Разработка аналізатора газів з урахуванням газового сенсора RS 286-620

МІНІСТЕРСТВО СПІЛЬНОГО І ПРОФЕСІЙНОГО ОСВІТИ РОСІЙСЬКОЇ ФЕДЕРАЦИИ.

(.

МОСКОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ.

(технічний университет).

Кафедра N0 39.

ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА.

До ДИПЛОМНОМУ ПРОЕКТУ НА ТЕМУ:

Розробка аналізатора газів з урахуванням газового сенсора RS 286−620.

Студент-дипломник Піменов Олексій Андреевич.

Руководитель проекту до. ф.-м. зв. Кривашеев Сергій Владимирович Консультант буд. Ф.-м. зв. Федорович Геннадій Викторович.

Рецензент Рижов Валерій Валентинович.

Заведующий кафедрой.

Москва — 1999 г.

Зміст 2.

Введение

4.

Постановка завдання 4.

Возможные шляхи вирішення 4.

Обзор літератури 6.

Что зроблено іншими розробниками у цьому напрямі. 6.

Обзор сучасних напівпровідникових газових датчиків 6.

Обзор микроконтроллеров в обробці сигналів 7.

Выбор елементної бази щодо вимірювальної частини. 8.

Выбор устрою відображення інформації 8.

Описание приладу 9.

Описание сенсора RS286−620 9.

Физические основи роботи приладу. 10.

Зависимость кількості адсорбированных молекул від температури. 14.

Принципы обробки сигналів сенсора 16 Гіпотеза лінійної аддитивности сигналів. 16 Особливості побудови алгоритму визначення концентрацій. 17 Відповідність між термограммами і парциальными проводимостями. 19.

Структурная схема й освоєно основні елементи приладу 20 Принципи роботи приладу. 20 Вимірювальна частина приладу. 20 Процесорна частина приладу. 22 Блок харчування. 23 Пристрій відображення інформації. 23.

Результаты випробувань приладу (термограммы деяких речовин і сумішей) 24 Налаштування і калібрування аналізатора. 24.

Алгоритм роботи приладу 26.

Заключение

28.

Использованная література. 29.

Приложения 31.

Приложение 1. Структурна схема приладу. 31.

Приложение 2. Принципова схема приладу 32.

Приложение 3. Принципи зберігання інформацією ПЗУ даних. Еталонні термограммы, прошиті в ПЗУ приладу. 33.

Приложение 4. Контрольний приклад й визначення точності алгоритму обробки даних. 35.

Приложение 5. Результати вимірів забруднення повітря. 36.

Приложение 6. Результати визначення хімічного складу газової суміші. 38.

риложение 7. Опис і характеристики газового датчика RS 286−620 44.

Приложение 8. Вольт-кодовая характеристика вимірювального блоку з урахуванням ЗУ AD820. 45.

Приложение 9. Опис і характеристики устрою відображення інформації. 46.

Приложение 10. Розрахункові графіки залежності кількості носіїв заряду від температури напівпровідникової плівки. 47.

Приложение 11. Еталонні термограммы і таблиця взаємних кореляцій для деяких речовин. 48.

Постановка задачи.

Нині спеціалісти кафедри 39 роботи з створенню комплексної системи екологічного моніторингу у проекті МНТЦ N 484. Однією з напрямів робіт із цього проекту є розробка універсального аналізатора газової смеси.

Універсальний аналізатор газової суміші одна із периферійних блоків системи та призначається для моніторингу змісту різних хімічних речовин, у оточуючої прилад газової смеси.

У результаті робіт над проектом вивчалися різні методики моніторингу хімічного складу газової суміші. Після різнобічного аналізу наявних можливостей було встановлено, що застосувати на вирішення поставленої завдання існуючі готові прилади неможливо. Стала завдання розробки нового аналізатора газової суміші. Вимоги, які пред’являються приладу: Універсальність. Можливість визначати концентрації різних хімічних речовин без заміни чутливих елементів і настрою приладу для цієї речовини. Чутливість приладу лише на рівні до одиниць об'ємних відсотків. Необхідність обробки результатів виміру дома і передачі у центральний блок лише готових результатів. Можливість роботи, як у складі системи і автономно. Сумісність інформаційних протоколів приладу зі стандартом RS-232. Модульна побудова. Малі габарити. Низька энергопотребление.

Роботи створення такого приладу розпочато спеціалісти кафедри у грудні 1997 г.

Можливі шляху решения.

Нині в прикладної хімії однією з поширених методів контролю стану довкілля є газова хроматографія. Хроматографія — гібридний метод: спочатку на колонці серед аналізованого газу відбувається поділ суміші деякі компоненти, та був детектор, розташований після хроматографічної колонки, визначає зміст розділених сполук, у потоці газа-носителя. Газохроматографический детектор є розмір, який виявляє присутність у газе-носителе компонентів, від газа-носителя по хімічним складом, і перетворює цю інформацію в електричний сигнал. Розмаїття вимог спричинило появу цілого ряду детекторів, які відрізняються своїм властивостями (чутливості, селективності, динамічному діапазону і пр.).

До переваг газохроматографических методів слід віднести високу селективність і точність. У це пов’язані з хорошою пропрацьованністю методів інтерпретації результатів вимірів. Як конструкція детекторів, і методи обробки результатів, відпрацьовувалися протягом чотирьох десятків років й у час розроблено високочутливі методи, дозволяють виявляти навіть фемтограммы речовини. Але ці результати отримані з допомогою надзвичайно складних (і, дорогих) конструкцій газових хроматографов, робота у яких вимагають великих витрат робочого дня висококваліфікованого персонала.

Для простих застосувань, коли можна обійтися невеличкий влучністю і селективностью, застосовують газові датчики, що виробляють більш-менш специфічні щодо різноманітних речовин електричні сигнали. У цьому використовуються різні фізичні і хімічні ефекти, реалізовані в Термокондуктометрических осередках (щоб виявити СО2, SO2, SF6 та інших. газів). Термохімічних (каталітичних) осередках (щоб виявити CO, вибухонебезпечних і горючих газів). Напівпровідникових датчиках (спирти, вуглеводні, токсичні гази). Паливних осередках (кислород).

Прилади, засновані на використанні газових датчиків, відрізняються відносної простотою конструкції, невеличкий ціною і простотою в поводженні з ними, що дозволяє користуватися ними персоналу яка має спеціальної підготовки. До вад таких приладів ставляться їх низька чутливість і селективність. Ці прилади використовуються там, де необхідно визначати концентрацію домішок лише на рівні одиниць (рідко — часткою) об'ємних відсотків і від. Що ж до селективності, то зазвичай потрібно попередня з’явилася інформація, який газ (із групи газів, які впливають на сенсор) є у повітрі, після чого результати вимірів можна інтерпретувати в термінах його концентрации.

Становить безсумнівний інтерес можливість створення аналізатора газів, що об'єднує гідності газових хроматографов (висока чутливість і селективність) і газових датчиків (простота використання коштів і оперативність вимірів). Йдеться може бути про деякому компроміс: навряд можна очікувати створення датчика з параметрами газового хроматографа і ціною газового датчика, проте принципове поліпшення параметрів газових датчиків за збереження відносної (по відношення до газовим хроматографам) простоти конструкції і обслуговування можна. Певні перспективи тут відкрилися після розробки та освоєння виробництва напівпровідникових газових датчиків. Принцип дії таких датчиків грунтується на явище зміни електричного опору тонкопленочного напівпровідника при абсорбції з його поверхні молекул різних газів. Останні стають донорами (або акцепторами) електронів до зони провідності напівпровідника. Чим більше концентрація молекул в навколишньому плівку газі, то більше вписувалося число абсорбованих лежить на поверхні молекул, тим більше зміна опору плівки. Як число абсорбованих молекул, і результуюче зміна електропровідності плівки залежить від температуры.

Якщо поставити мету підвищення селективності вимірів, слід мати у виду, що попри якісну однотипність, температурні залежності опору (нижче, для стислості, ми йменуватимемо термограммами) напівпровідникового сенсора у присутності різних газів різняться. Нижче описана методику визначення складу газової суміші, яка грунтується на припущенні про лінійної аддитивности термограмм, і його апаратна реалізація, застосована в приборы.

Слід зазначити, що отримане справжньою етапі дослідження результати як у чутливості, і по селективності розроблений аналізатор газів поступається сучасним газохроматографическим аналізаторах. Треба пам’ятати, проте, що це перший крок у напрямі модифікації методів роботи з напівпровідниковими газовими сенсорами. Завдання досліджень справжньою етапі полягало у основному визначенні перспективності описуваного напрями. У цьому плані отримані результати є цілком обнадійливими — показано, що звичайний напівпровідниковий сенсор можна використовуватиме селекції окремих газів у довільній смеси.

Огляд литературы.

Що іншими розробниками у тому направлении.

Серед робіт з вивченню властивостей напівпровідників помітну роль займають роботи з вивчення взаємодії напівпровідникових плівок і хімічних речовин. [2], [5].

Більшість таких робіт орієнтовані визначення вмісту у газі певною конкретною домішки. Наприклад, в [5] досліджувана вплив легування міддю на електропровідність і сенсорні властивості плівок SnO2. Запропоновано модель, пояснює підвищену чутливість SnO2 до сірководню. У означеному разі зміна провідності провідності зумовлено хімічним взаємодією електрично активної міді із сірою всього обсягу пленки.

Найбільш вражаючі результати зі створення універсальних аналізаторів газової суміші з урахуванням напівпровідникових датчиків досягнуто при використанні як детектора набору з кілька десятків однотипних напівпровідникових плівок, по-різному легованих домішками, створюють сильно віддалені до кордонів забороненої зони рівні. Залежно від становища примесного рівня забруднювача максимальне збільшення провідності відбувається у одній з таких осередків. Висновки про характер присутніх у газовій суміші забруднювачів робляться з урахуванням сукупності сигналів від усіх осередків приладу. Такий прилад, фактично, є змонтований щодо одного корпусі набір напівпровідникових детекторів, кожен із яких реагує на якесь певне речовина. Досить докладно такий датчик описаний в [7].

Обзор сучасних напівпровідникових газових датчиков.

