Arduino MQ2 датчик утечки газа » Ардуино Уроки

1 Термопары

Генераторные датчики температуры, представляющие собой два проводника различных материалов, спаянные с одного конца друг с другом.

Главное преимущество термопар — их широкий диапазон температур. Ограниченный, по сути, абсолютным нулем и температурой плавления металлов — т. е. способен измерять там. Где другие датчики просто бессильны — от -270 до 1800 градусов цельсия и выше.

Термопары бывают разные и в зависимости от типа используемых материалов имеют различный диапазон рабочих температур.

Их конструкция также зависит от применения. Например, в одной из лабораторий моей родной кафедры валялись вот такие 200-300мм дрыны:

Рисунок 1 Термопара типа К для печей сопротивления
А вот так выглядят всеми известные термопары типа К, которые идут в комплекте с мультиметрами(фото из моей коллекции):
Рисунок 2: Термопары типа К для мультиметров.

В ГОСТ Р 8.585-2001 перечисляются следующие типы термопар с их составом, буквенным обозначением и рабочим диапазоном (в скобках указан коэффициент термоЭДС для 25 градусов):

• платинородий-платиновые — ТПП13 — Тип R, диапазон -50 1600 С (9мкВ/С).
• платинородий-платиновые — ТПП10 — Тип S, диапазон -50 1600 С(6мкВ/С).
• платинородий-платинородиевые — ТПР — Тип B, диапазон 0 1800 С
• железо-константановые (железо-медьникелевые) ТЖК — Тип J, диапазон -210 1200 С(52мкВ/С)
• медь-константановые (медь-медьникелевые) ТМКн — Тип Т, диапазон -270 400 С(41мкВ/С)
• нихросил-нисиловые (никельхромникель-никелькремниевые) ТНН — Тип N, диапазон 270 1300 С(27мкВ/С)
• хромель-алюмелевые — ТХА — Тип K, диапазон -270 1372 С(41мкВ/С).
• хромель-константановые ТХКн — Тип E, диапазон -270 1000 С(61мкВ/С).
• хромель-копелевые — ТХК — Тип L, диапазон -200 800 С
• медь-копелевые — ТМК — Тип М, диапазон -200 100 С
• сильх-силиновые — ТСС — Тип I (не представлена в ГОСТ, есть в википедии)
• вольфрам и рений — вольфрамрениевые — ТВР — Тип А-1, А-2, А-3, диапазон 0 1800, ( 2500 для А-1) С.

Сами по себе являются высокоточными датчиками (точность вплоть до ±0,01 градусов), но такую точность весьма непросто получить.

В основе работы датчиков термоэлектрический эффект, открытый в 1821 году немецким физиком Томасом Зеебеком. Его суть заключается в том, что если спаи двух разнородных материалов, образующих замкнутую электрическую цепь имеют разную температуру T1 и T2, то в цепи появляется электрический ток, направление которого зависит от знака разности температур.

Рисунок 3: Термопара.

Но здесь появляется первая проблема — ЭДС зависит от разности температур между горячим и холодным спаями, поэтому температуру холодного спая следует знать с необходимой точностью, чтобы определить температуру горячего конца.Проблему добавляет и то, что фактически, точки подключения термопары к измерительной системе также являются точками спая двух разных металлов, что вносит свою погрешность. Поэтому поместим оба холодных конца рядом, дабы выровнять их температуру и будем контролировать ее еще одним датчиком:

Рисунок 4: Программная компенсация холодного спая

В этом случае, измерив с конечной точностью абсолютным датчиком температуры температуру холодного спая мы программно сможем ее скомпенсировать. Почему нельзя сразу воспользоваться одним абсолютным датчиком? Покажите мне еще один датчик, способный измерить температуру расплавленного металла.

Рисунок 5: Аппаратная компенсация холодного спая

Но на мой взгляд при наличии широкодоступных точных датчиков температуры использовать бачок с тающей водой, требующей постоянного контроля, немного не технологично. Поэтому в документации встречаются варианты термостатированных холодных спаев, в которых с помощью точного термостата поддерживается заданная температура.

С проблемой относительности разобрались, теперь попробуем снять показания с термопары. И тут нас поджидают еще две проблемы:

Проблема номер раз — термоЭДС измеряется в микровольтах. Например, для термопары типа K температурный коэффициент составляет 41мкВ/градус. Это означает, что милливольтами запахнет только градусов через 25 разницы температур.

Напомню из прошлой части, что 12-разрядный АЦП при опорном напряжении 3,3В имеет чувствительность 800мкВ. т. е. В нашем случае 20 градусов/деление. Неплохая однако погрешность. Конечно нужно учитывать малый рабочий диапазон выходного напряжения термопары и ставить усилители на базе ОУ, или включать усиление в самом АЦП.

Там возникнут другие сложности вроде точности оцифровки АЦП, собственных шумов аналоговых трактов ОУ и АЦП и т. п. В последующих главах мы подробно рассмотрим вопрос отношения сигнал/шум, а пока можете почитать книгу Data Conversation Handbook, глава 2Будем следовать одной истине — использовать прецизионные и малошумящие ОУ и АЦП.

Рисунок 6: Использование терморезистора для компенсации температуры холодного спая

Проблема номер два — термопара нелинейна. Нелинейность выглядит следующим образом:

Рисунок 7: Нелинейность термопары

Но благо все в курсе этой нелинейности, каждые поверенные измерения аккуратно занесли в табличку и высчитали точные коэффициенты полиномов вида:

Для расчета температуры исходя из значения ЭДС и наоборот:

Для каждого типа термопары в ГОСТ 8.585-2001 заботливо приведены все необходимые коэффициенты аппроксимирующих полиномов для температур относительно 0 градусов цельсия. Вот список коэффициентов полинома для распространенной термопары типа К:

Рисунок 8: Список полиномов для термопары типа К в диапазоне температур от 0 до 500 градусов цельсия

В принципе, особой проблемы посчитать итоговое значение труда не составит, однако если ваш холодный спай болтается в воздухе при неизвестной температуре — кому это надо?

Как итог — термопара — один из лучших датчиков для точного измерения очень горячих, либо очень холодных вещей.

А в моей любимой книге детства — «Радиоэлектронные игрушки» Войцеховского, можно найти описание конструкции термогенератора, от которого предлагается запитать, например, транзисторный радиоприемник. А на марсе от термогенератора аналогичной конструкции, только самую малость потехнологичнее, питается марсоход Curiosity – На Geektimes есть обзорный пост про РИТЭГи.

Рисунок 9: Темроэлектрическая батарея 0,6В 8мА

2 Термометры сопротивления и терморезисторы

Как известно, сопротивление металла изменяется от температуры окружающей среды. Этот эффект используется для проведения высокоточных (до тысячных долей градуса) измерений температуры с помощью термометров сопротивления. Будучи сделанным не из металла, а из полупроводника, мы получим терморезистор.

Рисунок 12: Платиновые RTD от Honeywell

Термометры сопротивления позволяют работать в достаточно широком диапазоне температур — от -200 до 850 градусов. У термометра сопротивления имеется две основные характеристики:

1. Базовое сопротивление при определенной температуре. Рекомендуемое — 10, 50, 100, 500, 1000 Ом…
2. Температурный коэффициент сопротивления в тысячных в пропромилле на градус кельвина (ppm/K).

Температурный коэффициент сопротивления — это отношение относительного изменения сопротивления к изменению температуры:

На термометры сопротивления имеется ГОСТ Р 8.625-2006, в котором нормируются термометры из платины (ТКС = 0,00385 и 0,00391), а также из меди(ТКС 0,00428) и никеля (ТКС 0,00617). Номинальным сопротивлением для термометров является сопротивление при температуре 0 градусов.

Также как и термопары термометры сопротивления имеют некоторую нелинейность, но в ГОСте заботливо приведены коэффициенты полинома. К слову — гораздо более простые, чем для термопар.Например, для платинового термометра с ТКС = 0,00385 и диапазона измерений от -200 до 0 градусов будет уравнение вида:

А для диапазона 0-850 градусов вида:

Со следующими значениями коэффициентов:

Одни из популярных — эталонные платиновые термометры серии 700 от Honeywell. Хотя по стоимости платиновые термометры не из дешевых — от 5$ и выше в зависимости от диапазона температур и точности прибора.

Измерить сопротивление можно различными методами. Наиболее простой и рекомендуемый ГОСТ-ом — измерительный мост с источником напряжения. С другой стороны, подключение к источнику тока и использование дифференциального входа АЦП даст линейность измерений.

Рисунок 13: Различные способы подключениях двухпроводных RTD

Процитирую тов Stross из комментариев к предыдущей части:

Мост можно рассмотреть как два резистивных делителя, включенных параллельно. Один из них задает «опорное напряжение» для второго. И таким образом, при использовании моста вы будете своим дифференциальным АЦП измерять напряжение на делителе не относительно нуля, а относительно некой опоры. Это хорошо скажется на чувствительности — вы сможете задать АЦП больший коэффициент предусиления и добиться того, что рабочий диапазон АЦП будет соответствовать узкому диапазону сопротивлений.

С другой стороны Ваш АЦП в режимах усиления входного сигнала не должен шуметь как одинокий ручей текущий с горы фудзи трактор

В приложении к разделу есть множество полезных ссылок по подключению RTD и способам повышения точности.

Одна из проблем металлических термометров сопротивления — низкий ТКС, за счет чего необходим измерительный тракт с высокой чувствительностью. Но это лишь конструктивная проблема — измерить сопротивление с высокой точностью в отличие от очень малых токов и напряжений не представляет особого труда.

Если нам не нужна высокая точность и достаточно ±1-2 градусов, то можно воспользоваться полупроводниковыми терморезисторами, имеющими на порядки более высокий ТКС. Например терморезисторы серии KTY84 от NXP имеют ТКС=0,61. С другой стороны термисторы имеют меньший диапазон рабочей температуры порядка -40=300 градусов.

А еще терморезисторы гораздо более нелинейны. Но в датащитах опять таки заботливо приводятся значения ТКС и номинального сопротивления для различных значений температуры:

Рисунок 14: Таблица соответствия ТКС, номинального сопротивления и температуры

По этой таблице не составит особого труда построить кусочно-линейную функцию и использовать ее для определения сопротивления.

4 Цифровые датчики температуры

Цифровые датчики температуры за своим огромным ассортиментом скрывают удобные интегрированные решения, предоставляющие возможность получать показания температуры в готовом виде посредством цифровых интерфейсов.

Как правило, цифровые датчики температуры подключаются по интерфейсам SPI и I2C. Что касается меня — датчики температуры — это низкоскоростные устройства и тратить на них SPI расточительство.

В качестве примера рассмотрим комбинированный датчик температуры и влажности SHT10:

Рисунок 17: Датчик SHT10 общий вид
Рисунок 18: Погрешность датчика

Но и этот датчик не без косяка — его интерфейс «оптимизирован». Типа для того, чтобы его было удобнее считать. А еще к нему нельзя адресоваться как к I2C устройству.

Благо датчик позволяет подключать себя совместно с другими устройствами и нужно лишь программное переключение протокола общения. На нем остановимся чуть подробнее:

Для старта передачи команды необходимо передать стартовую последовательность:

Рисунок 19: Стартовая последовательность

После стартовой последовательности передается байт команды, состоящий из 0 бит адреса (поддерживается только адрес 000) и 5 бит команды.

Рисунок 20: Список команд

После отправки команды на измерение температуры или влажности, в зависимости от разрядности измерений 8, 12 или 14 бит, процедура измерения займет 20, 80 или 320мс. По завершению процесса измерений датчик притянет линию DATA в ноль и уйдет спать. Как только контроллер получает данный сигнал, путем тактирования линии SCK можно получить два байта данных и байт контрольной суммы(если она активирована), причем по окончанию приема каждого байта необходимо контроллером притягивать землю в ноль.

Дапнные передаются с правым вырваниванием, т. е. Для 14-разрядного значения старший бит данных появится только на 5 тик линии SCK. За подробностями отправляю к датащиту.Датчик температуры имеет линейную характеристику и полученное значение датчика пересчитывается с учетом напряжения питания и наклона характеристики:

Рисунок 21: Расчет температуры

Разумеется, есть датчики температуры с нормальным I2C интерфейсом. Например, LM75A от NXP.

Его диаграмма считывания данных подчиняется базовым принципам I2C:

Рисунок 22: Считывание данных температуры с датчика LM75

Это 11-разрядный датчик, с разрешением 0,125 градуса цельсия, выходные данные хранятся в двух регистрах данных, имеющих определенный адрес. С помощью команд прогтокола I2C для нашего устройства, имеющего адрес 1001XXX (три младших бита выставляются пользователем и позволяют подключать к одной шине до 8 таких датчиков) выставляем указатель адреса регистра с которого начнем производить считывание и с помощью команды чтения считываем два регистра. Полученное знаковое значение умножаем на 0,125 и получаем итоговое значение температуры в градусах цельсия. Удобно.

6 ИК-датчик температуры

Данный обзор был бы неполным без бесконтактных ИК датчиков температуры. Я вскользь упомянул о нем когда рассказывал о плате CC3200-launchxl – там установлен именно такой датчик.

Рисунок 25: ИК-термодатчик

Эти датчики состоят из тонкой пластинки. Поглощающей ИК излучение, вследствие чего происходит ее нагрев, который детектируется описанными выше термодатчиками. Например в датчике TMP006 от Texas Instruments судя по изображению внутри набор последовательно-включенных термопар, сигнал с которых снимается и преобразуется в цифровой с доступом по I2C.

Есть и аналоговые решения. Например датчики TPS333 от Excelitas имеют внутри себя встроенный термистор.

Рисунок 26: датчики TPS333 от Excelitas

Наиболее интересны конечно же бесконтактные ИК матрицы, на основе которых делаются тепловизоры. Например датчик D6T-44L-06 от Omron за 35 долларов представляет собой матрицу 4х4 бит, с помощью которой можно измерить температуру от 5 до 50 градусов на расстоянии до 3метров.

Рисунок 27: Область детектирования

Вот тут есть классная видеопрезентация от производителя:

Разрешение датчика конечно так себе, да и диапазон температур не шибко большой, но свою нишу такая матрица имеет, да и цена лично меня порадовала. Можно взять на заметку.

6 датчики влажности

Ни одна система климат-контроля не будет полноценной без измерения относительной влажности воздуха, так как от нее зависит комфорт человека, находящегося в контролируемом помещении. Думаю многим знаком график зоны комфорта:

Рисунок 28: Зона комфорта в помещении

В России допустимые значения температуры и влажности в жилых помещениях регламентируются СанПиН 2.1.2.2645-10 «Санитарно-эпидемиологические требования к условиям проживания в жилых зданиях и помещениях»(Приложение 2).Задача датчиков влажности — определить относительную влажность воздуха.

Где
Есть несколько способов измерить влажность воздуха.
Конечно же стоит упомянуть классические психрометры — сборка сухого и влажного термометра, по разности показаний которых довольно точно определяется текущая влажность воздуха. Никто не запрещает взять два датчика температуры, один из них снабдить сырой ваткой и на основе их показания вычислять влажность.
Рисунок 29: Психрометр

Далее следуют механические гигрометры, где в качестве чувствительного элементы выступает обезжиренный волос либо полимерная пленка, изменяющие свою длину в зависимости от влажности.

Но нам больше интересны решения с электрическим сигналом на выходе.Такие сенсоры реагируют на влажность изменением емкости или сопротивления гигроскопичного материала, насыщаемого влагой в количестве, пропорциональном парциальному давлению пара измеряемого воздуха. Широкое распространение получили именно емкостные датчики. Поэтому только их мы и рассмотрим.

Рисунок 30: Структура датчика влажности.

1 Датчики влажности с емкостным выходом

Самый простой по своей сути датчик. Представляет собой конденсатор с изменяемой емкостью. Емкость такого конденсатора в первую очередь зависит от влажности. Но не последним показателем является температура воздуха. Например, для датчика серии HCH-1000 от Honeywell чувствительность датчика составляет в среднем 0,6 пФ/%RH.

Рисунок 31: Изменение емкости датчика HCH-1000

В отличие от сопротивления. Емкость измерить гораздо сложнее. Точные профессиональные приборы — измерители иммитанса (RLC-метры) — не самое дешевое оборудование.

Простой способ измерения емкости — определение скорости заряда и разряда RC цепочки. Определяя с необходимой точностью постоянную времени заряда и зная точное сопротивление резистора, мы можем определить емкость конденсатора.

Рисунок 32: заряд конденсатораТак как наша емкость изменяется в пределах 300-360пФ, для получения постоянной времени в 1-2мс (что будет легко поймать большинством таймеров и АЦП) потребуется сопротивление

Есть еще один способ, правда менее стабильный: раз мы измеряем период, то пусть у нас будет импульсный сигнал. Пусть емкостной датчик отвечает за частоту генерации сигнала. Изменяется влажность — изменяется выходная частота. На выходе буферного элемента D1.

Рисунок 32: Простой генератор на логике

Не забудем, что для повышения точности показаний необходимо учитывать текущие показатели температуры.

1 Аналоговые датчики давления

На выходе аналоговых датчиков давления присутствует уровень тока или напряжения, которое необходимо подать на измерительный тракт нашего прибора.

Сделаем небольшое лирическое отступление и упомянем датчики с промышленными уровнями аналогового сигнала 0-10В и 4-20мА, предназначенные для подключения к промышленной автоматике. Суровые промышленные датчики видно сразу:

Рисунок 40: Суровые промышленные датчики давления

Однако схема их включения аналогична всему тому, что было описано в разделе 3:

Рисунок 41: Подключение промышленного датчика

Установив делитель напряжения, либо подобрав шунтирующее сопротивление так, чтобы уровень выходного сигнала соответствовал входному диапазону АЦП, эти датчики можно подключать и к обычным микроконтроллерам.

С датчиками давления построенными по мостовой балансной схеме часто имеется та же проблема, что и с термопарами — многие датчики выдают всего порядка 40мВ на весь свой диапазон. Например вот так выглядит зависимость выходного напряжения от давления для датчика MPX2100:

Рисунок 42: Зависимость выходного напряжения датчика от давления

Так что вооружаемся дифференциальным малошумящим АЦП и вперед.

С другой стороны существуют более удобные, но и более дорогие датчики, имеющие на выходе сигнал 0-5В, или 0-3.3В и подобные в зависимости от напряжения питания.К таким датчикам относится 40PC от Honeywell:

Рисунок 43: датчик серии 40PC от Honeywell

Оцифровать выходной сигнал такого датчика может любой микроконтроллерный АЦП. Вот только при своей точности в 0,2% его стоимость на рынке — порядка $40-50.

2 Цифровые датчики давления

Цифровой датчик давления позволяет получать все данные более технологичным способом. Суть его та же — пьезорезистивный мост, дифференциальный АЦП и интерфейс.

Вот так выглядит внутри MEMS-датчик LPS331 от ST в корпусе 3х3х1мм:

Рисунок 44: Структурная схема датчика давления LPS331

Все цифровые датчики давления имеют встроенный датчик температуры и, соответственно, термокомпенсацию. Чувствительность конкретно этого датчика давления — ± 200Па. Разумеется температуры с этого датчика также доступна, с точностью ± 2 градуса.

Одно из применений датчика давления — это барометрическая альтиметрия — т. е. определение относительной высоты. Как известно, с изменением высоты уменьшается давление воздуха. Так что выставим на земле нулевую высоту и поднявшись ввысь, или опустившись внизь можно определить пройденный путь.Зависимость давления воздуха от высоты выглядит следующим образом:

Рисунок 45: зависимость давления воздуха от высоты

Для поиграться могу порекомендовать часы-отладочный комплект EZ430‑Chronos от Texas instruments на базе контроллера CC430F6137. На хабре есть описание этих часовВ них встроен цифровой датчик давления Bosh BMP085 стоимостью $4. Он имеет рабочий диапазон 30-110кПа и размеры 5х5х1.2мм.

Рисунок 46: Через несколько минут они покажут 4500. Метров.

8 датчики присутствия газов

Ранее описанные датчики позволяют измерить то, что мы можем ощутить самостоятельно. Но в воздухе может оказаться еще кое-что, что способно убить нас совершенно незаметно.

Рисунок 47: датчик присутствия газа

Это газ. CO2, CO, метан, пропан, аммиак, водород, этанол, хладагенты и прочие газы., большинство из которых проблематично учуять, но которые приведут к серьезным последствиям.

Датчик определенного типа рассчитан, как правило, только на один конкретный газ, так что если вы хотите контролировать различные газы, то нужно использовать несколько датчиков.

Наибольшее распространение имеют различные датчики FIGARO, так что именно их и рассмотрим на примере датчика угарного газа TGS2442. Чувствительным элементом таких датчиков является оксид олова (SnO2). Датчик имеет многослойную структуру.

Рисунок 48: Структура датчика газа

Сначала идет селективный фильтр, пропускающий целевой газ и уменьшающий влияние других газов. После имеется камера с чувствительным элементом о четырех контактах. Два контакта предназначаются для нагревателя и еще два — для резистора, сопротивление которого зависит от концентрации газа.Подключение датчика производится следующим образом:

Рисунок 49: Подключение датчика газа

Точность определения концентрации напрямую зависит от точности времени подогрева и времени снятия сигнала. Обе цепи подключаются к питанию на короткое время чтобы предотвратить перегрев чувствительного материала.На нагреватель подается напряжение в 4.

Рисунок 50: Цикл работы датчика газов

Итоговая концентрация газа определяется в зависимости от отношения измеренного сопротивления к сопротивлению при концентрации газа 100 пропромилле. Зависимость хорошо видно на следующем графике:

Рисунок 51: Чувствительность к газам. Ro = Rs при 100 ppm CO

Минутка бессмысленной и беспощадной практики.

У нас есть отладочная плата на микроконтроллере ATmega1280, пара термопар и желание измерить температуру с хорошей точностью. И у нас это не получится.

АЦП контроллера — 10-разрядный, минимальное опорное напряжение может быть выставлено в 1,1В.

Тогда чувствительностью АЦП составит:

Что примерно в 2,5 раза меньше чем чувствительность термопары типа К(41мкВ). т. е. Теоретически, точность измерительного тракта составит не лучше ± 2,5 градусов. Практически, нам помешают шумы. А их согласно таблице 31-8 датащита целых -10 знаков — т. е. итоговая точность составит не лучше -25 градусов. Хе-хе.

Напишем программу, которая будет работать на прерываниях (я набросал ее для одного из комментариев). Средой Arduino воспользуемся как загрузчиком:

Рисунок 10: Натурный эксперимент с двумя термопарами, стаканами и скрепками

void setup()
{
autoadcsetup();
}


void loop()
{

}
float coeff[] = {0, 
                2.508388e1, 
                7.860106e-2,
                -2.503131e-1,
                8.315270e-2,
                -1.228034e-2,
                9.804036e-4,
                -4.413030e-5,
                1.057734e-6,
                -1.052755e-8
            };

void autoadcsetup(){
//set up TIMER0 to  61Hz
//TIMER0_OVF will be the trigger for ADC
/*normal mode, no prescaler
16MHz / 256 /1024 = 61 Hz*/
TCCR0B = (1 << CS02) | (1 << CS00);//timer frequency = clk/1024
//set ADC.
ADMUX =  (1 << MUX3) | (1 << MUX1)| (1 << MUX0) | (1 << REFS1)| (1 << REFS0);//10-bit mode, ADC9-ADC8 channel, Gain 200, 2.56V ref
ADCSRA = (1 << ADEN) | (1 << ADATE) | (1 << ADIE) | (1 << ADPS2)| (1 << ADPS1)| (1 << ADPS0);//TUrn ADC On, trigger enable, Interrupt enable, sysclk/128=125kHz_ADC_clk=9.6kHz conv freq(13ticks per conversion)
ADCSRB = (1<< ADTS2) | (1 << MUX5);//Auto trigger source
//set UART to 8-n-1 1Mbod:
UBRR0H = 0;//9600(use Examples of Baud Rate Setting table from datasheet)
UBRR0L = 103;//9600
UCSR0B = (1<<TXEN0);//enable Transmitter
UCSR0C = (3<<UCSZ00);//8-bit mode
}
int32_t result=0;
float t=0;
ISR(ADC_vect){
  
  if( ( UCSR0A & (1<<UDRE0)) ){
    //calc:
    t=0;
    result = (ADCH >>1)*2560/512;//calc voltage in mV
    float edc = static_cast<float>(result);//convert to float
    for (uint8_t i = 0; i < 10; i  ){
        t  = coeff[i] * pow (edc, i);
     }
    UDR0 = static_cast<uint8_t>(t);
  }
}

Для кипятка вокруг одной термопары и стакана с тающим льдом вокруг другой на выходе сплошная каша со средним значением первых двух строк 124 градуса, что очень даже хороший результат — будем считать что в точность -25 градусов мы уложились.

Рисунок 11: Сырой вывод данных

Разумеется, практической значимости данная халтурка не представляет и для измерения температуры с помощью термопары нужно использовать более точные АЦП. Хорошим встроенным АЦП обладает к примеру микроконтроллер ADuCM360, причем он рассчитан именно на столь малые входные сигналы.

Существуют специализированные внешние АЦП для термопар — например компания Maxim Integrated выпускает несколько микросхем для термопар — MAX31850, MAX31851, MAX31855, MAX31856. Есть драйверы и у компании Analog Devices Бюджетным будет вариант использования предварительных усилителей на малошумящих ОУ для нашего АЦП. У меня хорошие результаты показывал LMP2022.

Приборы для анализа состава газов и газовые индикаторы

При горении газового топлива его горючие составляющие вступают в химическое взаимодействие с кислородом. В результате реакции образуются продукты сгорания — углекислый газ С02 и водяные пары Н20.

Азот, содержащийся в воздухе, в горении не участвует. В воздухе содержится по объему около 21% кислорода, а 79% азота, больше требующегося для реакции горения объема кислорода, — в 100:21 = 4,76 раза. На 1 м3 кислорода приходится 79/21 = 3,76 м3 азота.

Объемные соотношения реакции горения метана, как основного компонента природного газа, могут быть выражены следующим образом

Из уравнения следует, что при полном сгорании 1 м3 метана образуется 1 м3 углекислого газа и 2 м3 водяных паров. Общий объем продуктов сгорания равен сумме объемов реагировавших газов

(10,52 м3). При неполном сгорании метана реакции протекают иначе. Часть метана сгорает, образуя водяные пары и оксид углерода

т.е. 1 м3 метана, соединяясь с кислородом, образует 2 м3 водяных паров и 1 м3 оксида углерода.

Другая часть метана сгорает, образуя водяные пары и частицы твердого углерода (сажу).

Третья часть метана не сгорает совсем и уходит вместе с отходящими газами. Все случаи неполного сгорания метана могут происходить в одно и то же время.

При неполном сгорании метана выделение теплоты уменьшается, образуется сажа, которая, оседая на поверхности нагрева, уменьшает теплоотдачу, и возрастают потери теплоты с уходящими газами.

Кроме того, при неполном сгорании топлива в продуктах горения могут оказаться оксид углерода и метан. Оксид углерода (угарный газ) обладает токсичностью, являясь сильным ядом, вступающим в реакцию с гемоглобином крови и вызывающим кислородное голодание.

При значительной концентрации метана в воздухе возможно удушье из-за уменьшения количества в нем кислорода. Таким образом, при максимальном содержании в продуктах горения С02 должно быть минимальное содержание 02 и полное отсутствие СО, Н2 и СН4.

Для определения концентрации горючего газа наиболее широкое распространение получил переносной искровзрывобезопасный газоиндикатор ПГФ-2М1. Действие прибора основано на изменении электрического сопротивления терморезистора (чувствительного элемента) при сгорании на нем горючего компонента исследуемой смеси.

Прибор (рис. 2.36) имеет два предела измерения ПР1 и ПР2. Переменным резистором R6 — «Ток» (тумблер 77 в положении 2 — «Контроль», Т2 — ПР1) устанавливается ток, при котором платиновые спирали чувствительных элементов разогреваются до температуры сгорания ожидаемого в смеси горючего компонента. Затем,

Рис. 2.36. Газоанализатор ПГФ-2М1: а — общий вид; б — газовая схема; в — электрическая схема;

• 1 — выпускной клапан; 2 — поршневой насос; 3 — взрывозащитные втулки;
• 4 — сравнительная камера эталонного терморезистора;
• 5 — измерительная камера рабочего терморезистора; 6 — входной штуцер; 7 — тройник для разбавления пробы воздухом; 9 — впускной клапан

предварительно прокачав насосом чистый воздух через рабочий терморезистор, вращая ручку потенциометра 7?5(«Пульт»), уравновешивают схему (тумблер Тв положении 1 «Анализ»). Газ анализируют после забора пробы насосом через шланг на втором пределе измерения ПР2. При отсутствии показаний на этом пределе переходят на предел измерения ПР1.

Шахтные интерферометры (ШИ) (рис. 2.37) служат для определения концентрации метана, углекислого газа и кислорода в воздухе. Действие прибора основано на изменении смещения полос интерференции (наложения) двух световых лучей, один из которых проходит через исследуемый газ, а другой через чистый воздух.

Рис. 2.37. Шахтный интерферометр (ШИ): а — принципиальная схема: 1 — лампа накаливания;

• 2 — линза; 3 — плоскопараллельное зеркало; 4 — резиновая груша;
• 5 — патрубок; 6, 12 — сравнительные камеры чистого воздуха;
• 7 — измерительная трубка; 8 — соединительная трубка;
• 9 — патрубок; 10 — призма полного внутреннего отражения;
• 11 — лабиринт; 13 — окуляр; 14 — объектив;
• 15 — выходная отражательная призма; 16 — регулировочные винты нуля; 17— интерференционная черная полоса; 18 — шкала; б — общий вид: 1 — корпус; 2 — регулировочный винт нуля;
• 3 — влагопоглотительный патрон; 4 — резиновый шланг;
• 5 — окуляр; 6 — резиновая груша;
• 7 — кнопка включения осветителя

ческую среду. Это исходное нулевое положение фиксируется совмещением середины левой черной полосы интерференционной картины с нулевой отметкой неподвижной шкалы. После заполнения рабочей камеры исследуемой газовоздушной смесью получается дополнительная разность хода лучей, и интерференционная картина смещается от своего нулевого положения.

Для полного и точного анализа компонентов различных газов и продуктов сгорания топлива применяется метод газовой хроматографии. Метод позволяет разделить анализируемую смесь газа на отдельные компоненты с последующим определением концентрации каждого из них.

Метод хроматографии основан на принципе адсорбции одного из компонентов, происходящей на поверхности раздела двух сред. Абсорбированные частицы газа удерживаются на поверхности абсорбента — тела, образующего поглощающую поверхность, зависящую при определенных условиях только от природы газа.

Поэтому время задержки различных газов в адсорбенте различное, в результате чего в чувствительный элемент прибора каждый компонент исследуемой смеси приходит в определенное время. Хроматограф, оснащенный самопишущим прибором, реагируя на каждый компонент, вычерчивает на диаграммной ленте кривую в виде отдельных пиков.

В качестве адсорбентов используются различные вещества, например мелкогранулированный активированный уголь, и в качестве носителя, увлекающего анализируемую пробу по тракту хроматографа, — газы.

Наиболее распространенный портативный лабораторный хроматограф «Газохром 3101» предназначен для полного анализа продуктов сгорания топлива, а также для определения различных углеводородов, водорода, оксида и диоксида углерода в воздухе.

Принципиальная схема хроматографа «Газохром 3101» приведена на рис. 2.38. Достоинством прибора является наличие комбинированного детектора 19, т.е. измерительный мост имеет две рабочие камеры, включенные в разные плечи моста. Этим обеспечивается работа хроматографа на двух газах-носителях, что позволяет одновременно исследовать как горючие, так и негорючие компоненты газа в смеси.

Через рабочую камеру 18 пропускается газ-носитель воздух. Проба газа с помощью дозатора вводится в точку II. Пройдя через раздельную колонну 17, заполненную специальным сорбентом, газ разделяется на составляющие его компоненты. В камере /?присутствующие в пробе горючие компоненты сгорают на активном сопротивлении, вызывая разбаланс измерительного моста, что регистрируется прибором 15.

Регистрация негорючих газов происходит за счет изменения температуры чувствительного элемента 14из-за передачи газу определенного количества теплоты, обусловленной теплопроводностью

Рис. 2.38. Схема хроматографа «Газохром 3101»:

• 1,10 — манометр; 2 — баллон со сжатым воздухом; 3, 5, 9, 11 — редукторы; 4 — микрокомпрессор; 6,8 — фильтры; 7 — дроссельные устройства;
• 72 — баллон со сжатым аргоном; 13, 76 —реометры;
• 74 — чувствительный элемент; 75 — регистрирующий прибор;
• 77— раздельная колонна; 18 — рабочая камера; 19 — комбинированный детектор; 20,21 — разделительные колонки; I, II, III — точки

каждого компонента газа. Газом-носителем в этом случае является аргон. Разделительные колонки 20, 2/тракта для исследования негорючих газов заполнены активированным углем. Пробы газа вводятся в точки I, III.

Блоки подготовки газов-носителей воздуха и аргона, служащие для регулирования давления и расхода этих газов, включают в себя баллоны со сжатым воздухом 2 и аргоном 12, редукторы 3, 5, 9, 11, дроссельные устройства 7, фильтры 6, 8, манометры 1, 10 и газопроводы.

Для постоянного автоматического контроля загазованности воздуха применяются газосигнализаторы. Эти приборы при появлении в воздухе определенной концентрации газа включают звуковой или световой сигнал или электрическую схему безопасности. Сигнализатор утечки метана квартирный (СКМ) и сигнализатор утечки метана подвальный (СПМ) предназначены для непрерывного автоматического контроля и сигнализации при образовании до взрывной концентрации природного газа (метана) в бытовых помещениях и подвалах.

Работа приборов основана на термокаталитическом принципе действия. Контролируемый воздух за счет конвекции и диффузии поступает во взрывобезопасную, встроенную в прибор камеру сгорания, где происходит сжигание присутствующего в воздушной смеси метана.

В газоанализаторе СВК-ЗМ1 обеспечивается принудительное прохождение контролируемого воздуха через измерительный тракт методом эжекции. Прибор реагирует на различные газы, включая метан, пропан, бутан, водород, бензол, оксид углерода.

Принцип действия прибора основан на изменении сопротивления термокаталитического чувствительного элемента при сгорании на его спирали контролируемого газа. Газовая схема сигнализатора представлена на рис. 2.39. Сжатый воздух через фильтр 5 и редуктор 4 поступает в эжектор 1, где за счет создаваемого эжектором разрежения через измерительный тракт происходит эжектирование контролируемого воздуха. В точке 3 происходит количественный анализ поступаемой газовоздушной смеси.

Рис. 2.39. Газовая схема сигнализатора СВК-ЗМ1:

1 — эжектор; 2 — малый цилиндр; 3 — большой цилиндр; 4 — редуктор; 5 — фильтр

Сигнализаторы газов и паров типа СТХ — это одноканальные стационарные приборы непрерывного действия, предназначенные для определения и автоматической сигнализации о наличии в воздухе помещений довзрывоопасных концентраций горючих веществ и их смесей.

Принцип действия прибора основан на измерении теплового эффекта каталического сгорания горючих газов и паров на чувствительном элементе, включенном в схему датчика сигнализатора СТХ-1У4 (рис. 2.40). Сжатый воздух через редуктор 1 поступает на эжектор 2.

