VOC, 240 °C za senzor vodika SGAS701 in 300 °C za senzor vnetljivih plinov SGAS711.
Tako kot senzor je tudi grelnik uporovni element, ki potrebuje vir s konstantno napetostjo ali konstantnim tokom, da ohranja zahtevano temperaturo. Razvijalci morajo zagotoviti, da krmilno vezje grelnika uravnava svojo izhodno napetost in tako prepreči spremembe, ki lahko spremenijo občutljivost senzorja.
Slika 7: Napetosti grelnikov vseh plinskih senzorjev podjetja IDT se spreminjajo z enako hitrostjo glede na spremembe okoljske temperature, vendar potrebuje vsaka vrsta senzorja drugačen popravek napetosti: 5,5 volta za senzor SGAS701, 3,8 volta za senzor SGAS707 in 7,2 volta za senzor SGAS711. (Vir slike: Integrated Device Technology)
Pri viru s konstantno napetostjo lahko razvijalci preprosto uporabijo običajni linearni regulator napetosti, ki izpolnjuje zahteve glede napetosti in moči. Regulator LM317 podjetja Texas Instruments je, na primer, ustrezna rešitev, saj zagotavlja zahtevano regulirano raven izhodne napetosti za vsak senzor podjetja IDT: 3,5 volta za senzor SGAS707, 5,4 volta za senzor SGAS701 in 7 voltov za senzor SGAS711.
Razvijalci lahko z regulatorjem LM317 in samo nekaj dodatnimi komponentami ustvarijo vir s konstantno napetostjo, ki izpolnjuje zahteve najpogostejših uporab plinskih senzorjev (slika 6). Razvijalci lahko nastavijo napetost VHEATER na zahtevano raven tako, da izberejo ustrezno vrednost upora R2.
Čeprav je rešitev relativno preprosta, pa lahko pride do nenatančnih meritev zaradi sprememb pri temperaturi okolja ali komponentah vezja.
Zgoraj omenjene ciljne ravni napetosti grelnika ustrezajo zahtevanim ravnem za senzor, ki deluje v okolju z temperaturo 0 °C. Zahtevana napetost grelnika je obratno sorazmerna s temperaturo, kot jo prikazuje slika 7. Če se napetost grelnika ne prilagodi skladno s spremembami temperature okolja, je občutljivost senzorja in natančnost merjenja plinov slabša.
Slika 8: Podjetje IDT predstavlja vezja, ki zagotavljajo vire s konstantnim tokom za senzor in grelnik, ki uporabljajo isto analogno zasnovo kot njihove razvojne plošče SMOD7xx. (Vir slike: Integrated Device Technology)
Razvijalci lahko dodatno nadgradijo vezje preprostega regulatorja na sliki 6, tako da mu dodajo povratno zanko za nadziranje moči in temperature grelnika. Lahko pa se razvijalci izognejo težavam, povezanim z virom s konstantno napetostjo, in se odločijo za preprostejšo rešitev, ki uporablja vir s konstantnim tokom.
Tako kot vzbujanje senzorja s konstantnim tokom je uporaba grelnega vezja s konstantnim tokom bolj prilagodljiva rešitev. Podjetje IDT nudi načrt, ki prikazuje uporabo vezij s konstantnim tokom za vzbujanje senzorja in krmiljenje grelnika (slika 8).
Za vzbujanje senzorja s konstantnim tokom (slika 8 zgoraj) podjetje IDT uporablja dva natančna operacijska ojačevalnika LTC6081 podjetja Linear Technology, pri čemer vsak ojačevalnik poganja svoja visokozmogljiva vrata MOSFET DMC2700 podjetja Diodes Incorporated, izhodna napetost senzorja pa se dokončno proizvede s pomočjo operacijskega ojačevalnika z nizkim šumom OPA2376AIDGKR podjetja TI.
Vezje grelnika senzorja uporablja podoben pristop, vendar uporablja operacijske ojačevalnike LPV511 podjetja Texas Instruments, ki omogočajo uporabo 9-voltnega vira vezja (slika 8 spodaj).
Pri obeh vezjih mora biti raven toka nastavljena s pomočjo vhodne napetosti, kar predstavlja znatno prednost za običajne senzorske sisteme na osnovi mikrokontrolerjev (slika 9).
Z uporabo mikrokontrolerjev za nadzor digitalno-analognih pretvornikov se lahko razvijalci odzovejo na spremenljive pogoje, tako da s pomočjo programa nastavijo zahtevane nivoje krmilnega toka za senzor in grelnik. Podobno lahko razvijalci uporabijo mikrokontroler za branje izhodov senzorja s pomočjo analogno-digitalnega pretvornika, prilagajanje pogojev ali uvajanje popravkov in posredovanje rezultatov sistemu.
