научная статья по теме БЕСПРОВОДНЫЙ АВТОНОМНЫЙ ДАТЧИК ДЛЯ МОНИТОРИНГА УТЕЧЕК ГОРЮЧИХ ГАЗОВ Энергетика

Текст научной статьи на тему «БЕСПРОВОДНЫЙ АВТОНОМНЫЙ ДАТЧИК ДЛЯ МОНИТОРИНГА УТЕЧЕК ГОРЮЧИХ ГАЗОВ»

УДК 681.586'33

БЕСПРОВОДНЫЙ АВТОНОМНЫЙ ДАТЧИК ДЛЯ МОНИТОРИНГА УТЕЧЕК ГОРЮЧИХ ГАЗОВ

А. М. Баранов, М. А. Иванов, А. В. Савкин, Д. Н. Спирякин, И. В. Хромушин

Впервые приведены результаты исследований возможностей создания датчика метана с передачей данных по беспроводной сети стандарта ZigBee и имеющего длительный срок автономной работы. Разработана конструкция датчика на базе термокаталитических сенсоров, предложен и исследован периодический режим проведения измерений. На основе анализа полученных результатов дана оценка времени работы датчика в различных режимах. Ключевые слова: беспроводный датчик метана, периодический режим, автономное питание, оценка энергопотребления.

Сегодня чрезвычайно актуальна задача эффективного мониторинга газового состава окружающей среды путем создания сенсорных сетей, охватывающих большие территории и обеспечивающих непрерывный контроль наличия горючих и взрывоопасных газов [1].

Недостатки проводных сенсоров и систем контроля — их зависимость от систем электроснабжения и кабельного телеизмерения; уязвимость кабелей к различным повреждениям и помехам, связанным с наводками электромагнитных полей, большой расход кабельной продукции. Более того, во многих случаях электропитание в местах проведения мониторинга вообще может отсутствовать.

В частности, для непрерывного мониторинга газового состава атмосферы промышленного предприятия необходимо разместить на его территории соответствующие датчики. Причем для эффективного мониторинга необходимо размещать сенсоры не только в разных местах, но и на разных высотных уровнях [2]. В этом случае все предприятие будет "увешано" кабелями электроснабжения и снятия данных.

Частично проблема может быть решена путем периодического мониторинга атмосферы переносными газоанализаторами [3]. Однако этот способ не оперативен и не позволяет своевременно детектировать опас-

ные ситуации и принимать решения по их устранению. Кроме того, существующие системы мониторинга чрезвычайно дороги как сами по себе, так и в обслуживании.

Решение данной проблемы возможно при использовании беспроводных технологий передачи информации от датчиков, объединенных в сенсорные сети

[4]. Среди известных стандартов беспроводной передачи данных

[5] наиболее подходящим для этой задачи является стандарт 802.15.4. В частности, спецификация ZigBee разработана именно под малопотребляющие сенсорные сети и рассчитана на передачу небольших пакетов информации [6]. В то же время необходимо заметить, что отказ от передачи данных по кабельным линиям наиболее эффективен с одновременным отказом и от сетевого питания. Это предъявляет жесткие требования к сенсорам, режимам измерения, обработке и передаче данных.

В данной статье впервые представлены результаты разработки беспроводного энергонезависимого датчика для мониторинга концентрации метана в воздухе. Целью работы была проверка возможности создания портативного автономного измерительного устройства, функционирующего от батарейного питания в течение длительного периода времени.

В качестве сенсоров метана были выбраны термокаталити-

ческие сенсоры (ТК) пелистор-ного типа ДТК-2 (производитель НТЦ ИГД), представляющие собой платиновую спираль из литого микропровода в квар-цоидной изоляции с диаметром жилы 10 мкм и толщиной квар-цоидной изоляции 2 мкм. Поверхность спирали покрыта слоем носителя из материала с ши-рокоразветвленной поверхностью, на которую нанесено каталитически активное вещество (смесь Р1 и Рё). Выбор сенсоров данного типа был сделан на основе анализа сенсоров горючих газов, который показал, что данный тип сенсоров является одним из самых малопотребляющих (60...70 мВт).

Принцип действия таких сенсоров заключается в беспламенном сжигании (окислении) горючего газа на поверхности каталитически активного вещества и измерении количества выделившегося при этом тепла, которое пропорционально концентрации горючего газа (например, метана) в анализируемом воздухе. Для обеспечения процесса окисления платиновую спираль нагревают до 400...450 °С.

При выделении тепла происходит изменение сопротивления Я спирали из платиновой проволоки на величину АЯ. Сопротивление спирали определяется по формуле: Я = Яо(1 + аАТ), где Яо — сопротивление спирали при Т = 25 °С; а — температурный коэффициент сопротивления (ТКС) платиновой прово-

34

вепвогв & Эувгетв • № 11.2010

AD8532

оит усе

ОКБ

К5

ADP3335 1,2,3

С2

*8Т

4

6,7 8

С3| х

£_1

—3

TG-ETRX2

вш

угг ТхБ

ADuC836

АУПП ТхБ

ОТГО КхБ

Р2.0

БАС дс,ш

А1Ж

АШ5 ПОШ

АШ2

Рис. 1. Принципиальная схема беспроводного датчика СН4

9

локи; АТ — изменение температуры спирали.