В газовую камеру засасывается анализируемая газовая смесь через входное устройство 11. При этом пневмотумблер 7 закрыт. Расход анализируемой смеси устанавливается по ротаметру 3. С помощью капилляра 8 во входном устройстве создается небольшое избыточное давление воздуха, препятствующее попаданию в измерительный тракт анализируемой газовой смеси.

Для контроля за состоянием газопроводов при плановых технических осмотрах используются высокочувствительные газоинди- каторы ВГИ-2, «Тестер-СН4», «Универсал», «Вариотек» и др.

Рис. 2.40. Пневматическая схема датчика сигнализатора СТХ-4.4:

1 — редуктор; 2 — эжектор; 3 — ротаметр; 4 — втулка взрывозащитная; 5 — газовая камера; 6 — чувствительный элемент; 7 — пневмотумблер; 8 — капилляр; 9 — фильтр; 10 — штуцер; 11 — входное устройство

Высокочувствительный газоискатель ВГИ-2 (рис. 2.41) представляет собой переносной газоиндикатор, работающий по принципу беспламенного каталитического сжатия отбираемой из контролируемого места пробы газовоздушной смеси на раскаленной платиновой спирали, являющейся одним плечом измерительного мостика Уптетона.

Одновременно на другом плече этого мостика, на такой же раскаленной током аккумуляторной батареи спирали, нагревается воздух. Когда в отбираемой из предполагаемого места утечки газа пробе отсутствует газ, то температуры измерительной и сравнительной платиновых спиралей будут одинаковыми.

Будут одинаковыми также их электрические сопротивления вследствие равенства сопротивлений плеч мостика Уптетона. При наличии газа в отбираемой пробе в результате окисления в ней горючих компонентов на измерительном плече выделяется дополнительная теплота, увеличивающая сопротивление измерительной платиновой спирали, и в измерительной диагонали моста возникает разность потенциалов, пропорциональная концентрация горючих компонентов в приборе, что вызывает соответственное отклонение стрелки микроамперметра.

Для определения места утечки газа из подземного газопровода предварительно пробуривают ряд отверстий. Наибольшая концентрация газа в одном из отверстий указывает на предполагаемое место повреждения. Газоискатель ВГИ-2 применяется также для определения утечек из арматуры и соединений наружных газопроводов в местах, труднодоступных для отыскания утечек газа обмыванием.

Рис. 2.41. Высокочувствительный газоискатель ВГИ-2:

• 1 — корпус; 2— микроамперметр;
• 3 — «Дроссель» (регулировка производительности компрессора);
• 4 — ручка настройки (устан. 0); 5 — переключатель пределов шкалы; 6 — заборный шланг пробы на ротаметр; 7 — фильтр

Прибор «Тестер-СН4» (Германия) представляет собой автоматический взрывозащищенный переносной малогабаритный газоинди- катор периодического действия. Действие этого прибора основано на измерении тока разбалансировки в измерительном мостике, возникающего и меняющего свою силу в результате каталитического сжигания на платиновой спирали плеча этого мостика различного содержания газа в контролируемом воздухе.

Переносной индикатор типа «Универсал» (Германия) предназначен для обнаружения мест утечки газа из подземных газопроводов без вскрытия грунта и может быть также использован для отыскания мест разгерметизации надземных и внутренних газопроводов.

Принцип действия прибора «Универсал» основан на изменении проводимости реакционного элемента при контакте с газом (рис. 2.42). Насос 6 закачивает пробу воздуха (через пробозабор- ник 1, снабженный противопыльным 2 и специальным газоочистным фильтром 4, а также штемпельным разъемом 3) в собственно прибор, имеющий дополнительные воздушные фильтры 5, 7 и основной узел — измерительную камеру 8.

Специальный фильтр очистки газа 4 отделяет от пробы, поступающей в измерительную камеру, влагу и тяжелые углеводороды. Оставшиеся в пробе горючие компоненты каталитически сжигаются на реакционном элементе, увеличивая его проводимость, а воздух с продуктами сгорания сбрасываются в атмосферу.

Изменение проводимости реакционного элемента измерительным усилием 9 преобразуется в соответствующий процентной концентрации содержания горючего газа сигнал, регистрируемый на стрелочном индикаторе 10. При отклонении стрелки на У3 шкалы и более громкоговорителем 11 подается звуковой сигнал, поступающий с генератора звуковой частоты 12.

Универсальный газовый искатель-детектор «Вариотек-4» предназначен для проверки плотности подземных газопроводов методом отсасывания воздушной среды с поверхности грунта над газопроводами, локального поиска утечек газа из подземных газопроводов через специально выполненные буровые скважины в грунте по трассе обследуемых участков газопроводов, контроля герметичности арматуры, фланцевых и других соединений на подземных газопроводах.

Газовый искатель «Вариотек-4» состоит из четырех основных частей (рис. 2.43): переносного газоиндикатора; пробозаборных приспособлений, называемых детекторными зондами; устройства

Рис. 2.42. Структурная схема газоанализатора «Универсал»:

• 1 — пробоотборник; 2 — фильтр воздуха на заборном шланге;
• 3 — штуцер (штепсельный разъем); 4 — специальный фильтр;
• 5,7— воздушные фильтры прибора; 6 — насос; 8 — измерительная камера; 9 — измерительный усилитель; 10 — индикатор; 11— динамик;
• 12 — генератор звуковой частоты; 13 — аккумуляторная батарея

для зарядки аккумуляторов газоиндикатора; дополнительного компактного аккумулятора.

Для определения наличия газа в контролируемой среде в газо- индикаторе применяется газочувствительный полупроводниковый элемент. Материал этого элемента состоит из диоксида олова Sn02, обладающего электронной проводимостью. Носителями заряда в материале являются электроны.

В момент контроля горючие газы адсорбируются на поверхности полупроводникового элемента, при этом молекулы газа отдают свои электроны полупроводниковому элементу, повышая его электрическую проводимость. Чем больше молекул газа адсорбируется на полупроводниковом элементе, тем больше его электрическая проводимость.

