Chemicko-odporové senzory poskytují spolehlivé výsledky i v drsných podmínkách v cenově přijatelné hladině. Základem senzoru je speciální materiál obsahující oxid kovu. Druh oxidu kovu ja dán typem senzoru dle druhu detekovaného plynu. Koncentrace molekul ve vzdušném plynu vede ke změně odporu snímače, která může dosáhnout několika řádů. Vztah mezi odporem snímače (RS) a koncentrací plynu C je vyjádřen jednoduchou rovnicí, která obsahuje pouze dvě další konstanty: A a α.
RS = A * C-α [rovnice 1]
Rovnici lze vyjádřit také v následujíc podobě:
log (RS) = log (A) - α * log (C) [rovnice 2]
Rovnice 2 znázorňuje lineární vztah mezi logaritmickou koncentrací plynu (C) a logaritmickým odporem senzoru(Rs). Z praktického hlediska nám rovnice říká, že senzory vykazují velké změny odporu při nízkých koncentracích detekovaného plynu a zároveň mnohem pomalejší změny při koncentracích vysokých (viz. obrázek 1).
Obrázek 1: Chemickoo-odporový snímač vodíku SGAS701 od společnosti IDT vykazuje lineární závislost mezi logaritmem odporu a logaritmické hodnoty koncentrace plynu (Zdroj obrázku: Integrated Device Technology)
Chemicko-odporové snímače od firmy IDT umožňují přesné měření koncentrace následujích plynů:
- Vodík - pomocí senzoru IDT SGAS701.
- Prchavé organické sloučeniny (VOC), včetně formaldehydu, toluenu, acetonu nebo alkoholů - pomocí senzoru SGAS707.
- Hořlavé plyny, včetně uhlovodíků, metanu, propanu, zemního plynu - pomocí senzoru SGAS711.
Pro dosažení přesných výsledků je nutné měření provádět za optimální teploty. Proto senzor společnosti IDT má v sobě integrován kromě samotného snímacího elementu také přídavný topný prvek pro dosažení optimální teploty měření. Senzory jsou převážně vyráběny v pouzdru , které má vyvedeny 4 piny. Dva piny pro měření odporu senzoru a zbylé dva pro ohřev topného tělesa.
Možnosti zapojení senzoru
Správné buzení je základem pro přesné měření odporu senzoru (Rs). Existuje hned několik řešení, které můžeme použít.
- Umístění senzoru do jednoduchého děliče napětí
- Napájení senzoru zdrojem konstantním napětí
- Napájení senzoru zdrojem konstantního proudu
Vhodnost metody závisí na nárocích konkrétní aplikace. Vždy se jedná o kompromis mezi kvalitou měření a jednoduchosti zapojení. Nejméně náročným řešením je umístění senzoru do děliče napětí(viz. obrázku 2).
Toto zapojení má své limity, které v některých aplikacích mohou být kritické, a tak tato metoda pro ně nemusí být vhodná.
Obrázek 2. Implementace pomocí děliče napětí je nejjednodušší zapojení senzoru. (Zdroj obrázku: : Integrated Device Technology)
V děliči napětí nemůže měřený výstup VOUT nikdy dosáhnout hodnoty vstupního napětí Vbias.(Napětí Vc na obrázku 2). Což je patrné z rovnice 3. Zapojení limituje měřené napětí VOUT na hodnotu definovanou rovnicí:
VOUT = Vbias * (RFIXED / (RFIXED + RS)) [Rovnice 3]
Hodnotu odporu RFIXED lze nastavit tak, abychom dosáhli optimálního rozpětí měřeného napětí. Vout(air) je hodnota napětí bez koncentrace, Vout(full-scalle) je hodnota napětí při 1000 ppm.
Obrázek 3: Napěťové hodnoty při různých hodnotách odporu RFIXED s použitím vstupního napájení 3,3 V. (Zdroj obrázku: Integrated Device Technology)
Další omezení vyplývá z nelinearity této metody. Rovnici 3 můžeme rozepsat s pomocí rovnice 1 na následující tvar:
log (VOUT / Vbias) = log (RFIXED) - log (RFIXED + A * C-α) [rovnice 4]
Z rovnice vyplývá, že při nízkých koncentracích plynu, kde RS znamená A * C-α, převládá rezistor RFIXED. Malá změna koncentrace plynu vyvolá velkou změnu odporu (měřeného napětí). Kdežto při vyšších koncentracích se lineární vztah obou veličin ztrácí a odezvy na změnu koncentraci plynu se zmenšují. Vše je patrné z obrázku 4.
Obrázek 4: Vzájemná závislost odezvy senzoru na koncentraci plynu při použití metody děliče napětí (Zdroj obrázku: Integrated Device Technology)
Bohužel, vývojáři mají jen málo možností, jak tento problém s nelinearitou vyřešit. Proto je tato metoda vhodná pro aplikace zaměřené spíše na detekci plynu než na přesná kvantitativní měření.
Vylepšení přesnosti
Použitím zdrojů konstantního napětí nebo konstantního proudu pro buzení snímače lze eliminovat nelinearitu rezistoru RFIXED. To však znamená složitější zapojení, a větší nároky na celý měřící systém. Zdroj konstantního napětí lze realizovat operačními zesilovači zapojených se zpětnými vazbami (viz obrázek 5).
Výstupní napětí má lineární závislost na odporu RSENSOR. Tato závislost je definována následující rovnicí:
VOUT = 2 * VBIAS * (RGAIN / RSENSOR) [Rovnice 5]
Obr. 5: Zapojení senzoru se zdrojem konstantního napětí s kompenzací a zesílením (Zdroj obrázku: Integrated Device Technology)
Při buzení konstantním proudem je výstupní napětí VOUT přímo závislé na protékajícím proudu rezistorem RSENSOR. Z toho plyne, že odezva senzoru je přímo úměrná koncentraci plynu. Výsledkem je zcela lineární vztah mezi logaritmickou koncentrací plynu a logaritmickou odezvou snímače v celém provozním rozsahu. Tyto výhody přicházejí za cenu vyšší složitosti zapojení ve srovnání s metodou buzení konstantním napětím.
U metody konstantním proudem operační zesilovače regulují tranzistory MOSFET, které generují požadovanou úroveň budicího proudu. I při složitějším zapojení však obvody s konstantním proudem poskytují výhodu v systémech založených s procesorem.
Nastavení optimální teploty
Bez ohledu na zvolenou metodu buzení, musí být materiál s oxidem kovu ohříván na definovanou teplotu pro dosažení optimálních výsledků. Pro různé typy senzorů IDT jsou definovány různé teploty. 150°C pro senzor SGAS707 VOC, 240°C pro vodíkový snímač SGAS701 a 300°C pro senzor hořlavého plynu SGAS711. Ohřev je řešen odporovým prvkem buzený zdrojem konstantního napětí nebo proudu, čímž ho udržuje na požadované teplotě. Je důležité zajistit, aby obvod topného tělesa neovlivňoval citlivost snímače.
Pro zdroje konstantního napětí lze zvolit tradiční lineární regulátor napětí, který je schopen splnit požadavky na napětí a výkon. Vhodným řešením může být známý obvod LM317 od Texas Instruments. Je schopen dodat specifickou hodnotu napětí, která se liší podle typu snímače. 3,5 V pro SGAS707, 5,4 V pro SGAS701 a 7,0 V pro SGAS711. Požadovanou hodnoto napětí VHEATER lze nastavit pomocí hodnoty rezistoru R2.
Obr. 6: Zapojení LM317 jako konstantní zdroj napětí pro topné těleso uvnitř IDT senzoru (Zdroj obrázku: Integrated Device Technology)
Obrovská výhoda tohoto řešení je jeho jednoduchost, avšak musí se počítat s nepřesností měření vlivem kolísání okolní teploty nebo různými změnami uvnitř v obvodu. Hodnoty napětí uvedené v předchozím odstavci jsou definované pro teplotu 0°C. Napětí klesá se zvyšující se teplotou okolí. Vidět je to na grafu níže. Aby byla zachována požadovaná citlivost senzoru, musí dojít ke kompenzaci napětí.
Obrázek 7: Závislost napětí topného tělesa senzoru IDT na teplotě (Zdroj obrázku: Integrated Device Technology)
Kompenzaci lze provést pomocí zapojení lineárního regulátoru uvedeném na obrázku 6. Stačí přidat zpětnou vazbu pro sledování napětí a teploty. Elegantnějším řešením je topné těleso budit konstatním zdrojem proudu. IDT nabízí schéma obvodu jak pro buzení snímače, tak i pro ovládání topného tělesa. (obrázek 8). Všechny vlastnosti a chování obvodu si lze prakticky vyzkoušet na vývojové desce SMOD7xx.
Obrázek 8: Obvod pro buzeni zdrojem konstantního proudu pro snímač i topného tělesa. (Zdroj obrázku: Integrated Device Technology)
Pro buzení snímače konstantním proudem (obr. 8, nahoře) IDT kombinuje dva přesné operační zesilovače LTC6081 od Linear Technology. Každý z nich řídí vysokofrekvenční MOSFET DMC2700 od Diodes Incorporated. Vše je zakončeno nízko šumovým operačním zesilovačem OPA2376AIDGKR od Texas instruments. Obvod buzení pro topné těleso je řešen podobně. Má ale použité jiné typy operačních zesilovačů. Všechny tři operační zesilovače jsou typu LPV511 od Texas Instuments, protože mají schopnost se přizpůsobit napájení 9V. (obrázek 8, dolní část).
Úroveň výstupního proudu silně závisí na vstupním napětí. To je významná výhoda pro senzorové systémy s procesorem, který může regulovat vstupní napětí čili výstupní proud. (obrázek 9).
Obrázek 9: Blokové schéma senzorového systému s použitím MCU (Zdroj obrázku: Integrated Device Technology)
Požadované úrovně konstantního proudu buzení pro snímač i topného těleso je součástí kódu v mikrokontroléru. Ten ovládá převodníky DAC a tím celý senzorový systém reaguje na měnící se podmínky. Výstupní hodnoty odporu senzoru se mohou měřit také převodníkem DAC a mikrokontrolér naměřená data předává aplikaci pro další zpracování. Zpětnou vazbu pro topné těleso může nahradit software uvnitř mikrokontroléru. Mikrokontrolér měří napětí na topném tělesu a na základě okolní teploty dokáže udržovat optimální teplotu topného tělesa dle typu použitého senzoru.
IDT poskytuje demonstrační desky SMOD7xx, kde se používá stejný typ zdroje konstantního proudu uvedený v předchozím odstavci. Pro senzor SGAS701 kit SMOD701KITV1, pro senzor SGAS707 kit SMOD707KITV1 a pro senzor SGAS711 kit (SMOD711KITV1). Demonstrační desky jsou osazeny procesorem MSP430I2021 se všemi potřebnými obvody pro snadné zpracování a vyhodnocení hodnot ze snímačů řady SGA7xx. Pro práci s demonstračními deskami SMODxx je k dispozici aplikační software SMOD. Pro jeho aktivaci je zapotřebí bezplatná registrace. Díky software můžeme ihned začít zkoumat chování senzoru plynu. Přímo můžeme sledovat změny v odporu snímače na různou koncentraci plynu. Můžeme si vyzkoušet pro jaký druh aplikace je citlivost senzoru vhodná.
Obrázek 10: Aplikační software SMOD, který se používá v kombinaci s deskami SMOD7xx (Zdroj obrázku: Integrated Device Technology)
Kombinace demonstračních desek SMOD7xx a softwarového nástroje SMOD přináší pochopení chování senzoru plynu z praktického hlediska. V průmyslových prostředích, kde se vyskytuje kombinace různých plynů, nám mohou přinést nečekané výsledky. I když je každý chemicko-odporový snímač navržen tak, aby optimálně reagoval na konkrétní typ plynu, přítomnost různých plynů může ovlivnit jeho výsledky. Běžně se stává, že čidlo optimalizováné na detekci plynného vodíku (senzor SGA701), reaguje na jiné typy plynů, včetně těch, které jsou určeny pro senzor VOC SGAS707 nebo senzor hořlavého plynu SGAS711 (obrázek 11).
Plynové snímače obecně vykazují určitou úroveň citlivosti i na jiné typy plynů, než na které byly vyrobeny(optimalizovány). Navíc vlhkost a další okolní podmínky mohou ovlivnit výsledky měření. Proto je vždy nutné provést důkladnou analýzu chování senzoru v daném prostředí a navrhnout vhodnou kompenzaci a korekci.
Obr. 11: Citlivost snímače SGA701 pro detekci vodíkových plynu na ostatní plyny (Zdroj obrázku: Integrated Device Technology)
Závěr
Schopnost měřit koncentraci různých plynů je stále důležitějším prvkem v celé řadě aplikací. Nízkonákladové chemicko-odporové snímače od firem, jako je IDT, poskytují sice hotová řešení, ale někdy je nutné toto řešení pečlivě upravit pro danou aplikace. K tomu slouží několik různých technik buzeni a metod kompenzace, aby přesnost měření vyhovovala danému prostředí.
