izvestswsuИзвестия Юго-Западного государственного университетаProceedings of the Southwest State University2223-15602686-6757ЮЗГУ10.21869/2223-1560-2020-24-1-189-205izvestswsu-723Research ArticleИнформатика, вычислительная техника и управлениеComputer science, computer engineering and IT managmentПовышение эффективности измерений концентрации горючих газов термокаталитическим датчикомImproving the Efficiency of Measurements of Combustible Gases Concentration by a Thermocatalytic SensorБондарьО. Г.BondarO. G.

Бондарь Олег Григорьевич, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры космического приборостроения и систем связи

ул. 50 лет Октября, 94, г. Курск, 305040

Oleg G. Bondar, Cand. of Sci. (Engineering), Associate Professor, Department of Space Instrumentation and Communication Systems

50 Let Oktyabrya str. 94, Kursk 305040

b.og@mail.ruБрежневаЕ. О.BrezhnevaE. O.

Брежнева Екатерина Олеговна, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры космического приборостроения и систем связи

ул. 50 лет Октября, 94, г. Курск, 305040

Ekaterina O. Brezhneva, Cand. of Sci. (Engineering), Associate Professor, Department of Space Instrumentation and Communication Systems

50 Let Oktyabrya str. 94, Kursk 305040

bregnevaeo@mail.ruФГБОУ ВО «Юго-Западный государственный университет»Southwest State University202023062020241189205Copyright © Бондарь О.Г., Брежнева Е.О., 20202020Бондарь О.Г., Брежнева Е.О.Bondar O.G., Brezhneva E.O.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://izvestswsu.elpub.ru/jour/article/view/723Цель исследования

Цель исследования. Термокаталитические датчики широко используются в газоаналитических системах и обладают высокими показателями надежности и низкой стоимостью. Однако погрешности измерения концентрации горючих газов, связанные с нелинейностью характеристики преобразования и влиянием колебаний температуры окружающей среды, значительно ограничивают область их применения. Целью исследования является разработка способа измерения концентрации газа термокаталитическими датчиками, позволяющего снизить погрешности измерения за счет отстройки от влияния температуры окружающей среды и линеаризации характеристики преобразования. Задачи исследования: разработать способ температурной стабилизации термокаталитического датчика. Разработать структурнофункциональную схему включения датчика. Получить математическое описание метода и обоснование отстройки от влияния температуры. Экспериментальным путем подтвердить возможность линеаризации функции преобразования датчика в режиме термостабилизации.

Методы

Методы. При математическом описании метода использована теория теплообмена и теория электрических цепей с дискретными сигналами. При анализе существующих решений и синтезе устройства использованы методы расчёта цепей с нелинейными элементами и теория измерительных систем. Определение реальной функции преобразования осуществлено экспериментальным методом.

Результаты

Результаты. Разработан способ измерения концентрации газа термокаталитическим датчиком, реализованный с помощью микроконтроллера и ШИМ, позволяющий снизить погрешности за счет отстройки от влияния температуры окружающей среды. Приведено математическое описание метода. Проведен эксперимент, демонстрирующий эффективность применения температурной стабилизации с целью линеаризации характеристики преобразования.

Заключение

Заключение. Предложен метод температурной стабилизации термокаталитических датчиков газа, позволяющий повысить точность измерения за счет отстройки от влияния колебаний температуры и линеаризации функции преобразования. Экспериментальным путем подтверждена возможность линеаризации функции датчика, характеризующей зависимость выходного сигнала от концентрации горючего газа. Применение данного метода позволяет снизить стоимость датчика, повысить качественные показатели датчика, такие как надежность и стабильность характеристик.

Thermocatalytic sensors are widely used in gas analysis systems and have high reliability and low cost. However, errors in measuring the concentration of combustible gases related to the non-linearity of the conversion characteristic and the influence of ambient temperature fluctuations significantly limit the scope of their application.

Purpose of reseach

Purpose of reseach. Development of a method for measuring gas concentration by thermocatalytic sensors, which allows reducing measurement errors by tuning out due to ambient temperature influence and linearization of the conversion characteristic.

Problems

Problems. They are as follows: to develop a method for temperature stabilization of a thermocatalytic sensor; to make a structural and functional scheme for the sensor activation; to obtain a mathematical description of the method and substantitation for tuning out as a result of temperature influence; to experimentally confirm the possibility of linearization of the sensor conversion function in the thermal stabilization mode.

Methods

Methods. The mathematical description of the method applies the theory of heat transfer and the theory of electrical circuits with discrete signals. When analyzing existing solutions and synthesizing the device, methods for calculating circuits with nonlinear elements and the theory of measurement systems have been used. The real conversion function has been obtained through an experimental method.

Results

Results. A method for measuring gas concentration by a thermocatalytic sensor with the use of a microcontroller and PWM has been developed. It allows reducing errors due to tuning out as a result of ambient temperature influence. A mathematical description of the method has been given. An experiment has been performed. It demonstrates the effectiveness of using temperature stabilization to linearize the conversion characteristic.

Conclusion

Conclusion. The paper proposes a method for temperature stabilization of thermocatalytic gas sensors. The method makes it possible to increase the accuracy of measurements by tuning out due to the influence of temperature fluctuations and linearization of the conversion function. The possibility of linearization of the sensor function has been experimentally confirmed. It characterizes the dependence of the output signal on the concentration of combustible gas. Using this method allows you to reduce the cost of the sensor, improve the quality factors of the sensor, such as the reliability and stability of parameters.

