Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Techniki detekcji gazów z wykorzystaniem czujników piroelektrycznych z oferty Mouser Electronics

Wykrywanie gazów jest istotną częścią wielu rozwiązań przemysłowych i komercyjnych. Dotyczy najczęściej gazów takich jak dwutlenek węgla, dwutlenek azotu i gazy anestetyczne. Typowe zastosowania to: badania wydychanego dwutlenku węgla (kapnografia), diagnostyka medyczna, pomiary jakości powietrza w inteligentnych budynkach i przenośne detektory do analizy stężeń gazów. Poniższy artykuł opisuje detekcję gazów przy użyciu czujnika piroelektrycznego oraz wyjaśnia jego przewagę nad czujnikami termoelektrycznymi.
Article Image

Z tradycyjnymi technikami detekcji opartymi na czujnikach termoelektrycznych wiąże się kilka problemów, takich jak długie czasy trwania pomiaru oraz wrażliwość na zmiany środowiskowe. Opisując alternatywną metodę pomiarów w podczerwieni, objaśnimy mechanizm wykrywania gazów i przedstawimy zalety tego podejścia. Zaprezentowany zostanie też przykład kompletnego systemu z czujnikami dedykowanymi do użycia jako peryferium mikrokontrolera-obsługującego interfejs I²C.

Detektory gazów są wszędzie wokół nas. W domach chronią nas czujniki dymu i tlenku węgla, nowoczesne budynki dbają o jakość powietrza przez monitorowanie poziomu dwutlenku węgla, a fabryki stosują czujniki do obserwacji wielu różnych gazów w sterowaniu procesami i w systemach bezpieczeństwa. Monitorowanie stężeń gazów w ogniwach akumulatorowych jest przykładem jednego z nowszych zastosowań zabezpieczeń w pojazdach elektrycznych.  Wydzielanie gazu przez ogniwo jest wczesną oznaką przeciążenia lub nieprawidłowego działania, możliwą do wykrycia zanim wystąpią jakiekolwiek mierzalne zmiany temperatury. Szpitale i placówki opieki zdrowotnej stosują czujniki gazu w różnych urządzeniach klinicznych i diagnostycznych. Często spotykanym urządzeniem z tego obszaru jest kapnograf – przenośny przyrząd służący do wykrywania ilości dwutlenku węgla wydychanego przez pacjenta. Kapnografia pozwala na ocenę wymiany gazowej i metabolizmu pacjenta. Jest często stosowana na oddziałach ratunkowych oraz w pomocy przedmedycznej. Kapnografy muszą dawać szybkie i dokładne wyniki pomiarów, zwłaszcza w nagłych wypadkach, dodatkowo w przypadku urządzeń przenośnych także przy zasilaniu bateryjnym.

Możemy wyróżnić dwie szeroko stosowane metody wykrywania gazów stosowane w urządzeniach elektronicznych: metoda termoelektryczna i metoda piroelektryczna. Ze względu na budowę atomu, i dalej cząsteczki i wynikające z tego poziomy energetyczne, różne gazy absorbują różne ilości energii światła podczerwonego o określonych długościach fali. Na tej podstawie możliwe jest rozróżnienie gazu na podstawie zmian jego energii przy wystawieniu na znane promieniowanie. Cząsteczki gazu absorbują energię ze źródła podczerwieni i stają się bardziej ruchliwe, co makroskopowo przekłada się na temperaturę. Im wyższe jest stężenie danego gazu, tym większa ilość energii podczerwonej zostaje pochłonięta w paśmie dla niego odpowiednim. 

W urządzeniach do wykrywania gazów, takich jak kapnografy, tradycyjnie stosowane są czujniki termoelektryczne. Wykorzystują one termoparę do wykrywania zmian temperatury cząsteczek gazu i generują napięcie wyjściowe proporcjonalne do stężenia określonego gazu. Czujniki termoelektryczne wymagają stosunkowo długiego czasu ustalania. Jest to niezbędny czas, jaki musi upłynąć od momentu włączenia przyrządu do chwili gdy czujnik ustabilizuje się wystarczająco do przeprowadzenia pomiarów. Może on wynosić nawet do dwóch minut,. Sam pomiar trwać nawet ponad 200 ms. Taki okres pomiaru może nie wydawać się szczególnie długi, lecz w przypadku konstrukcji zasilanej z baterii czas aktywności czujnika wpływa negatywnie na profil zużycia energii, powodując konieczność częstej wymiany baterii. Czujniki termoelektryczne wymagają do działania dodatkowych obwodów analogowych, co powoduje komplikację układu i podnosi jego koszty.