Slika 9: Vezja s konstantnim tokom so predvsem učinkovita za senzorske sisteme na osnovi mikrokontrolerjev. Mikrokontroler se lahko programira za krmiljenje napetosti senzorja in grelnika s pomočjo digitalno-analognih pretvornikov (DAC) ter za nadzor napetosti grelnika in merjenje izhodne napetosti senzorja s pomočjo analogno-digitalnih pretvornikov (ADC). (Vir slike: Integrated Device Technology)
Razvijalci lahko merijo izhodno napetost grelnika in rezultate uporabijo v programski povratni zanki, ki je zasnovana za ohranjanje temperature grelnika na ravni, ki ustreza posameznemu senzorju in okoljski temperaturi.
Podjetje IDT uporablja isto zasnovo vezja z dvema konstantnima tokovoma v svojem demonstracijskem kompletu SMOD7xx za SGAS701 (SMOD701KITV1), SGAS707 (SMOD707KITV1) in SGAS711 (SMOD711KITV1). Plošče SMOD7xx so zasnovane za lažje preizkušanje senzorjev SGAS7xx ter združujejo vezja s konstantnim tokom z ustreznim senzorjem, mikrokontroler TI MSP430I2021 in podporno vezje.
Ločena programska oprema SMOD (potrebna je registracija) je zasnovana za delovanje s ploščami SMODxx in omogoča razvijalcem, da nemudoma začnejo raziskovati primere uporabe vezij za zaznavanje plinov. Razvijalci lahko senzor plošče SMODxx izpostavijo želeni koncentraciji plina ter pri tem uporabijo programsko opremo SMOD, da si neposredno ogledajo spremembe v upornosti senzorja in se osredotočijo na odziv svojega sistema na različne pline in koncentracije plinov (slika 10).
Slika 10: Programska oprema SMOD podjetja IDT omogoča razvijalcem, ki jo uporabijo skupaj s ploščo SMOD7xx, da si ogledajo spremembe upornosti senzorja v različnih scenarijih. (Vir slike: Integrated Device Technology)
Kompleti SMOD7xx, uporabljeni skupaj s paketom programske opreme SMOD, predstavljajo pomembno orodje za razumevanje delovanja plinskih senzorjev v praktičnih primerih uporabe. V industrijskih okoljih, kjer je prisotnih več vrst plinov, lahko nepozoren razvijalec iz plinskih senzorjev pridobi nepričakovane rezultate. Čeprav je vsak kemično uporovni senzor zasnovan tako, da se optimalno odziva na določeno vrsto plina, lahko prisotnost različnih plinov ogrozi rezultate.
Čeprav je, na primer, senzor SGAS701 optimiziran za zaznavanje vodikovega plina, se odziva tudi na prisotnost drugih plinov, vključno s tistimi, ki jih optimalno zaznata senzor hlapnih organskih spojin SGAS707 in senzor vnetljivih plinov SGAS711 (slika 11). Poleg tega lahko zaradi vlažnosti in drugi okoljskih pogojev pride do sistematičnih sprememb v odzivu senzorja. Z uporabo razvojnih orodij podjetja IDT lahko razvijalci odkrijejo dejavnike, ki vplivajo na njihove sisteme s plinskimi senzorji, preden oblikujejo končno zasnovo sistema.
Sklep
Slika 11: Plinski senzorji so običajno do določene mere občutljivi tudi na druge vrste plinov, kot je to prikazano tukaj za senzor vodikaSGAS701, ki zahteva vpeljavo ustreznih popravkov v zasnove sistemov s plinskimi senzorji, ki se uporabljajo v takih okoljih. (Vir slike: Integrated Device Technology)
Zmožnost merjenja koncentracije različnih plinov postaja vedno pomembnejša za širok nabor sistemov. Nizkocenovni kemično uporovni senzorji podjetij, kot je IDT, nudijo rešitev, namenjeno takojšnji uporabi, ki pa kljub vsemu zahteva pozorno zasnovo vezja, da se izpolni edinstvene zahteve teh naprav.
Z uporabo različnih tehnik lahko razvijalci ustvarijo zasnove vezij za zaznavanje plinov, ki zagotavljajo pravo ravnovesje med kompleksnostjo in natančnostjo meritev ter izpolnjujejo edinstvene zahteve njihovih sistemov.
Viri: https://www.digikey.si/en/supplier-centers/i/integrated-device-tech