Під час вивчення електричних властивостей напівпровідників було встановлено, що й провідність істотно змінюється у разі в полупроводнике домішок (процес легування напівпровідника). Теоретичне обгрунтування такої зміни з прикладу моделі Корнига-Пенни дано, наприклад, в [4] і [12]. Якщо кристал напівпровідника є тонку напівпровідникову плівку, то адсорбція з його поверхні молекул з оточуючої напівпровідник газової середовища як і призводить до зміни його електричних властивостей. Поведінка тонких напівпровідникових плівок у [1]-[3]. Нині явище зміни провідності тонких напівпровідникових верств при адсорбції з їхньої поверхні різних хімічних речовин досить використовується до створення напівпровідникових газових датчиків [2],[5]. Найпоширенішим матеріалом виготовлення газових датчиків нині є пористий кремний.

Нині розроблено й серійно випускається кілька сімейств газових датчиків. Основним недоліком всіх таких датчиків був частиною їхнього спрямованість визначений вид хімічного речовинизабруднювача чи визначення забруднення повітря на целом.

Основних напрямів з розробки газових датчиків є разработки.

. Датчиків забруднення повітря (Air quality sensors).

. Датчиків токсичних газов.

. Датчиків углекислоты.

. Датчиків органічних газов.

. Датчиків вуглекислого газа.

. Датчиків вибухонебезпечних газов.

. Датчиків отруйних газов.

Основні постачальники цих приладів є фирмы.

. PAX Analytics Inc.

. Senco Sensors Inc.

. Monox Limited.

. RS-Components.

. Capteur.

Докладні порівняльні характеристики датчиків наведені у [7] і [8]/.

На відміну від інших комплектуючих приладу, під час виборів газового датчика слід сприймати до уваги міркування доступності тих чи інших приладів (ціна, можливість придбання Росії). При виборі сенсора RS 286−620 до уваги приймалися й інші міркування. Як засвідчили експерименти, даний тип сенсора не має хорошою повторюваністю результатів в різних примірниках датчика. Необхідна індивідуальна калібрування кожного датчика для газового анализатора.

Найвища вимога, які пред’являються датчику:

1. Повторюваність результатів вимірів (термограмм) при заміні датчика.

2. Низька теплова інерційність датчика.

3. Температура датчика щонайменше 250оС при напрузі на нагревателе 5 В.

Огляд микроконтроллеров в обробці сигналов.

При виборі микроконтроллера для приладу висувалися такі вимоги Сумісність рівнів і длительностей сигналів з іншими блоками системи екологічного моніторингу. Можливість прямий адресації щонайменше 64 До Байт зовнішньої пам’яті. Зручність при програмуванні. Мінімальна кількість периферійних елементів. Невисока стоимость.

Вчасно попередніх розробок спеціалісти кафедри було накопичено має досвід роботи з мікропроцесорами сімейства MCS-51. Для прискорення розробки микроконтроллер для приладу вибирався з модельного низки MCS-51.

Нижче наведені порівняльні характеристики деяких микроконтроллеров цього семейства.

80 З 51 BH — 8 розрядний MCS-51 сумісний микроконтроллер. 4Кбайт.

ПЗУ. 128 байт ОЗУ. 4 порту ввода/вывода. 2 программируемых.

16-ти розрядних таймера. 1 послідовний порт.

80 З 51 FA — 8 розрядний MCS-51 сумісний микроконтроллер. 256 байт ОЗУ. 4 порту ввода/вывода. 3 программируемых 16-ти розрядних таймера. 1 послідовний порт.

80 З 31 — 8 розрядний MCS-51 сумісний микроконтроллер. 128 байт ОЗУ. 4 порту ввода/вывода. 2 программируемых 16-ти розрядних таймера. 1 послідовний порт.

80 З 32 — 8 розрядний MCS-51 сумісний микроконтроллер. 256 байт ОЗУ. 4 порту ввода/вывода. 3 программируемых 16-ти розрядних таймера. 1 послідовний порт.

87 З 51 FC — 8 розрядний MCS-51 сумісний микроконтроллер.

32Кбайт ПЗУ. 256 байт ОЗУ. 4 порту ввода/вывода. 3 программируемых 16-ти розрядних таймера. 1 послідовний порт.

Як основи процессорной частини приладу узяли микроконтроллер класу 80C51BH виробництва компанії Atmel — АТ89С51.

Докладні характеристики микроконтроллеров сімейства MCS-51 наведені у [16], а опис мікросхеми АТ89С51 — в [9].

Вибір елементної бази щодо вимірювальної части.

Призначенням вимірювальної частини приладу є вимірювання опору на чутливому елементі газового датчика, його перетворення на цифровий код і подальша передача цього коду в мікропроцесор в обробці. Опір датчика визначається по падіння напруги у ньому. Оскільки струм, протекающий через чутливий елемент датчика є величиною такого ж порядку, як і струми які відбуваються по вимірювальним ланцюгах сучасних аналого-цифрових перетворювачів, то тут для усунення спотворень від АЦП необхідно застосувати гальванічну розв’язку. У ролі такий розв’язки доцільно застосовувати операційний підсилювач з одиничним коефіцієнтом усиления.

При виборі мікросхеми АЦП основними критеріями відбору є такі Діапазон вимірюваних напруг 0−5 У. Точність вимірів буде не гірший 1% Сумісність сигналів з мікропроцесором. Зручність управління та обміну информацией.

При проектування приладу через нестачу вільних портів микроконтроллера було вирішено використовувати АЦП з послідовним інтерфейсом. Після докладного розгляду наявних комплектуючих коло вибору звузилося до двох виробів — мікросхем AD7893 і AD 7896. Остаточний вибір було зроблено користь останній, як більше доступной.

При виборі мікросхеми операційного підсилювача основним критерієм при виборі була лінійність всього вимірювального блоку. Проводилися випробування блоку з мікросхемами AD832, AD820, AD282. Кращий результат лінійності відповідає блоку з урахуванням AD820. Відповідна вольт-кодовая характеристика приведено в Додатку 8.

Вибір устрою відображення информации.

Для відображення результатів вимірів та службовою інформації необхідно застосування точечно-матричного індикатора. Нині існує 3 основних сімейства пристроїв відображення інформаціївакуумно — люмінесцентні, світлодіодні і жидкокристаллические.

Вакумнолюмінесцентні прилади вимагають відносно високих (порядку 30−50 У) напруг харчування і додаткових ланцюгів харчування змінного струму задля забезпечення прогріву катода. Застосування такого устрою відображення в даному приладі суттєво збільшив його складність і габариты.

Матричні світлодіодні устрою відображення виготовляються як відносно невеликих матриць (зазвичай 7×5 чи 8×8 елементів). Одного такого устрою достатньо відображення одного символу. Робота приладу необхідно одночасне відображення по, крайнього заходу, 12−15 символів. При складанні устрою відображення, задовольняючого таким вимогам з отбельных елементів по 1 символу постають певні технологічні труднощі, пов’язані розміщенням великої кількості електричних ланцюгів на платі устрою відображення информации.

Рідкокристалічні устрою відображення інформації позбавлені недоліків, властивих двом першим типам пристроїв відображення. Через це і завдяки малому енергоспоживанню вони мали найбільш широке поширення у сучасній технике.

Управління точечно-матричным пристроєм відображення організовано при допомоги вертикальних і горизонтальних електродів, на перетині яких розташовані окремі елементи відображення информации-точки. При подачі напруги однією з горизонтальний електродів (рядок зображення) на вертикальних електродах слід виставити рівні напруги, відповідні активності елементів зображення на даної рядку. При зняття напруги зі рядки ці рівні мали бути зацікавленими знято й знову виставлені при активізації наступній рядки. Потому, як по черзі будуть активовані все рядки зображення цикл відображення може бути повторений. При досить великий частоті активації рядків людське око сприймає зображення як неподвижное.

Для обслуговування устрою відображення необхідні суттєві витрати ресурсів приладу, або окремого блоку, покликаного забезпечити управління відображенням информацией.

У приладі як устрою відображення застосовується стандартний ЖК модуль з умонтованими схемами управління LM44780. Завдяки зручності інтерфейсу модуль вдалося включити у шину данных-адреса, що дозволило уникнути додаткової завантаження портів микроконтроллера.

Короткий письмо речей та основні характеристики устрою відображення інформації наведені у додатку 9.

Описание прибора.

Опис сенсора RS286−620.

Сенсор RS 286−620 виробництва RS-Components є тонкоплівковий напівпровідниковий датчик визначення забруднення повітря. Датчик складається з нагрівача і тонкопленочного чутливого елемента. Частинки домішок, які у навколишньому датчик повітрі, адсорбуються лежить на поверхні чутливого елемента. Чутливий елемент, що з напівпровідника, при адсорбції з його поверхні домішок набуває додаткові донорные чи акцепторные рівні в забороненої зоні. При подачі напруги на нагрівач датчика температура напівпровідника і кінетична енергія електронів у ньому зростає. При досягненні температурою певного критичної позначки частка електронів, спроможних перебороти заборонену зону між верхнім краєм валентної зони і енергетичним рівнем примеси-акцептора (або між донорным рівнем домішки і нижнім краєм зони провідності) ставати достатньої задля забезпечення помітного струму через чутливий елемент. При тривалому прогріві датчика молекули домішки випаровуються із поверхні чутливого елемента (відбувається самовідновлення датчика).

Фирмой-изготовителем пропонується визначати ступінь забруднення повітря, вимірюючи провідність датчика при постійному значенні температури чутливого елемента. Тоді може бути встановлене відповідність між загрязненностью повітря і провідністю датчика.

Різні вещества-загрязнители створюють примесные рівні в різному віддаленні кордону зони провідності. Для закидання електронів для цієї рівні необхідно по-різному нагріти напівпровідник. З іншого боку, кожне речовина характеризується певної залежністю адсорбції від температури поверхности.

Тому, за фіксованою температурі датчика за величиною струму через чутливий елемент, забруднений тим чи іншим речовиною, можна намагатися очікувати, який саме речовина адсорбировано лежить на поверхні датчика. Змінюючи температуру датчика у певному інтервалі, можна спробувати визначити хімічний склад газової суміші, оточуючої датчик. За більш низьких температурах провідність датчика буде обумовлена, переважно, домішками, з рівнями, які розміщені ближче до кордону забороненої зони. З зростанням температури свій внесок у сумарну провідність домішок, рівні яких стало понад віддалені від кордону зони провідності возрастает.

У процесі роботи над приладом проводилося вивчення характеристик газового датчика RS 286−620. Датчик має такі характеристики:

Максимальне напруга на нагревателе 5 В.

Максимальне напруга на сенсоре 5 В.

Максимальна рассеиваемая нагревателем потужність 0,8 Вт.

Максимальна температура нагрівача 300 оС.