Piroelektryczna metoda detekcji gazu wykorzystuje efekt piroelektryczny, który generuje napięcie wyjściowe poprzez wykrywanie zmian w ilości odbieranego promieniowania podczerwonego. Budowę przetwornik a realizującego tę metodę pomiaru przedstawia ilustracja 1

Budowa piroelektrycznego czujnika gazu ukazująca jego główne elementy składowe

Źródło promieniowania podczerwonego jest kierowane na czujniki poprzez zamkniętą komorę, a filtry spektralne zawężają widmo optyczne, aby dopasować je do wykrywanego gazu i zapewnić sygnał odniesienia. Różnica pomiędzy ilością energii IR wysyłanej przez źródło i odbieranej przez czujnik wskazuje stężenie gazu. Używane są dwa detektory podczerwieni – jeden dla sygnału referencyjnego ustalającego ilość przesyłanej energii, a drugi do wykrywania konkretnego gazu. 

Przykład analizatora oddechu wykorzystującego opisany czujnik piroelektryczny przedstawia Ilustracja 2.

Przykład czujnika CO2 do analizy oddechu

Widoczne na rysunku impulsowe źródło emituje promieniowanie w paśmie podczerwieni przez rurkę gazową i okna transmisyjne do dwóch czujników piroelektrycznych. Jeden czujnik dostarcza sygnał kanału odniesienia o długości fali 3,9 µm, a drugi czujnik wykrywa promieniowanie o długości 4,26 µm, powiązane z dwutlenkiem węgla.

Projektowanie systemu detekcji i pomiaru stężenia dwutlenku węgla z wykorzystaniem czujnika piroelektrycznego firmy KEMET jest stosunkowo proste dzięki cechom jakie udało się uzyskać producentowi. Przykładem takiego nowoczesnego czujnika dwutlenku węgla jest USEQGSEAC82180. Zamknięte w kompaktowej obudowie do montażu powierzchniowego, cienkowarstwowe czujniki piroelektryczne z serii QGS cechują się wyjątkowo oszczędną charakterystyką zasilania i mogą mierzyć stężenie gazów 15 razy szybciej niż detektory termoelektryczne. Dzięki niewielkiej bezwładności cieplnej  materiału piezoelektrycznego (PZT) mogą przeprowadzać pomiary szybko i są gotowe do pracy praktycznie natychmiast po podaniu zasilania. Czujniki wykorzystujące PZT mają też dłuższy okres eksploatacji w porównaniu z czujnikami termoelektrycznymi opartymi na termoparach. Nie wymagają żadnych dodatkowych obwodów analogowych; cyfrowy interfejs I²C zapewnia wygodną i łatwą metodę komunikacji wyników pomiaru do mikrokontrolera. Wewnątrz czujnika zintegrowano programowalny układ ASIC podłączony przez interfejs I²C, pozwalający na sterowanie i konfigurację filtrów analogowych, zaprogramowanie parametrów wzmacniacza oraz parametrów konwersji analogowo-cyfrowej. 

W porównaniu z termoelektrycznymi, czujnik piezoelektryczny KEMET charakteryzuje się wysoką czułością i krótkim czasem odpowiedzi. Dodatkowo oferuje obniżony profil zużycia energii, zwiększoną żywotność baterii, wyższą trwałość produktu i zmniejszone koszty eksploatacji. 

Czujniki z tej serii (QGS) mają dwa tryby pracy: normalny z maksymalną częstotliwością próbkowania 1 kHz oraz energooszczędny z maksymalną częstotliwością próbkowania 166 Hz. W trybie normalnym typowy pobór prądu wynosi 22 µA, a w trybie niskiego poboru mocy 3,5 µA. Tryb power-down wyłącza czujnik i zmniejsza prąd typowo do poziomu 1,1 µA.

Zintegrowanie wszystkich kluczowych elementów łańcucha sygnału analogowego w jednej obudowie i wykorzystanie standardowego interfejsu I²C radykalnie upraszcza konstrukcję czujnika dwutlenku węgla o niskim poborze mocy, nadającego się do zastosowania w kapnografie zasilanym z baterii.

Odczyty z czujnika są dostępne przez interfejs I²C. Cały proces pomiaru i kondycjonowania sygnału jest obsługiwany wewnętrznie przez czujnik bez obciążania zasobów głównego (mikro)procesora budowanego urządzenia. 

Kompletny system kapnografu zawiera impulsowe źródło podczerwieni, komórkę gazową o ustalonej długości ścieżki optycznej (typowo od 20 mm do 32 mm), kanał czujnika odniesienia i czujnik gazu. Proces kalibracji wykorzystuje dedykowane algorytmy do ustalenia określonych proporcji między kanałem odniesienia i kanałem gazu, które mogą zostać następnie użyte do dokładnego pomiaru stężenia gazu. Do linearyzacji i określenia dokładnych wartości stężenia gazu na podstawie wartości odczytanych z czujników, jest stosowane równanie Lamberta-Beera. 

Charakterystykę przetwornika przedstawia Ilustracja 3.

Nieprzetworzone wartości pomiarowe w rejestrze czujnika dwutlenku węgla dla szeregu wartości stężenia gazu

Ta charakterystyka ilustruje nieprzetworzone wartości pomiaru odczytane z czujnika dwutlenku węgla dla poziomów jego stężenia od 0% do 100%. Wyraźnie widoczny jest nieliniowy charakter tej krzywej. Firma KEMET udostępnia notę aplikacyjną i arkusz Microsoft Excel, wspomagający linearyzację czujnika i dokładne określenia badanego stężenia procentowego gazu n podstawie wartości odczytanej z czujnika.

Aby umożliwić szybsze niż dotychczas prototypowanie detektorów gazów, firma KEMET przygotowała zestaw ewaluacyjny USEQGSK3000000 SMD do pomiaru dwutlenku węgla, który jest przedstawiony na Ilustracji 4. 

Zestaw ewaluacyjny detekcji CO2 KEMET SMD

W skład tego systemu pomiarowego wchodzą dwa czujniki firmy KEMET: czujnik odniesienia USEQFSEA391180 oraz czujnik CO2 USEQGSEAC82180. 

System zawiera jednostkę centralną (mikrokontroler STMicroelectronics STM32F303K8T6), komórkę gazową oraz płytkę drukowaną emitera podczerwieni ze sterownikiem firmy KEMET. W skład zestawu wchodzi również oprogramowanie dla Microsoft Windows do konfiguracji platformy czujnika oraz pozyskiwania i analizy danych. Do zestawu producent przygotował także bardzo bogatą kartę katalogową, która jest dołączona do tego artykułu.

Można śmiało stwierdzić, że piroelektryczne czujniki gazu to nowoczesna droga do szybkiej, energooszczędnej, zintegrowanej detekcji gazu. W porównaniu z tradycyjnymi termoelektrycznymi czujnikami podczerwieni, czujniki piroelektryczne oferują wiele zalet. Są one szczególnie istotne dla przenośnych urządzeń zasilanych z baterii. Niskie zapotrzebowanie na energię, szybki czas ustalania i krótki okres pomiaru pozwalają inżynierom na tworzenie urządzeń, których nie można było jeszcze niedawno zrealizować. Przykładowym zastosowaniem tych nowoczesnych czujników CO2 firmy KEMET jest kapnograf medyczny przedstawiony w artykule, ale obszar zastosowań pomiarów stężenia gazów jest bardzo szeroki. 

Powyższa publikacja to artykuł techniczny firmy Mouser, jego wersja polska została przygotowana przez firmę specjalnie do publikacji na Blogu Elportalu. Firma Mouser zamieszcza dużo interesujących materiałów na swoim Twitterze.

Do pobrania
Download icon Karta katalogowa
Firma: Mouser Electronics
Tematyka materiału: Nowoczesne przetworniki firmy KEMET z oferty Mouser Electronics
AUTOR
AUTOR
AUTOR
Udostępnij
Zobacz wszystkie quizy
Quiz weekendowy
Mikroprocesory (µP),
Mikrokontrolery (µC)
1/12 Architektura RISC w porównaniu do architektury CISC charakteryzuje się:
Oceń najnowsze wydanie EdW
Wypełnij ankietę i odbierz prezent
UK Logo
Elektronika dla Wszystkich
Zapisując się na nasz newsletter możesz otrzymać GRATIS
najnowsze e-wydanie magazynu "Elektronika dla Wszystkich"