Измерение величины АЯ осуществляется путем подключения сенсора в одно из плеч мостовой измерительной схемы. Для исключения влияний изменений окружающей температуры, давления, влажности среды и других неизмеряемых параметров атмосферы, в плечо мостовой схемы с рабочим ТК-сен-сором подключается компенсационный сенсор, который по своим характеристикам и конструктивному исполнению аналогичен каталитически активному рабочему сенсору, и отличается только отсутствием покрытия из черни благородных металлов. Поэтому горючие газы на нем не окисляются, и, следовательно, его температура определяется только протекающим по нему током.

Основными элементами схемы (рис. 1) являются: микроконвертер (МК) ADuC836, ZigBee-модем TG-ETRX2, операционный усилитель (ОУ) AD8532 и стабилизатор ADP3335.

Функциональное назначение датчика — это работа в качестве двухпорогового беспроводного сигнализатора метана в воздухе в диапазоне концентраций 0...50 % НКПР (0...4,4 %, об.). Первый порог срабатывания (предупреждение) лежит в диапазоне концентраций метана 0,25...1 %, об., второй порог (тревога) — в диапазоне 1...2 %, об.

Измерительный сенсор ЯК1 вместе с компенсационным сен-

сором ЯК2 установлен в мостовую схему (Я1—Я2—ЯК1—ЯК2). В схему также включен шунт Я3, номинал которого составляет 1 Ом. Сопротивление сенсоров ЯК1 и ЯК2 при комнатной температуре — 12 Ом. Номинал сопротивлений Я1 и Я2 — 1000 Ом.

Измеряемыми параметрами являются: разность потенциалов им измерительной диагонали моста (входы ЛШ1 и ЛШ2) и напряжение иш на шунте Я3 (вход Л1Ы5).

Управление мостовой схемой осуществляется микроконвертером ADuC836, имеющим достаточное быстродействие и низкое энергопотребление в активном и спящем режимах (см. таблицу).

Работа беспроводного датчика оптимизирована с целью обеспечения минимального энергопотребления. В датчике реализованы три режима: — измерения данных, передачи данных и "спящий" режим (энергосбережения). Как видно из таблицы, основным потребителем мощности являются сенсоры. В непрерывном режиме работы, ког-

да сенсоры все время нагреты до рабочей температуры, датчик может проработать от батарей типа АА не более 50 ч. Поэтому в работе был реализован и исследован периодический режим проведения измерений концентрации метана в воздухе. Периодичность измерений определяется нормативными документами [7] и, в частности, для контроля концентрации метана время установления показаний датчика в 50 % значения от объемной доли метана при скачкообразном увеличении его концентрации должно составлять не более 20 с [8]. Длительность измерения определяется временем выхода сенсоров на рабочий режим и обсуждается ниже.

Для управления работой токового буфера на базе ОУ AD8532 используется ключ на полевом транзисторе УГ1, который подключен к линии Р2.0 ввода/вывода МК. В основном состоянии ("спящий режим") этот ключ закрыт, ОУ отключен, и ток через мостовую схему отсутствует.

Каждые 20 с при срабатывании прерывания от встроенного таймера включения МК переходит в активный режим работы, открывает ключ УГ1, подает с выхода ЦАП на вход ОУ напряжения уровнем 2,8 В и измеряет соответствующие параметры схемы. Выбор напряжения нагрева сенсоров равным 2,8 В обусловлен тем, что это значение напряжения является рабочим для сенсоров в случае непрерывного режима.

Значения потребляемого тока основных элементов датчика в разных режимах работы

Режим работы датчика Потребляемый ток, мА, не более

ЛБиС83б ТО-ЕТИХ2 ЛБР3335 Мостовая схема

Режим измерения 2,3 0,01 1 50...90

Режим передачи данных 2,3 42 0,5 0

"Спящий" режим 0,02 0,01 0,08 0

г

Инициализация устройства

С Старт )

и г

Инициализация устройства

п

±

Установка режимов работы: Скорость UART: 115200 кб/с АЦП1: AIN1-2, 100 Гц, биполярн. АЦП2: ЛШ5-общ., 100 Гц, униполярн. Операционный усилитель: выключен

I

Инициализация ZigBee-модема

т

^ | Выполнение подключения к сети — ^ Переход в режим энергосбережения ^

Переключение микроконвертера в режим пониженного электропотребления

X

Установка для Wake-up таймера значения 20 секунд

ь-

Переключение ZigBee-модема в «спящий» режим

Включение нагрева сенсоров:

1) Включить операционный усилитель

2) Установить напряжение на выходе ЦАП равным 2,8 В

I

/Преобразование в код напряжения/ на шунте R3 с помощью АЦП2 h

Выключение нагрева сенсоров:

1) Выключить операционный усилитель

2) Выключить ЦАП

— —

Отправка результатов измерений на сетевой концентратор

Переключение ZigBee-модема в активный режим

L

Рис. 2. Схема алгоритма работы беспроводного датчика CH4

Значение разности потенциалов моста с помощью 16-разрядного АЦП микроконвертера преобразуется в эквивалентный цифровой код. Время преобразования составляет 10 мс. Поскольку АЦП служит только для измерений, питание АЦП, так же как и питание аналоговой части схемы, программно выключается после окончания измерения.

Полученное значение разности потенциалов диагонали моста сравнивается с пороговыми значениями (для 0,25 и 2 % СН4), хранящимися в памяти микроконвертера. Значения концентраций ниже опасного значения игнорируются, и датчик переходит в режим энергосбережения. Если же был превышен один или оба порога, МК посылает на радиомодем байт данных по асинхронному последовательному интерфейсу иАИТ, тем са-

ров на данную плату могут быть также установлены полупроводниковые сенсоры метана.

На рис. 4 представлена зависимость тока /ш (кривая 1), протекающего через шу

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком