Detekce plynů s využitím pyroelektrických snímačů

Detekce plynů se stává nedílnou součástí řady průmyslových, ale i komerčních aplikací. Všichni třeba máme v našich domovech systémy, které nás mají chránit v případě výskytu kouře či oxidu uhelnatého. Samotné monitorování zde přitom pokrývá spoustu možných zdrojů, včetně oxidu uhličitého, oxidu dusičitého nebo některých anestetických plynů. Konkrétní aplikace pak zahrnují měření vydechovaného oxidu uhličitého, tzv. kapnografii, pro diagnostické účely v medicíně, stanovení kvality vzduchu uvnitř chytrých budov nebo komerčně dostupné, přenosné detektory pro analýzu plynů. V článku se zaměříme na detekci s využitím pyroelektrického senzoru a zdůrazníme, proč je takový přístup lepší než v případě infratermočlánku. Metody snímání založené na infratermočlánku se totiž potýkají s některými problémy, např. dlouhou dobou potřebnou k ustálení, dlouhými časy pro měření nebo též citlivostí na změny okolního prostředí. S ohledem na infračervená měření si také vysvětlíme principy stojící za detekcí plynů a vyzdvihneme i výhody plynoucí z takového řešení. Kompletní systém pak počítá s čidly spojenými s host mikrokontrolérem prostřednictvím rozhraní I²C.

S detekcí takového druhu se zkrátka potkáváme všude okolo nás. V domácnostech jsme chráněni s detektory kouře a senzory oxidu uhelnatého, v moderních kancelářích se čerstvého vzduchu dosahuje na základě monitorování úrovní oxidu uhličitého a v továrnách poté řadu různých plynů sledujeme z důvodu řízení procesů a také kvůli bezpečnosti. Novějším příkladem bezpečnostní aplikace v elektrických vozidlech se zase stává monitorování spojené s akumulátory. Tvorba plynu zde totiž s předstihem signalizuje přetížení nebo jinou neobvyklou činnost, a to ještě dříve, než dojde k jakýmkoli změnám teploty.

V nemocnicích a zdravotnických zařízeních senzory dále poslouží u různých klinických a diagnostických přístrojů. Jako příklad takového zařízení uvádíme kapnograf, přenosný systém sloužící k detekci množství oxidu uhličitého vydechovaného pacientem. Kapnografie pomůže při celkovém zhodnocení pacienta v souvislosti s jeho ventilací a metabolismem, zatímco se často využije při poskytování akutní péče nebo v rukou záchranářů. Přenosné ruční kapnografy jsou napájeny z baterie a zejména pro účely použití při nehodách a v rámci první pomoci musí nabídnout rychlé a také přesné výsledky.

Metody detekce plynů

Monitorování zde vyžaduje snímač vystavený působení infračerveného záření (IR) za současné přítomnosti plynu. Vzhle-dem k tomu, že různé plyny absorbují v infračervené oblasti větší množství energie na konkrétních vlnových délkách, bude možné odlišit druh detekovaného plynu právě na základě změn energie. Molekuly plynu zde pohlcují energii ze zdroje IR záření, stávají se ještě pohyblivějšími, vybuzenými a produkují teplo. S rostoucí koncentrací přesně daného plynu se proto zvyšuje i množství absorbované infračervené energie.

V zařízeních sloužících k detekci, jako jsou třeba kapnografy, se obvykle používaly infratermočlánky. Termočlánek zde poté dokázal u molekul zaznamenat teplotní změny a vyrobit na výstupu napětí úměrné zjištěné koncentraci konkrétního plynu.

Zmíněný typ senzoru však vyžaduje dobu pro ustálení v délce až dvě minuty, počítané od zapnutí přístroje do okamžiku, kdy již máme snímač dostatečně stabilní na to, aby mohl provádět měření. Dalším kritériem pak bude doba měření přes 200 ms. To ještě nemusí vypadat nijak zle, ovšem u návrhů napájených z baterií bude čas, kdy máme čidlo aktivní, negativně ovlivňovat výkonovou spotřebu systému, takže se neobejdeme bez časté výměny zdroje energie, resp. jeho dobíjení. Infratermočlánky si ke své činnosti rovněž žádají další analogové obvody, což představuje rostoucí náklady, včetně doby potřebné k vývoji.

Pyroelektrická metoda při detekci plynů využije pyroelektrického jevu, kdy výstupní napětí vytváříme na základě detekce změn, pokud jde o množství získaného infračerveného záření. Na obr. 1 sledujeme pyroelektrický snímač plynu provozovaný v blízké infračervené oblasti. Zdroj IR energie je zde nasměrován na senzory prostřednictvím uzavřené komůrky, zatímco spektrální filtry poté oddělují optické spektrum tak, abychom vyhověli z pohledu detekovaných plynů a zajistili též referenční kanál. Koncentraci plynu nám určuje rozdíl mezi množstvím IR energie vyzářené ze zdroje v porovnání s tím, co na straně přijímače obdržíme. Využije se přitom dvou IR detektorů – jednoho pro referenční signál ke stanovení množství vyzařované energie a dalšího za účelem odhalení konkrétního plynu.