Изменение электрической проводимости полупроводника фиксируется как изменение газовой концентрации контролируемой среды показывающим электронным стрелочным прибором 2, имеющим восемь диапазонов чувствительности. Наиболее чувствительным диапазоном является диапазон 1 переключателя 9, а наиболее грубым — диапазон 8.

Газовый искатель «Вариотек-4» можно использовать для обнаружения утечек горючих газов (водород, оксид углерода, легкие и тяжелые углеводороды), а также для определения негорючих газовых смесей с пониженным содержанием кислорода.

Рис. 2.43. Универсальный газовый искатель-детектор «Вариотек-4»:

1 — чувствительный диапазон; 2 — показывающий электронный стрелочный прибор; 3 — стрелочный индикатор; 4 — датчик звукового сигнала; 5 — патрубок; 6 — штемпельный разъем; 7 — переключатель; 8 — кнопка «Коррекция нуля»; 9 — переключатель диапазонов

Датчик звукового сигнала 4 срабатывает, когда стрелка прибора 2 перейдет за цифру 20. При контроле герметичности надземных и внутренних газопроводов рекомендуется устанавливать переключатель диапазонов 9 на позиции 4 или 5 и использовать ручной детектор. После подключения ручного зонда к штемпельному контакту 1 отключается отсасывающий насос.

Кнопка «Коррекция нуля» 8 служит для установления стрелки показывающего прибора 2 на нулевое положение. Детекторные зонды присоединяются к прибору шлангом к патрубку 5. Аккумуляторы, встроенные в газоискатель, работают в течение 10 ч, после этого подзаряжаются подключением зарядного устройства к штемпельному разъему 6.

Переносной сигнализатор утечек газа СГУ-143 применяется в газовом хозяйстве для определения утечек газа из внутренних газопроводов, а также для контроля загазованности каналов, колодцев и подвалов. Сигнализатор представляет собой одноблочный прибор с выносным датчиком-пробником и со звуковой сигнализацией.

Для нахождения трасс подземных газопроводов и определения глубины их заложения применяются переносные приборы — трассо- искатели ВТР и ТПК. Принцип определения подземного металлического сооружения заключается в создании электромагнитного поля специальным генератором вокруг объекта поиска и в обнаружении этого поля с помощью специального приемного устройства.

Рис. 2.44. Основные элементы трассоискателя ТПК-1:

• 1 — корпус блока питания; 2 — зарядное устройство; 3 — кабель к зарядному устройству; 4 — ввод кабеля от сети переменного тока;
• 5 — предохранитель зарядного устройства; 6 — аккумуляторы;
• 7 — штекерный разъем; 8 — кабель «блок питания — генератор»;
• 9 — корпус генератора; 10 — коммутирующая кнопка;
• 11 — измерительный прибор; 12 — индикаторная лампа; 13 — предохранитель; 14 — кнопка «Повторное включение»; 15 — выключатель питания;
• 16 — переключатель выходного напряжения генератора;
• 17 — переключатель рода работы; 18 — выходной кабель генератора;
• 19 — штыревой заземлитель; 20 — зажим для трубопровода;
• 21 — выключатель приемника; 22 — регулятор громкости;
• 23 — магнитная антенна приемника; 24 — головные телефоны

В последнее время широкое распространение получили лазерные газоаналитические системы Л ГА, которые позволяют обнаружить содержание метана в атмосфере.

Лаборатория, устройство которой показано на рис. 2.45, оборудована на автомобиле 1, в котором размещена лазерная газоаналитическая система с побудителем расхода 8 и источником питания 7. Кузов автомобиля разделен перегородкой б на два отсека — приборный и агрегатный.

В приборном отсеке устанавливаются анализатор 5, воздухозаборник 4, пробоотборник ПО-В 3, кресло 10, огнетушитель 2, ящик инвентарный 9, в агрегатном отсеке — источник питания системы Л ГА 7, побудитель расхода 8 и огнетушитель 2.

Принцип действия лазерного газоанализатора основан на поглощении молекулами метана части энергии светлого луча гелиево-неонового лазера, причем ослабление интенсивности светового луча тем больше, чем больше молекул метана встретится на пути луча. Каждый газ характеризуется определенной частотой поглощения электромагнитных волн.

Для метана максимум поглощения соответствует частоте излучения гелиево-неонового лазера. Все другие газы имеют максимумы поглощения на других частотах, не совпадающих с частотой данного лазера, и поэтому при сравнимых концентрациях не оказывают заметного влияния на изменение интенсивности све-

Рис. 2.45. Подвижная лазерная лаборатория ЛЯП:

• 1 — автомобиль; 2 — огнетушитель; 3 — пробоотборник ПО-3;
• 4 — воздухозаборник; 5 — газоанализатор ЛГА; 6 — перегородка; 7 — источник питания системы ЛГА; 8 — побудитель расхода;
• 9 — инвентарный ящик; 10 — кресло; 11, 12— пробоотборники тового луча. Этим объясняется высокая избираемость лазерного газоанализатора.

Побудитель расхода 5 (рис. 2.46) представляет собой двухкамерный мембранный компрессор, с помощью которого в измерительной кювете 11, устройстве пробоподготовки 6, пробоотборных устройствах 7~9 и воздухозаборнике 10 создается разрежение, благодаря чему контролируемая проба и воздух для разбавления ее засасываются в измерительную кювету.

Луч лазера 1 через оптическую систему и модулятор 2 поступает попеременно то в измерительную кювету и через нее на фотоприемник 3 (измерительный луч), то непосредственно на фотоприемник (опорный луч). В измерительном блоке 4 происходит сравнение интенсивностей обоих лучей, и сигнал поступает на показывающий прибор.

Рис. 2.46. Структурная схема ЯГА:

• 1 — луч лазера; 2 — модулятор; 3 — фотоприемник;
• 4 — измерительный блок; 5 — побудитель расхода;
• 6 — устройство пробоподготовки; 7-9 — пробоотборные устройства; 10 — воздухозаборник; 11 — измерительная кювета