Опір нагрівача при Т=20 оС.

29,5 Ом.

Опір нагрівача при Т=300 оС.

31,0 Ом.

Час прогріву датчика від Т=20 оС до Т=300 оС 60 сек.

Докладні характеристики, схема датчика, і залежності характеристик нагрівача від температури наведені у Додатку 7.

Физические основи роботи прибора.

У ізольованому атомі енергетичний спектр електронів дискретний. Заповнення енергетичних рівнів здійснюється за певних правил. Причому у s-состоянии може бути 2 електрона в p-6, в d-10, f-14 і g- 18 електронів. При освіті кристала внаслідок хімічного взаємодії валентные електрони сусідніх атомів усуспільнюються, і дискретні рівні розщеплюються в енергетичні зони, які можна заповненими чи вільними, залежно від заповнення відповідних атомних уровней.

У кристалах напівпровідників можна назвати 3 енергетичних зони: Валентну зону, повністю заповнену електронами. Заборонену зону — зону, де немає енергетичних рівнів (в чистому полупроводнике). Електрони перебувати у цієї зоні що неспроможні. Зону провідності, вільну носіїв заряда.

Якщо електрон з валентною зони порушується до зони провідності, то валентною зоні залишається його вакансія (дірка), при переміщенні якій із кристалу переноситься позитивного заряду. Отже заряд в кристалі може переноситися електронами, які у зоні провідності і дірками, які у валентною зоні. У ідеальному кристалі, у якому немає дефекти і сторонні домішки (такий напівпровідник називається власним), кількість вільних електронів, електронів у зоні провідності, (n) одно кількості дырок (p), одно деякою характеристичною величині, яка називається власної концентрацією (ni): n=p=ni.

Чим вже заборонена зона, тим більше у полупроводнике термічно порушених вільних носіїв заряду. Концентрації вільних електронів і дірок у власній полупроводнике залежить від температури по експонентному закону. n=Nc exp (-(Ec-F)/kT) p=Nv exp (-(F-Ev)/kT) np= Nv Nc exp (-(Ec-F)/kT) exp (-(F-Ev)/kT)= Nv Nc exp (-(Eg)/kT)=ni2.

Nc =2(2?mn kT/h2) 3/2 Ефективна щільність станів у зоні провідності .

Nv =2(2?mp kT/h2) 3/2 Ефективна щільність станів в валентною зоні .

Де F-энергия рівня Фермі, mn mp ефективні маси електрона і дірки соответственно.

Становище рівня Фермі знаходять з умови электронейтральности для власного напівпровідника тобто.: n=p. Звідки: F=½(Ec+Ev)+kT/2ln (mp/mn), тобто. при низьких температурах рівень Фермі лежить близько середини забороненої зони і на підвищення температури поступово зміщується до зони проводимости.

Наявність у кристалі домішок і дефектів призводить до появи в забороненої зоні енергетичних рівнів, становище яких залежить від типу домішки чи дефекту. Приміром, примесные атоми B (3 група періодичної таблиці елементів) в кристалі Si приймають електрони з валентною зони, що веде до утворення дірок й виникнення дырочной провідності (легований акцепторной домішкою матеріал набуває провідність «Р «типу). Атоми P (5 група) в кристалі Si віддають електрони до зони провідності, що зумовлює виникненню електронної провідності (легований донорной домішкою матеріал набуває провідність «N «типа).

При іонізації акцепторного атома, він захоплює електрон і заряджається негативно, причому у валентною зоні кристала з’являється вільна дірка. При низьких температурах більшість акцепторной домішки не ионизована і культурний рівень Фермі розташований між стелею валентної зони і акцепторным рівнем. При підвищенні температури число електронів, перехідних з валентної зони на акцепторный рівень зростає, відповідно зростає й концентрація дырок (область 1 на правої верхньої діаграмі). У цьому рівень Фермі наближається до акцепторному рівню (ліва діаграма). При деякою температурі вся домішка виявляється іонізованої і концентрація дірок (що виникли з допомогою акцепторів), перестає змінюватися (область 2 з діаграми). Це область виснаження акцепторной домішки (рівень Фермі у цій галузі вище акцепторного рівня). При подальшому збільшенні температури, настає момент, коли концентрація носіїв заряду, які виникають за порушенні електронів з валентної зони до зони провідності прибуває концентрації акцепторной домішки і залежність концентрації дірок від температури приймає той самий вид, як і у власній полупроводнике (ділянку 3), у своїй рівень Фермі перебуває поблизу середини забороненої зоны.

При іонізації донорного атома, він віддає електрон до зони провідності і заряджається позитивно. При низьких температурах більшість донорной домішки не ионизована і культурний рівень Фермі розташований між дном зони провідності і донорным рівнем. При підвищенні температури число електронів, перехідних з донорного рівня зону провідності зростає, відповідно зростає й концентрація вільних електронів (область 1 на правої верхньої діаграмі). У цьому рівень Фермі наближається до донорному рівню (ліва діаграма). При деякою температурі вся домішка виявляється іонізованої і концентрація електронів (що виникли з допомогою іонізації донорів), перестає змінюватися (область 2 з діаграми). Це область виснаження донорной домішки (рівень Фермі у цій області нижче донорного рівня). При подальшому збільшенні температури, настає момент, коли концентрація електронів, які виникають за їх порушенні з валентної зони в зону провідності прибуває концентрації донорной домішки і залежність концентрації електронів від температури приймає той самий вид, що у власному полупроводнике (ділянку 3), у своїй рівень Фермі розташовано неподалік середини забороненої зоны.

Газові датчики представляють з себе тонку (близько 80−100 мікрон) напівпровідникову плівку, розміщену лежить на поверхні нагрівального елемента. За відсутності зовнішнього забруднювача провідність сенсора мала і обумовлена рухом лише електронів, закинутих з валентною зони в зону провідності (власна провідність кристала). При адсорбції на поверхні плівки молекул домішки забороненої зоні напівпровідника утворюються додаткові примесные рівні. Вочевидь, що щільність станів такому рівні буде прямо пропорційний кількості домішки, осілої лежить на поверхні напівпровідникової плівки. Примесная провідність напівпровідника пропорційний кількості носіїв заряду, звільнених при іонізації домішки. Тому примесная провідність напівпровідника пропорційний кількості які осіли з його поверхні атомів домішки. Принцип дії вимірювачів забруднення повітря на напівпровідникових детекторах грунтується на вимірі примесной провідності датчика.

Кількість електронів, викинутих до зони провідності з рівня донорной домішки описується соотношением.

nd=Nd * (1+exp (-(Ed-F)/kT)) -1 (1).

Кількість електронів, захоплених акцепторной домішкою з валентної зони описується соотношением.

na=Na * (1+exp (-(F-Ea)/kT)) -1 (2).

У цих формулах Na і Nd Ефективні щільності станів атомів донорной і акцепторной домішок, а Ed і Ed їх енергетичні уровни.

З формул (1) і (2) видно, частка іонізованих атомів домішки залежить тільки від температури, а й від становища рівня домішки забороненої зоні. При фіксованою температурі іонізація домішки тим менше, чим ближче її енергетичний рівень до центра заперщенной зоны.

Далі розглядається завдання із малими концентраціями домішок. У ролі умови дрібниці концентрації висувається умова, що ефективні щільності станів кожної з домішок набагато меншою ефективних плотностей станів в валентною зони і зоні провідності. Далі розглядаємо завдання із малими концентраціями домішок. Кількість носіїв заряду у зоні провідності напівпровідника окреслюється сума носіїв заряду, іонізованих з кожного з донорних рівнів окремо. Таким образом.

nd=?Ndi * (1+exp (-(Edi-F)/kT)) -1.

(3).

Далі концентрації «дірок» в валентною зоні. Можна записати аналогічне соотношение.

na=?Nai * (1+exp (-(F-Eai)/kT)) -1.

(4).

При записи висловів (3) і (4) не враховано вплив перекидання носіїв заряду з валентною зони до зони провідності. Однак точно можна показати, що цей внесок набагато меншою вкладу від примесей.

Використовуючи визначення провідності речовини j=??, матимемо вираз, що пов’язує провідність напівпровідника з концентраціями носіїв заряду в нем.

?'e nd? d +e na? a.

(5).

Підставляючи в (5) висловлювання для nd і na отримуємо вираз для ?

?'e (?d ?Ndi * (1+exp (-(Edi-F)/kT)) -1+ ?a ?Nai * (1+exp (-(FEai)/kT)) -1).

?' (? e? d Ndi * (1+exp (-(Edi-F)/kT)) -1+? e? a Nai * (1+exp (-(FEai)/kT)) -1).

Обозначая.

?di 'e ?d Ndi * (1+exp (-(Edi-F)/kT)) -1.

?ai 'e ?a Nai * (1+exp (-(F-Eai)/kT)) -1.

Перетворимо вираз для? до виду.

?' ??di + ??ai (.

6).

У цьому вираженні величини? di і ?ai є проводимостями, обумовленими іонізацією i-ой донорной чи акцепторной домішки (далі ці величини називаються парциальными проводимостями). Отже сумарна провідність напівпровідника розраховується як сума парциальных проводимостей від транспортування кожної з примесей.

Залежність кількості адсорбированных молекул від температуры.

Вдаряючись про поверхню твердого тіла молекули газу адсорбуються. Час адсорбції чи перебування молекул в адсорбированном стані залежить від теплоти адсорбції і описується рівнянням Френкеля.

?a'?0 exp (Qa/RT) (7).

Де ?0 -мінімальне час перебування молекули в адсорбированном стані. По порядку величини ?0 відповідає значенням 10−13 з. Qa -теплота адсорбції, розрахована на міль газа.

Основні складового повітря мають теплоти адсорбції в різних поверхнях не більше від 10 до 20 кДж/кмоль. Час їхнього адсорбції при кімнатної температурі становить близько 10−10 с.

Для перебування залежності кількості адсорбированных молекул від температури скористаємося умовою сталості ступеня покриття (відносини площі адсорбированных молекул на площу поверхні адсорбирующего тела).

(8).

Условие адсорбционного рівноваги лежить на поверхні залежить від рівність швидкостей випаровування та конденсації молекул. Розмір aм кількість молекул, необхідне освіти монослоя лежить на поверхні твердого тела.

(9).

Де? ступінь покриття поверхні. З останнього рівняння следует.

?'?/? (10).

Розмір? окреслюється швидкість випаровування газу із поверхні, покритою мономолекулярным слоем.