Obr. 1 Konstrukce pyroelektrického senzoru plynu s vyznačením klíčových součástí; zdroj: KEMET

Příklad možné aplikace – analyzátoru dechu s přispěním pyroelektrického snímače zachycuje obr. 2. Během přenosu IR energie přes plynovou trubici a přenosová okna až do dvou pyroelektrických snímačů nám poslouží pulzní tepelný zdroj v infračervené oblasti. Jeden ze snímačů zajišťuje signál referenčního kanálu s vlnovou délkou 3,9 μm, zatímco další již detekuje vlnovou délku CO2 (4,26 μm).

Obr. 2 Příklad se snímačem CO2 pro analýzu dechu; zdroj: KEMET

Návrh systému pro detekci CO2 s pyroelektrickým senzorem

Jako příklad snímače CO2 nám poslouží USEQGSEAC82180 (KEMET). Řada tenkovrstvých pyroelektrických senzorů QGS od společnosti KEMET s číslicovým rozhraním a kompaktním provedením pouzdra určeného k povrchové montáži se může pochlubit mimořádně nízkou spotřebou energie. V porovnání s detektory využívajícími infratermočlánky dokážou navíc měřit 15krát rychleji. Díky nízké tepelné setrvačnosti piezoelektrického materiálu (PZT) umí pracovat neobyčejně rychle a inicializovat se prakticky okamžitě. Oproti systémům založeným na termočláncích mají PZT prvky rovněž delší životnost. Nejsou zde ani vyžadovány žádné další analogové obvody, zvláště když spojení s host mikrokontrolérem snadno a pohodlně zajišťuje číslicové rozhraní I²C. Programovatelný obvod ASIC připojený přes I²C je přímo součástí senzoru, kde také umožňuje kompletní řízení, včetně konfigurace analogových filtrů, zisku zesilovače nebo parametrů analogově-číslicového převodu. Ve srovnání s infratermočlánky pak způsob detekce plynů s piezoelektrickým snímačem KEMET vykazujícím vysokou citlivost i rychlou odezvu znamená menší výkonovou spotřebu, rostoucí výdrž baterie, delší životnost produktu, ale i nižší náklady na údržbu.

Rodina snímačů QGS přichází se dvěma provozními módy, normálním režimem s maximální vzorkovací rychlostí 1 kHz nebo též nízkopříkonovým režimem, kde již maximum dosahuje 166 Hz. Typický proudový odběr u normálního módu činí 22 μA, zatímco v nízkopříkonovém režimu klesneme na 3,5 μA. Režim „power-down“ poté snímač vyřadí z činnosti a pomůže omezit spotřebu typicky na 1,1 μA.

Zapracování veškerých klíčových prvků analogového signálového řetězce do jediného pouzdra se standardním rozhraním I²C výraznou měrou zjednoduší konstrukci nízkopříkonového senzoru CO2 vhodného pro bateriově napájený kapnograf. Hodnoty ze senzoru máme uloženy v několika registrech dostupných právě přes I²C. Proces veškerého měření a zpracování signálu je spravován samotným senzorem, který tak neklade na host MCU žádné další nároky.

Kompletní systém bude v našem případě zahrnovat pulzní IR zdroj, komůrku s definovanou délkou trasy, zpravidla 20 až 32 mm, referenční kanál a snímač CO2. Infračervený zdroj obvykle spíná až 40krát za vteřinu. Kalibrační proces využije deterministických algoritmů pro nalezení konkrétních poměrů mezi oběma kanály, což může být později použito k přesné predikci koncentrací. Pro linearizaci a stanovení přesných úrovní koncentrace na základě hodnot ze snímače uložených v registrech I²C slouží Beer-Lambertova rovnice.

Obr. 3 dokumentuje čtené „surové“ hodnoty registru I²C senzoru CO2 poplatně jeho úrovním od nuly až do 100 %. Povšimněte si zde i nelineární povahy křivky. Firma KEMET rovněž připravila aplikační poznámku [1] a pracovní list v Microsoft Excelu [2] s cílem usnadnit linearizaci a predikci v procentech.

Obr. 3 „Surová“ data v registru senzoru CO2 napříč řadou hodnot odrážejících koncentrace; zdroj: KEMET

Detekce a návrh prototypu ještě rychleji

Za účelem jednoduššího vývoje detekčního systému společnost KEMET dodává vývojovou SMD sadu pro snímání CO2, USEQGSK3000000 – viz také obr. 4. Obsahuje zde kompletní měřicí systém složený ze dvou snímačů KEMET, referenčního senzoru USEQFSEA391180 a snímače CO2 USEQGSEAC82180. Kit poté zahrnuje host mikrokontrolér STM32F303K8T6 od STMicroelectronics, komůrku z 3D tiskárny a desku s IR zdrojem KEMET plus budič. Za účelem konfigurace celé platformy snímače, zachytávání a také analýzy dat zde nechybí ani software pro Microsoft Windows.

Obr. 4 Vývojová SMD sada KEMET pro monitorování CO2; zdroj: KEMET

Pyroelektrické senzory: cesta k rychlé a nízkopříkonové detekci

Budou-li pyroelektrické snímače použity v přenosných zařízeních pro detekci plynů napájených z baterie nabídnou v porovnání s tradičními infračervenými senzory s termočlánky spoustu výhod. Vývojáři zde mohou těžit z jejich nízké spotřeby, krátké doby potřebné k ustálení a také rychlého měření. V článku jsme poukázali na pyroelektrické snímače CO2 KEMET typu NDIR (non-dispersive infrared) v medicínské aplikaci, jakou je kapnograf.

Možných způsobů využití při měření úrovní koncentrace od nuly až do 100 % se však otevírá mnohem více.

www.mouser.com