?' aм/?a.

(11).

Значення? окреслюється кількість ударившихся про поверхню молекул, помножене на ймовірність поглинання молекули газу на поверхности.

(12).

Підставляючи (12) і (11) в (10) та враховуючи вираз для? a имеем.

(13).

Підставляючи в (13) вираз для n = P / (kT) отримуємо остаточне выражение.

(14).

Для визначення кількості домішкових носіїв заряду в напівпровідникової плівці, адсорбировавшей домішка необхідно підставити в (3) і (4) висловлювання для кількості атомів домішок, отримані з (14).

Припускаючи незалежність f від температури получаем.

Nd=? S0.

(15).

У цьому вираженні A (P, S0) незалежна від температури і властивостей напівпровідника константа. Na -стала Авогадро. З останнього висловлювання видно, що у кількість електронів у зоні провідності впливають два конкуруючих процесу — викид електронів до зони провідності, збільшуваний зі зростанням температури, і зменшення кількості домішкових рівнів зі зростанням температури. У додатку наведено графіки залежності (15) як функції температури щодо різноманітних значень параметра (Ed-F).

Принципы обробки сигналів сенсора Гипотеза лінійної аддитивности сигналов.

Вочевидь, чим більше концентрація молекул в навколишньому газі, тим більше число молекул, абсорбованих лежить на поверхні тонкопленочного чутливого елемента сенсора, тим більше зміна електропровідності. Зрозуміло, що з які становлять інтерес концентраціях домішок, ступінь покриття поверхні сенсора набагато меншою одиниці. У цих припущеннях зміна? електропровідності (чутливого елемента сенсора у разі в навколишньому сенсор газі домішок з концентрацією З) вважатимуться пов’язаними лінійно і аддитивно, тобто. думати, что.

? Ci? i = ?

(16) де підсумовування йде з видам домішок, ?і - відповідні коефіцієнти пропорційності. Коефіцієнти ?і залежить від температури, це зумовлює сумарну залежність від температури електропровідності чутливого елемента сенсора.

Співвідношення (16) висловлює зміст гіпотези лінійної аддитивности результуючої термограммы: передбачається, що що спостерігається залежність ?(Т) є сума «парциальных «проводимостей, кожна з яких відбиває внесок окремої домішки в навколишньому газі сумарну електропровідність чутливого елемента сенсора.

У межах цієї гіпотези завдання визначення «парциальной концентрації «домішок зводиться до вирішення зворотної завдання — добору таких значень Ci, які за відомих температурних залежностях коефіцієнтів ?i (Т) найкраще описують спостережувану термограмму ?(Т).

Найпростіший шлях розв’язання це завдання — розглядати співвідношення (16) за кількох температурах в розумінні системи лінійних рівнянь для невідомих Ci, якщо число точок по температурі вибрати рівним числу невідомих концентрацій, то система легко вирішується. Недолік цього методу очевидний — результат залежатиме від довільного вибору температурних крапок і, у сенсі, буде також довільний. Реально варто використовувати будь-які інтегральні методи, враховують поведінка термограммы ?(Т) по всьому представляє інтерес інтервалі зміни температури. Деякі з цих методів обговорюються ниже.

У основі обговорюваних нижче інтегральних методів лежать уявлення про еталонних термограммах — залежностях ?(Т), обумовлених лише одною виглядом домішок, єдиним чином нормованих. Будемо позначати ці термограммы через ?і. Спосіб нормировки може бути обраний із міркувань, нав’язуваних внутрішньої логікою використовуваного методу і пов’язані з вимогою нормировки на якимось чином задану одиничну концентрацію домішки. Останньому вимозі можна задовольнити запровадженням додаткових коефіцієнтів переходу між реальними і «внутрішніми «нормировочными коефіцієнтами. Питання нормировке еталонних термограмм тісно пов’язаний і з проблемою вибору аргументу функцій. До цього часу все функції представляли залежними від температури Т. Реально, проте, залежності? і ?? знімаються як функції часу початку прогріву сенсора. Для практичних цілей зручно саме цю величину приймати за аргумент функцій, причому після очевидного лінійного перетворення x=t/tmax можна отримати аргумент x, змінюваний в інтервалі [0 1]. Це буде передбачатись нижче. Функції ?i (х) будуть передбачатись нормированными у п’ятому класі L2 на единицу:

? ?i (х) ?j (х) dx' (?i (х) ?j (х)).

(17).

Під скалярним твором функцій усвідомимо выражение.

? ?i (xk) ?j (xk)= (?i (х) ?j (х)).

(18).

Де сума з всіх можливих значенням x в інтервалі [ 0 1].

Тоді имеея термограмму суміші ?смеси (х) можна записать.

?смеси (х)=? Ai? i (х) i=1.n (19).

Тут Ai коефіцієнти (концентрації еталонних домішок), підлягають визначенню. Домножая (19) на? j (х) і інтегруючи имеем.

? ?смеси (х) ?j (х) dx=? ?j (х)? Ai? i (х) dx.

(?смеси (х)?j (х))= ?? Ai? i (х)?j (х) dx.

(?смеси?j)=? Ai (??i (х)?j (х) dx).

(?смеси?j)=? Ai (?i?j) j=1.n (20).

Вислів (20) є систему лінійних рівнянь щодо шуканих чисел Ai. Коефіцієнти (?i?j) известны.

Особливості побудови алгоритму визначення концентраций.

Як засвідчили вище визначення концентрацій домішок у газовій суміші вирішити систему з n рівнянь (20). Проте, серед шуканих чисел Ai можуть здаватися й негативні числа, є рішеннями вихідної системи. Негативні рішення системи (20) фізичного сенсу, очевидно, немає. А, що запобігти появі негативних «концентрацій» програма інтерпретації результатів діє наступним образом:

Нехай Bj =(?смеси?j) Мij'(?i?j).

Тоді (20) можна переписати в виде.

Bj'? Ai Мij (20а).

Якщо після оголошення рішення системи (20а) деякі числа Ai виявилися негативними із системи вилучаються рядки — і стовпчики з відповідними номерами та інформаційний процес визначення концентрацій Ai повторюється і системи з меншої кількості уравнений.

Є кілька методів визначення концентрацій домішок по записів термограмм.

Якщо F (x)-исходная термограма, Fi (x)-эталонные термограммы, під скалярним твором функцій розуміється нормована сума творів цих функцій переважають у всіх точках диапазона.

(F G)= A? F (xj) G (xj).

Якщо Mij=(Fi Fj) Bi=(F Fi) Xi — концентрація i-го речовини, тоді шукані крнцентрации визначаються з системы.

MxX=B.

1).Решение систем уравней.

Маючи систему рівнянь MxX=B знаходимо рішення Х0, якщо серед отриманих рішень є негативні {Хj}, те з матриці М вилучаються рядки — і стовпчики з відповідними номерами й отримана система меншою розмірності вирішується вновь.

Цикл повторюється до того часу, поки що не отримано рішення, яка полягає тільки з позитивних елементів. Такий метод визначення концентрацій застосований в приладі на справжній момент.

Достоїнствами цього методу є: 1. Висока швидкість роботи 2. Простота алгоритму. 3. Бистре звуження кола речовин, присутність передбачається суміші 4. Незалежність стійкості роботи алгоритму від властивостей матриці M.

Недоліками цього методу є: 1. Можливість отримання «порожнього» рішенняякби якомуабо кроці всі виявляться негативними. 2. Неможливість повернення систему визначення концентрацій рядків і шпальт, вилучених на попередніх шагах.

2).Минимизация невязки.

Завдань ставиться в такий спосіб, що потрібно мінімізувати функцию.

?'?(F-? XiFi (xj))2 при додаткових обмеженнях Xi>0.

Аби вирішити це завдання може застосовуватися симплекс-метод, й інші методи математичного программирования.

Достоїнствами цього методу є: 1. Надійність отримання рішення. Завжди отримають певне рішення — в у крайньому випадку рішенням визнають початкова наближення. 2. Можливість повернення систему визначення концентрацій елементів, вилучених на попередніх шагах.

Недоліками цього методу є: 1. Залежність методу від властивостей матриці M. Коректна робота можливе тільки у разі позитивно певної матриці. 2. Невисока швидкість роботи, як через складність алгоритму, і завдяки велику кількість ітерацій 3. Можлива залежність остаточного результату від вибору початкового наближення рішення. (у разі, якщо в невязки зазвичай більше одного мінімуму в аналізованої області) 4. Складність алгоритму. 5. Визначення «сумарною концентрації невідомих речовин» — С=1/N для функції відгуку G (xj)=(F-? XiFi (xj)).

Під час розробки приладу перевірялася робота алгоритму визначення концентрацій. У додатку 6 наведено результати визначення концентрацій алгоритмами обох типів. Остаточний вибір було зроблено користь першого методу визначення концентрацій як через меншої кількості обмежень, що накладаються на вихідні дані, і через більшої логичности.

Соответствие між термограммами і парциальными проводимостями.

У процесі роботи приладу на нагрівач чутливого елемента подається періодична послідовність імпульсів напруги. Залежність напруги на нагревателе від часу показано на рис. 1. Після переходу напруги на нагревателе з низького рівня високий температура сенсора починає зростати. Процес зняття термограмм побудований в такий спосіб, що позитивний фронт напруги на нагревателе збігаються з моментом початку знімання термограммы. Опір сенсора вимірюється через рівні інтервали часу. Оскільки процеси прогріву сенсора і зняття термограммы протікають паралельно, то різним значенням температури сенсора відповідають різні точки термограммы. При однакових зовнішніх умов таке відповідність є однозначною. У процесі зняття термограммы вимірюються падіння напруги на сенсоре, якими потім визначається опір сенсора R. Схема процесу зняття термограммы показано на рис 2. Провідність сенсора окреслюється ?'1/ R. У вираз (16) входять «парциальные» провідності окремих домішок, до того ж час, зняття термограмм відбувається окремо для домішок, а газової суміші, що містить домішки. З гіпотези про лінійної аддитивности сигналів для отримання «парциальных» проводимостей необхідно з провідності середовища з домішками відняти провідність «чистої» газової суміші. Таким образом.

?i'1/ R i-1/ R0 (21).

Структурна схема й захопити основні елементи прибора.

Принципи роботи прибора.

У приладі використовувався напівпровідниковий сенсор RS286−620 виробництва RS-Components. За твердженням представників фірми чутливий елемент є тонкопленочную композицію з оксидів паладію, легованих речовинами, увеличивающими чутливість сенсора до органічним соединениям.

На нагрівач сенсора подається керовану процесором періодичне напруга. (форма напруги на нагревателе чутливого елемента представлена на мал.1.). Після переходу напруги на нагревателе з низького рівня високий температура сенсора починає зростати. .Нагріваючись під впливом напруги, сенсор змінює своє опір. Опір сенсора пов’язано як її температурою і з складом оточуючої сенсор газової суміші. Залежність опору сенсора від температури містить інформацію складу оточуючої сенсор газової суміші. Поруч із процесом прогріву сенсора відбувається процес виміру опору чутливого елемента. Процесор виробляє вимір опору сенсора через рівні інтервали часу. За такої побудові процесу знімання термограммы фактично знімається залежність опору сенсора немає від температури нагрівача, як від часу початку прогріву сенсора. Тож забезпечення повторюваності результатів вимірів необхідно забезпечити однакові початкові умови (температуру сенсора до початку прогріву, відсутність адсорбированных лежить на поверхні сенсора домішок тощо.). Для зменшення залежності результатів вимірів від зовнішніх умов чутливий елемент приладу працює безупинно, а чи не у процесі вимірів. Відразу після включення харчування приладу на нагрівач починають подаватися прямокутні імпульси з періодом 220 з. імпульси напруги подаються у перебігу всієї роботи приладу. Залежність опору сенсора від часу знімається під час прогріву сенсора однією з імпульсів напруги (перший імпульс вважається прогревочным й вимірювання у перших 220 з. роботи приладу не проводяться). Ця залежність знімається з допомогою АЦП й тепло зберігається в ОЗУ приладу. Після того, як зняття залежності завершено мікропроцесор виробляє обробку успіхів у відповідність до викладеним нижче алгоритмом. Як еталонних термограмм використовуються термограммы речовин з такими відомими концентраціями, зняті лабораторних умовах і прошиті у великих ємності. Задля більшої достовірності результатів необхідно, щоб еталонні термограммы було знято тому ж сенсоре. Еталонні термограммы представлені у вигляді показань АЦП під час проведення вимірів на еталонних речовинах, тому їх обробка в приладі нічим не відрізняється від обробки результатів измерений.

Измерительная частина прибора.

Вимірювальна частина складається з схеми управління нагревателем сенсора і АЦП для виміру сигналу з сенсора. Оскільки вхідний струм АЦП досить великий і безпосереднє підключення сенсора до входу АЦП викликає спотворення результатів необхідно застосування повторителя потреби ділити ланцюгів сенсора і АЦП. Як повторителя використовується операційний підсилювач. Основним вимогою до повторителю є високе вхідний опір. При розробці вимірювальної частини вчених у ролі мікросхем АЦП і підсилювача були обрані мікросхеми AD7896 і AD820 відповідно. При доборі елементної бази вимірювальної частини приладу проводилася перевірка лінійності роботи вимірювальної частини, що з АЦП AD7896 і різних типів ЗУ. Кращою лінійністю серед перевірених наборів має набір зі ЗУ AD820. АЦП підтримує послідовний протокол обміну даними, що дозволило скоротити розміри схеми і обмежити число интерфейсных сполук. Рівні вихідних сигналів цієї мікросхеми збігаються зі стандартними рівнями сигналів ТТЛ, що позбавляє від використання согласующих цепей.

Схема управління нагревателем мають забезпечувати достатній струм через нагрівач. Цей блок вимірювальної частини є 2-х каскадну ключову схему. Сигнал від мікропроцесора відкриває малопотужний транзистор VT2, а струм, протекающий нього, відкриває потужний транзистор VT3, управляючий нагревателем.

Інформаційний обмін вимірювальної частини й микроконтроллера відбувається наступним образом:

Микроконтроллер передає на схему управління нагревателем управляючий сигнал і включає нагрівач. Інформаційний обмін з АЦП, що роблять виміру зі зростанням температури нагрівача, відбувається після включення нагрівача. Відбувається зчитування інформації з АЦП. Формат зчитувальних даних відповідає формату даних мікросхеми AD7896.

Протоколи обслуговування інформаційного обміну сенсор-микроконтроллер.

Мікросхема AD7896 є швидкодіючий 12-ї розрядний АЦП. Сигнали управління передаються лініями CS («Початок перетворення») і CLK («тактовые імпульси»). При переході сигналу «Початок перетворення» з високого рівня низький АЦП починає перетворення вхідного сигналу. Час перетворення вбирається у 8 мікросекунд. Під час перетворення сигнал «Чекання» виставляється в високий рівень. Після закінчення перетворення АЦП готовий піти на передачі даних. Для прочитання біта даних на вхід «тактовые імпульси» подається низький логічний рівень, який слід утримати щонайменше 40 нс. Потім не вдома мікросхеми (Лінія SDO) з’являється біт даних. Для прочитання наступних рядків біта на вхід «тактовые імпульси» слід подати високий логічний рівень, що його має бути утриманий щонайменше 40 нс. Потім процедура повторюється. У такий спосіб той час, коли на вході «тактовые імпульси» присутній рівень логічного 1 не вдома виставлено відповідний біт даних. Детальна тимчасова діаграма представлена на рис. 3. [pic].

Рис. 3. Информационный обмін з АЦП.

Мікросхема видає описаним вище чином послідовністю 16 біт, проте перші 4 біта мають нульовий значення. Потім йдуть 12 значущих біт починаючи з старшего.

Докладно характеристики та описи режимів роботи АЦП наведені у [14] і [15].

Процесорна частина прибора.

Основу процессорной частини приладу становить микроконтроллер AT89C51 (D1). Шина даних мікропроцесора 8и бітна, коммутируемая тобто. адреса київська і дані передаються за однією шині. Для виділення молодшого байта адреси використовується регістр D2. Програма роботи приладу зберігатися в ПЗУ програм D5. Регістр D2 фіксує стан шини адрес-данные по переходу сигналу ALE із високого в низький логічний рівень. Зчитування з ПЗУ слова програми іде за рахунок переходу сигналу PSEN із високого в низький логічний рівень. Відсутність конфліктів на шині забезпечується затримкою сигналу PSEN стосовно сигналу ALE. Обмін із ОЗУ D6 відбувається повністю аналогічно, але читання відбувається за сигналу PSEN, а, по сигналу RD. Обмін із ОЗУ і ПЗУ відбувається тоді, коли сигнал А15 перебувати в низький рівень. Схематично процес обміну показаний на рис 4.

Для звернення до зовнішнім пристроям використовується дешифратор адреси D4. Дешифратор перевіряє стан шини A15 і якщо вона перебувати у високому логічному рівні, то адресу А12-А14 сприймається як адресу зовнішнього устрою. У цьому відповідний пристрій (дисплей, ПЗУ даних, регістр сторінок, і т.д.) дешифратор подає сигнал «Выбор».

Для зберігання еталонних термограмм застосовується ПЗУ великий ємності (512 Кбайт) D7. Адресне простір процесора дозволяє безпосередньо адресувати трохи більше 64 Кбайт зовнішньої пам’яті. З урахуванням особливостей побудови приладу цей ліміт знижується до 32 Кбайт. Отже необхідна страничная адресація ПЗУ даних. ПЗУ Даних розбите на 64 сторінки по 8 Кбайт кожна. Отже кожна сторінка містить одну еталонну термограмму. Для перемикання між сторінками використовується регістр сторінок D3. Для прочитання даних із ПЗУ даних необхідно проробити такі операції: 1. Виробити запис номери сторінки в регістр сторінок. 1. Виробити читання ПЗУ даних на встановленої в п 1 странице.

Для наступного читання даних із тієї ж сторінки повторного звернення до регістру сторінок не требуется.

Робота з вимірювальної частиною використовується порт 1 микроконтроллера. Весь необхідний протокол обміну реалізований программно.

Працюючи в автономному режимі для відображення результатів вимірів використовується рідкокристалічний дисплей HD44780 з умонтованими схемами управління. Наявність в дисплеї схем формування символів і управління можна було включити його у шину данихадреса.

Блок питания.

Як блоку харчування приладу використовується зовнішній джерело харчування напругою 9 В. Струм, який забезпечувався б джерелом становить 0,7 А. Напруга харчування, яке надходить в прилад фільтрується ланцюжком С5 С105 L4 С107 С106, стабілізується інтегральним стабілізатором D50. Напруга зі стабілізатора вступає у ланцюга харчування електронних компонент прибора.

Відсутність в приладі автономного блоку харчування (акумуляторів) пояснюється великим енергоспоживанням приладу, яке, своєю чергою, зумовлено великим струмом у подальшому ланцюгу нагрівача газового датчика.

Устройство відображення информации.

Для відображення результатів вимірів використовується матричний рідкокристалічний модуль сімейства LM44780. Пристрій відображення інформації дозволяє відображати цифрову і текстову інформацію, а як і деякі службові символи. У дослідному примірнику приладу встановлено модуль, дозволяє відображати 2 рядки інформації з 20 символів кожна. У інших примірниках приладу припускається використання інших модулів сімейства LM44780 без яких-небудь змін до схему, і алгоритмі роботи приладу. Рідкокристалічний модуль відображення інформації включає на свій склад схеми управління і знакогенератора, що позбавляє від виробничої необхідності витрачати ресурси микроконтроллера у користувальницького интерфейса.

Модуль складається з вхідного регістру, знакогенератора, чотирьох сдвиговых регістрів задля забезпечення динамічної індикації, і рідкокристалічного дисплея. Обмін інформацією між модулем зовнішніми пристроями відбувається у вигляді вхідного регістру. Робота модуля можлива як і режимі 8 битового інтерфейсу, і у режимі 4-х битового інтерфейсу. У приладі реалізований перший варіант цього устройства.

Модуль має такі вхідні сигналы.

. E-тактовые імпульси. При переході цього сигналу із високого логічного рівня низький відбувається виконання що надійшла команди чи захоплення данных.

. R/W-запись/чтение. Використовується для вказівки напрями обміну даними з модулем. Низький логічний рівень відповідає записи даних в модуль. Режим читання використовується визначення поточного стану модуля.

. RS-команда/данные. Стан цього сигналу визначає характер що надходить у модуль інформації. Високий рівень відповідає команді, низькийданим (код відображуваного символа).

. DB0… DB7-шина даних. Використовується обмінюватись даними з модулем.

Для записи інформацією ЖК-модуль необхідно виставити сигнал RS в стан, відповідне характеру обміну; сигнал R/W встановити низький логічний рівень, виставити на шині даних передану інформацію, змінити рівень сигналу Є з низького на високий і обратно.

Після завершення записи інформації модуль тимчасово блокується на її обробітку грунту і і не відповідає на зовнішні запити. Характерним ознакою такого становища є високий логічний рівень переважають у всіх розрядах шини даних. Після закінчення внутрішньої операції шина даних виставлятимуть в низький логічний уровень.

Фундаментальна обізнаність із модулем відображення інформацією має починатися зі спеціальної инициализирующей послідовності даних. Далі йдуть команди очищення індикатора, управління курсором, визначення довільних символів (якщо потрібно) і коди виведених символів. Докладно протоколи інформаційного обміну з ЖК модулями сімейства LM44780 описані у [6] і [10].

Результати випробувань приладу (термограммы деяких речовин і смесей).

Налаштування і калібрування анализатора.

Процес настройки приладу зводиться до налагодженні процессорной частини й програми роботи, а також щодо перевірці роботи вимірювального блоку. Підготовка вимірювальної частини на роботу залежить від перевірці напруг на нагревателе відчутно елемента, і перевірці тривалості інтервалів прогріву і охолодження сенсора. З іншого боку, необхідно проведення перевірки тривалості і рівномірності інтервалів між вимірами під час зняття термограммы.

Процес калібрування проводитися шляхом зняття термограмм еталонних сумішей на сенсоре, і потім буде встановлено у приладі. Еталонні термограммы знімаються сенсором, підключеним до ПЕОМ IBM PC і записуються в файл. У подальшому такі файли можна використовувати або для перевірки взаємозамінності сенсорів, або їхнього метрологічної перевірки. Вміст еталонних файлів зашивається у цих прибора.

При зміні типу сенсора необхідно визначити оптимальні для даного датчика длительностей прогріву і охолодження датчика. Як значення часу прогріву вибирається час повного прогріву датчика від температури +10оС до робочої температури. Як значення часу охолодження вибирається час остигання датчика від робочої температури до +10оС. У процесі визначення тривалості інтервалів прогріву і охолодження датчика на нагрівач датчика подається робоче напруга й вимірюється струм через нагрівач. Після подачі на нагрівач напруги, його температура починає зростати. Оскільки опір нагрівача зростає зі зростанням температури, то струм через нагрівач зменшується до деякого стаціонарного значення. Час з моменту подання напруги на нагрівач до струмом стаціонарного значення вважається часом прогріву датчика.

Для настройки датчика використовуються тарированные газові розчини парів різних речовин, у повітрі. Типові концентрації парів мають становити величини 10 — 1000 ppm.

Спочатку випробування датчика проводилися на 20 еталонних образцах.

|Воздух | |Пари води | |хлороформ | |чотирихлористий вуглець | |дихлоретан | |гексан | |Суміш горючих газів (РГД) | |Бензол | |Толуолу | |фенолу | |формальдегід | |ацетон | |спирт етиловий | |аміак | |чадний газ | |вуглекислий газ | |оцтова к-та | |метан | |сірководень | |озон |.

Для зазначених вище речовин було проведено вимірювання, і зняті залежності опору від температури (еталонні термограммы). За отриманими даним було побудовано таблиця кореляцій еталонів (матриця М у натуральному вираженні (20а)). Графіки еталонних термограмм і таблиця кореляцій наведені у додатку 11. (Сірим кольором в таблиці кореляцій виділено речовини, термограммы яких було закладено в ПЗУ прибора).

З таблиці кореляцій видно, що значення коефіцієнта кореляції для кількох пар речовин близько до одиниці. При визначенні складу газової суміші можливість, що замість одного речовини буде помилково виявлено інше визначається коефіцієнтом кореляції між термограммами цих веществ.

При виборі еталонних термограмм для прошивки в ПЗУ приладу крім коефіцієнта кореляції враховувалася відтворюваність термограмм для кожного з веществ.

Як речовин, використовуються при їх настроюванні датчика слід вибирати такі: Чистий, сухе повітря. Пари води. Чадний газ. Сірководень. Спирт этиловый.

Для перевірки працездатності приладу використовуються тарированные газові розчини парів комбінацій (подвійних і потрійних) тієї ж речовин, у повітрі. Нижче наведені найвдаліші результати, отримані при калибровке приладу. |Суміш |Свідчення приладу| |Пари води |Вода 7000 ppm | |Сірководень 500 ppm |Сірководень 492 | | |ppm | | |Хлор органіка 3 | | |ppm | |Водний розчин спирту |Вода 1200 ppm | |50% |Спирт 1600 ppm | |Сірководень + Пари води |Вода 309 ppm | | |Сірководень 270 | | |ppm | |Спирт + Аміак |Спирт 15 ppm | | |Аміак 1200 ppm |.

Результати, отримані щодо складу газової суміші з використанням всіх 19 еталонів наведені у додатку 6.

Алгоритм роботи прибора.

Алгоритм роботи приладу, реалізований в вміщеній в ПЗУ приладу програмі роботи приладу, і двох основних блоків — блоку зняття результатів вимірів і спільного блоку обробки результатів та засобами визначення концентрацій примесей.

Під час розробки програми роботи приладу багато уваги приділялося збереженню однакових умов зняття термограмм протягом усього часу роботи приладу. Задля більшої відтворюваності термограмм необхідно збереження постійної частоти зняття результатів вимірів з АЦП і циклів прогріву -охолодження датчика. У алгоритмі роботи приладу включеннявимикання нагрівача датчика і зняття показань АЦП відбуваються по перериванню від внутрішнього таймера мікропроцесора. Через суворо певні часові відтинки відбувається включення чи вимикання напруги на нагревателе і збереження даних із АЦП у зовнішній перемінної. Потому, як дані у цій перемінної були оновлено виставляється прапор «Нове вимір» .

Робота приладу починається з попереднього прогревочного циклу датчика. Під час зняття термограмм результати вимірів, отримані з АЦП, записуються в елементи масиву в ОЗУ приладу. Після записи чергового результату значення адреси в масиві зростає й скидається прапор «Нове измерение».

Потому, як запис успіхів у масив завершено управління передається блоку обробки результатів. Спочатку зняті дані, отримані з АЦП, перераховуються в провідність сенсора. Потім провідність сенсора і еталонні термограммы перераховуються в матрицю М і стовпець вільних членів В.

Отримана система рівнянь вирішується методом прогонки. Отримані рішення порівнюються з 0. Якщо всі рішення позитивні, то отримане рішення перераховується у концентрації домішок. Завдання полягає у цьому випадку вважається вирішеним. Якщо що з отриманих рішень негативні -з матриці М вилучаються відповідні рядки — і стовпчики та інформаційний процес визначення концентрацій повторюється. Процес триває до того часу, поки що не отримано позитивного рішення системи. Структура алгоритму роботи приладу зображено на рис. 5 Контрольний приклад визначення правильності роботи алгоритму перебування неотрицательных рішень приведено у додатку 4.

Заключение

.

Нині дуже актуальна проблема моніторингу оточуючої середовища. Для контролю стану довкілля та засобами визначення її відповідності санітарно-гігієнічним нормам необхідно всебічне вивчення її характеристик і кількісну оцінку цих характеристик.

Система екологічного моніторингу, розроблювана спеціалісти кафедри в час, варта одночасного виміру кількох параметрів довкілля — температура, вологість, тиск, електричні і магнітні поля, радіоактивні забруднення тощо. Для визначення придатності та безпеки приміщень перебування людини необхідно як і контролювати склад що у приміщенні газової суміші. Для оперативного визначення хімічного складу газової суміші призначений входить у систему як периферійного блоку газовий анализатор.

Ця робота присвячена розробці газового аналізатора системі екологічного моніторингу. Основним його відзнакою від приладів аналогічного призначення є використання кронштейна як чутливого елемента датчика забруднення повітря, призначеного задля визначення складу газової суміші, а визначення рівня її забруднення. Застосування такого датчика призвело до у себе необхідність виміру залежності опору датчика з його температури і методи обробки отриманої залежності виділення внеску до неї різних складових газової смеси.

Як математичного апарату застосовувався як засіб рішення систем рівнянь понижающейся розмірності, і методи лінійного програмування (зокрема симплекс-метод), що дозволило переконатися у коректності роботи першого алгоритму рішення задачи.

Працюючи показано розширення області застосування датчика забруднення повітря і шляхом створення приладу визначення складу газової суміші. Також створено прототип такого приладу, дозволяє визначити присутність у газової суміші низки примесей.

Использованная литература.

1.А.Б. Пєвцов, Н. А. Феоктистов. В. Г. Голубєв, Л.Є. Морозова, Провідність тонких нанокристалічних плівок кремнію. Та фізика і техніка напівпровідників, 1999, тому 33, № 1. internet 2. Аленберг В. Б., Бичукина Т.ЗВ., Кожитов Л. В. та інших .Тонкі плівки SnO2 (CuO) для газових сенсоров. Перспективные матеріали (1997), 2. 3. Киселев В. Ф., Крилов О. В. Адсорбционные процеси лежить на поверхні напівпровідників і діелектриків. Москва. Наука (1978). 4. Зимин Г. Б., Миколаїв Ю.О., Толмаев В. В. Квантова фізика напівпровідників. Видавництво МДТУ їм Баумана (1994). 5.Б. А. Акимов, А. В. Албул, А. М. Гаськов, В. Ю. Ильин, М. Лабо, М. Н. Румянцева, Л. И. Рябова Сенсорні властивості стосовно сірководню і ;електропровідність полікристалічних плівок SnO2 (CuO) Та фізика і техніка напівпровідників, 1997, тому 31, № 4. internet journals/ftp/1997/04/page-400.html.ru 6. Техническая документація на матричні рідкокристалічні модулі LM44780 HD44780 CONTROLLER APPLICATION NOTES. internet 7. Техническая документація на газові датчики. internet 8. Техническая документація на газові датчики. internet 9. Техническая документація на мікропроцесори і микроконтроллеры. internet 10. Техническая документація на протокол інформаційного обміну з матричними рідкокристалічними модулями сімейства LM44780. How to control HD44780- based Character-LCD internet 11.Э. Ю. Бучин, А. Л. Винке, А. В. Проказников, Н. Е. Мокроусов, Фізичні особливості формування пористого кремнію для газових сененсоров. Праці ЇМ РАН, р. Ярославль, 1992 р. 12.Дж.Блейкмор. Фізика твердого тіла. Москва. «СВІТ», 1988 г.

13.Физика вакууму. internet 14. Технічна документація на АЦП. Протоколи інформаційного обміну з АЦП. internet 15. Технічна документація на АЦП і операційні підсилювачі. internet 16. Техническая документація на мікропроцесори і микроконтроллеры сімейства MCS-51. internet developer/mcs51/.

Приложения.

Додаток 1. Структурна схема прибора.

Приложение 2. Принципова схема прибора Приложение 3. Принципи зберігання інформацією ПЗУ даних. Еталонні термограммы, прошиті в ПЗУ прибора.

Адресное простір микропроцессора.

0000Hex Покажчик початку таблиці розміщення. Довжина 1 байт. 0001Hex Довідкова інформація (дата записи ПЗУ і т.п.).

Назва речовини 1. Довжина записи 20 байт.

Довжина еталонною записи речовини в байтах. Довжина 2 байта.

Адреса еталонною запис у ПЗУ. Довжина 4 байта.

Назва речовини 2. Довжина записи 20 байт.

Розміщення даних в ПЗУ данных.

Эталонные запис у ПЗУ прибора.

В зараз у ПЗУ даних приладу як контрольного прикладу зашиті термограммы наступних веществ.

1. Чистий воздух.

1. Пари воды.

1. Вуглекислий газ.

1. Сероводород.

1. Спирт этиловый.

[pic].

Приложение 4. Контрольний приклад й визначення точності алгоритму обробки данных.

В ролі контрольного прикладу проводилася перевірка алгоритму на системі 8×8 M*X=B 1 крок — Вихідна 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 крок | | | | | | | | | | |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 крок | | | | | | | | |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 крок — Остаточний результат | | | | | | | |1 |6 | |10 | |M= |9 |3 |B= |14 | | | | | | | |Х= |1,05|1,49| | | | |9 |0 | | |.

Приложение 5. Результати вимірів забруднення воздуха.

Під час розробки приладу проводилися проміжні контрольні виміру. Наведені нижче дані є необроблені (не нормовані кількості вимірів) результати вимірів сумарною забруднення воздуха.

У цій частині як сумарною забруднення бралася величина.

M1=?(?г-?0)2.

У цій формулі ?р -провідність сенсора у газовій суміші, ?0 -провідність сенсора в еталонною газової суміші (чисте повітря). Сума з всім точкам термограммы.

Виміри спочатку проводились замкнутому просторі із чистим повітрям, потім у повітрі у приміщенні лабораторії, потім у новина у замкненому обсязі з додатком парів спирту (10ppm). Другий слабкий пік на графіці відповідає додаванню ще 10ppm парів сприта.

Нижній графік є спробу врахувати разнличия між еталонним повітрям і «чистим» повітрям до лабораторій. (З верхнього графіка віднята «фоновя» провідність, обумовлена повітрям до лабораторій. У ролі «чистого» повітря взятий результат вимірів, найменш що б від эталонного.).

|Серия |Сума по|Где |Рознос| | |150 | |ть з | | |точкам | |тлом | | |за 50 | | | | |сік | | | |1 |132 925 |Замкнуте обсяг |7201 | |Серія | | | | | |129 303 |Замкнуте обсяг |3579 | |2 |128 038 |Замкнуте обсяг |2314 | |Серія | | | | | |127 356 |Замкнуте обсяг |1632 | |3 |126 468 |Замкнуте обсяг |744 | |Серія | | | | | |125 979 |Замкнуте обсяг |255 | |4 |125 724 |Замкнуте обсяг |0 | |Серія | | | | | |126 081 |Замкнуте обсяг |357 | |5 |148 656 |зовні |22 932 | |Серія | | | | | |152 352 |зовні |26 628 | |6 |152 472 |зовні |26 748 | |Серія | | | | | |168 452 |зовні |42 728 | |7Серия|162 484 |зовні |36 760 | | |161 306 |зовні |35 582 | |8 |155 528 |Замкнуте обсяг |29 804 | |Серія | | | | | |151 928 |Замкнуте обсяг |26 204 | |9 |150 372 |Замкнуте обсяг |24 648 | |Серія | | | | | |149 073 |Замкнуте обсяг |23 349 | |10 |148 267 |Замкнуте обсяг |22 543 | |Серія | | | | | |146 876 |Замкнуте обсяг |21 152 | |11 |145 682 |Замкнуте обсяг |19 958 | |Серія | | | | | |144 619 |Замкнуте обсяг |18 895 | |12 |146 374 |Додано спирт |20 650 | |Серія | | | | | |147 044 |Додано спирт |21 320 | |13 |146 699 |Додано спирт |20 975 | |Серія | | | | | |145 677 |Додано спирт |19 953 | |14 |143 998 |Додано спирт |18 274 | |Серія | | | | | |143 611 |Додано спирт |17 887 | |15 |143 453 |Додано спирт |17 729 | |Серія | | | | | |143 392 |Додано спирт |17 668 |.

Приложение 6. Результати визначення хімічного складу газової смеси.

Для визначення складу газової суміші вироблялося вимір залежності опору датчика з його температури. Потім отримана в такий спосіб термограма розкладалася по базису з 19 еталонних термограмм. Для розкладання по еталонним термограммам застосовувалися це й метод рішення системи рівнянь і симплекс метод для мінімізації невязки. У таблиці наведено результати, отримані обома способами.

Концентрації в таблиці - в відносних одиницях. Для отримання істинних концентрацій тієї чи іншої речовини необхідно множити зазначені в таблиці числа на нормировочные коефіцієнти для відповідного вещества.

Після попередніх випробувань методики праці та алгоритмів визначення концентрацій з 19 еталонів відібрали 4, які мають мінімальними коефіцієнтами кореляції з іншими і хорошою повторюваністю термограмм, задля її подальшого використання їх у приборе.

Нижче наведені результати визначення складу газових смесей.

|Файл |Пар|хло|чет|дих|гек|СГГ|бен|тол|фен|фор|аце|спи|амм|уга|угл|укс|мет|сер|озо| | |и |роф|ыре|лор|сан| |зол|уол|ол |мал|тон|рт |иак|рны|еки|усн|ан |ово|н | | |вод|орм|ххл|эта| | | | | |ьде| |ці| |і |слы|ая | |дор| | | |и | |ори|н | | | | | |гід| |вилов| |газ|й |к-т| |од | | | | | |сты| | | | | | | | |ый | | |газ|а | | | | | | | |і | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |угл| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |еро| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |буд | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |Результа| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |т, | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |найденны| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |і при | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |допомоги | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |симплекс| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |-методу.| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |0,9| |0,0| | | |0,0| |0,0| | | |0,0| |0,0| | |0,1| | | | | |15 | | | |06 | |02 | | | |12 | |18 | | |55 | | |Результа| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |т, | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |найденны| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |і при | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |допомоги | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |симплекс| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |-методу.| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |і при | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |допомоги | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |симплекс| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |-методу.| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |і при | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |допомоги | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |симплекс| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |-методу.| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |і при | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |допомоги | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |симплекс| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |-методу.| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |0,0|0,1| | | | | |0,0| |0,0| | |0,0| |0,0| |0,1| | | | |18 |26 | | | | | |69 | |8 | | |08 | |26 | |36 | | |Результа| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |т, | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |найденны| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |і при | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |допомоги | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |симплекс| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |-методу.| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |і при | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |допомоги | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |симплекс| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |-методу.| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |0,4| | |0,3| | | | | | | | | | | | | | | | | |82 | | |13 | | | | | | | | |Результа| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |т, | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |найденны| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |і при | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |допомоги | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |симплекс| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |-методу.| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |0,3| | | | |0,0| | | | | | | | | | | | | | | |06 | | | | |05 | | | | | | | | | | | | | | | |0,1| | |0,0| | |0,0| | | | | | | | | | | | | | |81 | | |02 | | |1 | | | | | |Результа| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |т, | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |найденны| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |і при | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |допомоги | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |симплекс| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |-методу.| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |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, | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |найденны| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |і при | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |допомоги | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |симплекс| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |-методу.| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |0,0| | |0,1| | | | | | |0,0| |0,0| | | | | | | | |58 | | |99 | | | | | | |92 | |76 | | | |.

риложение 7. Опис і характеристики газового датчика RS 286−620.

Характеристики датчика Максимальне напруга на нагревателе 5 У Максимальне напруга на сенсоре 5 У Максимальна рассеиваемая нагревателем потужність 0,8 Вт Максимальна температура нагрівача 300 оС Опір нагрівача при Т=20 оС 29,5 Ом Опір нагрівача при Т=300 оС 31,0 Ом Час прогріву датчика від Т=20 оС до Т=300 оС 60 сек.

.

[pic].

Додаток 8. Вольт-кодовая характеристика вимірювального блоку з урахуванням ЗУ AD820 .

[pic].

Приложение 9. Опис і характеристики устрою відображення информации.

Точечно-матричный рідкокристалічний індикатор сімейства LM44780 основні характеристики.

Тип індикатора пасивний, матричный.

Кількість відображуваних символов/строк 20/2.

Розміри знакоместа одного символу 5×7.

Схема управління і регенерації встроенная.

Управління 3-х разрядная линия.

Кількість генерируемых символів 208.

Приложение 10. Розрахункові графіки залежності кількості носіїв заряду від температури напівпровідникової пленки.

Нижче наведено графік зависимости График побудований для Qa =15 кДж / кмоль; ?0 = 1 з; Значення параметра E= FEd лежать у діапазоні від 1.5*10−3 до 5*10−3.

Додаток 11. Еталонні термограммы і таблиця взаємних кореляцій для деяких веществ.

Для настройки датчика використовуються тарированные газові розчини парів різних речовин, у повітрі. Спочатку випробування датчика проводилися на 20 еталонних зразках. |Повітря | |пари води | |хлороформ | |чотирихлористий вуглець | |дихлоретан | |гексан | |РГД | |Бензол | |Толуолу | |Фенолу | |Формальдегід | |Ацетон | |спирт етиловий | |аміак | |чадний газ | |вуглекислий газ | |оцтова к-та | |метан | |сірководень | |озон |.

|пары |1,0| | | | | | | | | | | | | | | | | | | |води |0 | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |Хлороф|0,8|1,0| | | | | | | | | | | | | | | | | | |орз |8 |0 | | | | | | | | | | | | | | | | | | |Четыре|0,7|0,9|1,0| | | | | | | | | | | | | | | | | |ххлори|7 |1 |0 | | | | | | | | | | | | | | | | | |стый | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |углеро| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |буд | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |Дихлор|0,8|0,8|0,9|1,0| | | | | | | | | | | | | | | | |етан |5 |6 |4 |0 | | | | | | | | | | | | | | | | |гексан|0,9|0,9|0,7|0,8|1,0| | | | | | | | | | | | | | | | |9 |0 |6 |2 |0 | | | | | | | | | | | | | | | |РГД |0,9|0,6|0,4|0,6|0,9|1,0| | | | | | | | | | | | | | | |1 |7 |9 |8 |1 |0 | | | | | | | | | | | | | | |бензол|0,9|0,9|0,8|0,8|0,9|0,8|1,0| | | | | | | | | | | | | | |7 |3 |6 |8 |8 |3 |0 | | | | | | | | | | | | | |толуол|0,9|0,9|0,9|0,9|0,9|0,8|0,9|1,0| | | | | | | | | | | | | |4 |3 |1 |5 |5 |1 |8 |0 | | | | | | | | | | | | |фенолу |0,9|0,8|0,6|0,7|0,9|0,8|0,9|0,8|1,0| | | | | | | | | | | | |4 |7 |7 |0 |7 |7 |4 |7 |0 | | | | | | | | | | | |Формал|0,9|0,8|0,6|0,7|0,9|0,9|0,9|0,8|0,9|1,0| | | | | | | | | | |ьдегид|5 |0 |0 |2 |6 |7 |0 |7 |2 |0 | | | | | | | | | | |ацетон|0,8|0,9|0,8|0,8|0,9|0,7|0,9|0,9|0,8|0,8|1,0| | | | | | | | | | |8 |7 |2 |0 |1 |3 |2 |1 |9 |6 |0 | | | | | | | | |.

спирт етиловий |0,70 |0,43 |0,18 |0,38 |0,71 |0,91 |0,60 |0,56 |0,70 |0,86.

|0,56 |1,00 | | | | | | | | |аміак |-0,73 |-0,82 |-0,59 |-0,50 |-0,79 |- 0,59 |-0,79 |-0,69 |-0,90 |-0,70 |-0,83 |-0,43 |1,00 | | | | | | | |Вуглекислий газ |-0,72 |-0,84 |-0,59 |-0,46 |-0,76 |-0,54 |-0,75 |-0,65 |- 0,85 |-0,68 |-0,84 |-0,40 |0,93 |1,00 | | | | | | |чадний газ |0,90 |0,64.

|0,45 |0,62 |0,90 |0,99 |0,82 |0,77 |0,87 |0,96 |0,70 |0,91 |-0,61 |-0,56.

|1,00 | | | | | |оцтова к-та |0,67 |0,89 |0,95 |0,87 |0,67 |0,42 |0,77.

|0,84 |0,58 |0,55 |0,83 |0,18 |-0,52 |-0,58 |0,35 |1,00 | | | | |метан |0,96 |0,93 |0,77 |0,78 |0,98 |0,84 |0,97 |0,92 |0,99 |0,92 |0,94 |0,64 |;

0,88 |-0,86 |0,84 |0,68 |1,00 | | | |Сірководень |0,84 |0,98 |0,85 |0,76.

|0,88 |0,62 |0,91 |0,87 |0,89 |0,76 |0,96 |0,39 |-0,90 |-0,91 |0,61 |0,82 |0,94 |1,00 | | |озон |0,90 |0,97 |0,79 |0,76 |0,93 |0,74 |0,93 |0,89 |0,93 |0,87 |0,99 |0,55 |-0,88 |-0,90 |0,72 |0,77 |0,96 |0,97 |1,00 | |.

———————————;

110 с.

110 с Рис 1. Напруга на нагревателе.

R.

t.

Рис 2. Зняття термограмм.

SDO.

Старший Адрес Данные.

Молодший Адрес.

Port 2.

Port 0.

PSEN.

ALE.

TXD.

RXD.

D50.

+9V.

+VCC.

O.

I.

GND.

SW1.

L4.

C106.

C105.

C5.

C105.

C33.

D16.

+vcc.

+vcc.

C20.

C19.

C32.

C22.

R54.

R5.

C107.

C5.

L 4.

+VCC.

Устройство Відображення Информации.

C20.

Блок питания.

RS232.

+VCC.

D7.

R67.

D6.

R66.

D5.

R65.

D4.

R640.

D3.

R630.

D2.

R62.

D1.

R610.

R60.

D0.

R60.

ER.

&.

P3.

P2.

P1.

P0.

D8.

D11.

VT1.

R5.

R4.

R34.

VT3.

VT2.

R64.

R2.

R1.

+VCC.

+VCC.

+VCC.

RS.

VD61.

R41.

C431.

C42.

C41.

ZQ1.

SDO CLK CS.

ПЗУ программ.

0000 hex.

7FFF hex.

ОЗУ.

0000 hex.

7FFF hex.

9FFF hex.

BFFF hex.

CFFF hex.

EFFF hex.

FFFF hex.

ПЗУ Данных Индикатор Регистр страниц Резерв Резерв Страничная Організація ПЗУ даних 64 сторінки по 8Кбайт каждая Название вещества2.

Запись1.

Адреса зап. Hi.

Адреса зап.

Адреса зап. Lo.

Довжина зап. Hi.

Довжина зап. Lo.

Довідкова информация Название вещества1.

[pic].

Зона проводимости Валентная зона.

Ea.

E+.

E g.

Розташування домішкових рівнів забороненої зоні напівпровідника. Віддаленість домішкових рівнів від «дна» зони провідності E + і південь від «стелі» валентною зони Ea становить приблизно 10−2 еВ. Ширина забороненої зони Eg становить приблизно еВ. Середня кінетична енергія електронів при Т=293оС відповідає 2.5* 10−2 эВ.

Vin.

U2.

D3.

D7.

D6.

D4.

D5.

D2.

D1.

DC.

P0 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7.

&.

WR LCD.

LCD.

R/W З RS.

A0/D0 A1/D1 A2/D2 A3/D3 A4/D4 A5/D5 A6/D6 A7???/D7.

A11.

D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7.

&.

WR RG.

RG_P.

OE C.

D0.

D1.

D2.

D3.

D4.

D5.

D6.

D7.

A16 A17 A18 A19 A20 A21 A22 A237.

A0/D0 A1/D1 A2/D2 A3/D3 A4/D4 A5/D5 A6/D6 A7/D7.

D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7.

WRRD.

&.

E0 E1 E2.

D0.

D1.

D2.

D3.

D4.

D5.

D6.

D7.

RTC.

LCD.

RG.

DROM.

A12 A13 A14 A15.

A0 A1 A2.

ROM.

A15 DROM.

OE CS.

A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7.

D0.

D1.

D2.

D3.

D4.

D5.

D6.

D7.

D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7.

A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 A16 A17 A18 A19 A20 A21 A22.

A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 A15 A16 A17 A18 NC NC NC.

RAM.

A15 RD.

A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7.

D0.

D1.

D2.

D3.

D4.

D5.

D6.

D7.

D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7.

A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 WR.

A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14.

R/W OE CS.

RG_A.

ROM.

A15 PSEN.

A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7.

D0.

D1.

D2.

D3.

D4.

D5.

D6.

D7.

D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7.

A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14.

A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14.

OE CS.

CPU.

AT89C512.

OE ALE.

D0.

D1.

D2.

D3.

D4.

D5.

D6.

D7.

A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7.

A0/D0 A1/D1 A2/D2 A3/D3 A4/D4 A5/D5 A6/D6 A7/D7.

D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7.

+5.

RXD TXD INT0 INT1 _.

WR RD.

P3.0.

P3.1.

P3.2.

P3.3.

P3.4.

P3.5.

P3.6.

P3.7.

A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 A15.

P2.0.

P2.1.

P2.2.

P2.3.

P2.4.

P2.5.

P2.6.

P2.7.

A0/D0 A1/D1 A2/D2 A3/D3 A4/D4 A5/D5 A6/D6 A7/D7.

P0.0.

P0.1.

P0.2.

P0.3.

P0.4.

P0.5.

P0.6.

P0.7.

XTAL1.

XTAL2.

RST.

EA.

PSEN ALE.

P1.0.

P1.1.

P1.2.

P1.3.

P1.4.

P1.5.

P1.6.

P1.7.

Дешифратор Адреси Периферійних Устройств Измерительный блок Интерфейс RS-232.

Регистр сторінок ПЗУ.

Регістр Шини Данных ПЗУ Данных ОЗУ ПЗУ программ Микроконтроллер

Структурна схема рідкокристалічного модуля сімейства LM44780.

Схема обміну з модулем LM44780.

[pic].

C106.

C33.

C19.

C32.

+VCC.

+VCC.

C22.

R54.

R55.

O0.

O1.

D0.

Q0.

I0.

V+.

V;

Старт.

Нагреватель.

Включений ?

ДА ДА.

Нагреватель.

Виключений ?

НЕТ.

Прапор «НовоеИзмерение» установлен НЕТ.

Нагреватель.

Включений ?

Записать результат в масив Скинути прапор «Нове измерение».

НЕТ.

Останнє измерение?

Вычислить провідності. Знайти матрицю M і стовпець В Решить систему Mij*Xi=Вj.

НЕТ.

Усі Xi >0.

Изъять рядки — і стовпчики, відповідні негативним Xi.

Конец.

Структурна схема рідкокристалічного модуля сімейства LM44780.

Див. Мал.5. Алгоритм роботи прибора Рис. 4. Обмін даними по шині Адрес-Данные.

?'.

n 8kT 4? m.

?'f.

aм=?-? ?

d? d t.

=0.

d? d t.

f n 2kT ?0 exp (Qa/RT) aм? m.

f Р 2 ?0 exp (Qa/RT) aм? m k T.

?'.

nd’A (P, S0).

2 ?0 exp (Qa/RT)? k T (1+exp (;

(Ed-F)/kT)).

[pic].

[pic].

2 ?0 exp (Qa/NakT)? k T (1+exp (;

(Ed-F)/kT)).

nd'.

[pic].

В діапазоні 100−700 оК В діапазоні 290−630 оК.

[pic].

Графіки термограмм для речовин, із якими проводилися измерения Таблица кореляцій термограмм. Сірим відзначені еталони, закладені у ПЗУ прибора.

2 ?0 exp (Qa/Na*1/kT)? k T (1+exp (;

(Ed-F)/kT)).

nd’A (P, S0).

Рис. 5. Алгоритм роботи прибора.