термокаталитический газочувствительный датчикстабилизация температурымикроконтроллерфункция преобразованиялинеаризациятемпература окружающей средыthermocatalytic gas-sensitive sensortemperature stabilizationmicrocontrollerconversion functionlinearizationambient temperatureReferencesChansin G., Pugh D. Environmental gas sensors 2017–2027. Cambridge, UK: CISION, 2017. 166 p.Chansin G., Pugh D. Environmental gas sensors 2017–2027. Cambridge, UK, CISION Publ., 2017. 166 p.Somov A., Baranov A., Spirjakin D. A wireless sensor-actuator system for hazardous gases detection and control // Sensors and Actuators A: Physical. 2014. Vol. 210. P.157-164.Somov A., Baranov A., Spirjakin D. A wireless sensor-actuator system for hazardous gases detection and control. Sensors and Actuators A: Physical, 2014, vol. 210, pp. 157-164.Дрейзин В. Э., Брежнева Е.О., Бондарь О. Г. Моделирование каталитического датчика водорода // Известия Юго-Западного государственного университета. 2011. Ч. 1. № 5(38). С. 69-76.Dreyzin V. E., Brezhnev E. O., Bondar O. G. Modelirovanie kataliticheskogo datchika vodoroda [Modeling of catalytic hydrogen sensor]. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta = Proceedings of the Southwest State University, 2011, pt. 1, no. 5 (38), pp. 69-76 (In Russ.).Developments in gas sensor technology for hydrogen safety / T. Hübert, L. BoonBrett, V. Palmisano, M. A. Bader // Int. J. Hydrogen Energy. 2014. Vol. 39. P. 20474-20483.Hübert T., BoonBrett L., Palmisano V., Bader M. A. Developments in gas sensor technology for hydrogen safety. Int. J. Hydrogen Energy, 2014, vol. 39, pp. 20474-20483.Пат. РФ № 2304278, G01N27/12 «Способ стабилизации параметров микронагревателя измерительного элемента газового датчика и устройство для его осуществления», 10.08.2007, Бюл. № 22.Sposob stabilizatsii parametrov mikronagrevatelya izmeritel'nogo elementa gazovogo datchika i ustroistvo dlya ego osushchestvleniya [Method for stabilizing the parameters of the microheater of the gas sensor measuring element and a device for its implementation"]. Рatent RF, no. 2304278, G01N27. 2007.Пат. РФ № 2698936. Российская Федерация, МПК G01N 27/12 (2006.01), H03K 3/72 (2006.01). Способ измерения концентрации газа каталитическим датчиком / Бондарь О.Г., Брежнева Е.О. № 2018147099; заявл. 28.12.2018; опубл. 02.09.2019, Бюл. № 25. 1 с.Bondar O. G., Brezhnev E. O. Sposob izmereniya kontsentratsii gaza kataliticheskim datchikom [Method of measuring gas concentration by catalytic sensor]. Patent RF, no. 2698936, 2019.Бондарь О.Г., Брежнева Е.О., Полякова А.В. Применение микроконтроллера для температурной стабилизации полупроводниковых газочувствительных датчиков // Датчики и системы 2014. №2. С. 41-46.Bondar O. G., Brezhneva E. O., Polyakova A.V. Primenenie mikrokontrollera dlya temperaturnoi stabilizatsii poluprovodnikovykh gazochuvstvitel'nykh datchikov [Application of microcontroller for temperature stabilization of semiconductor gas-sensitive sensors]. Datchiki i sistemy = Sensors and systems, 2014, no. 2, pp. 41-46 (In Russ.).Energy efficient planar catalytic sensor for methane measurement / E. Е. Karpov, Е. F. Karpov, А. Suchkov, S. Mironov, A. Baranov, V. Sleptsov, L. Calliari // Sensors and Actuators A: Physical. 2013. Vol. 194. P. 176–180.Karpov E. Е., Karpov Е. F., Suchkov А., Mironov S., Baranov A., Sleptsov V., Calliari L. Energy efficient planar catalytic sensor for methane measurement. Sensors and Actuators A: Physical, 2013, vol. 194, pp. 176–180.Increase of catalytic sensors stability / E. Karpova, S. Mironov, A. Suchkov, A. Karelin, E. E. Karpov, E. F. Karpov // Sensors and Actuators B: Chemical. 5 July 2014. Vol. 197. P. 358-363.Karpova E., Mironov S., Suchkov A., Karelin A., Karpov E. E., Karpov E. F. Increase of catalytic sensors stability. Sensors and Actuators B: Chemical, 5 July 2014, vol. 197, pp. 358-363.Improving interoperability of catalytic sensors / A. Somov, A. Baranov, Alexey Suchkov, A. Karelin, S. Mironov, E. Karpova // Sensors and Actuators B: Chemical. December 2015. Vol. 221, 31 P. 1156-1161. ISSN 0925-4005Somov A., Baranov A., Suchkov A., Karelin A., Mironov S., Karpova E. Improving interoperability of catalytic sensors. Sensors and Actuators B: Chemical, 31 December 2015, vol. 221, , pp. 1156-1161, ISSN 0925-4005.Wireless multi-sensor gas platform for environmental monitoring / D. Spirjakin, A. Baranov, A. Karelin, A. Somov // Environmental, Energy and Structural Monitoring Systems (EESMS), 2015 IEEE Workshop on, 10 July 2015. P. 232-237.Spirjakin D., Baranov A., Karelin A., Somov A. Wireless multi-sensor gas platform for environmental monitoring. Environmental, Energy and Structural Monitoring Systems (EESMS), 2015 IEEE Workshop on, 10 July 2015, pp. 232-237.Energy efficient planar catalytic sensor for methane measurement / E. F. Karpov, E. E. Karpov, A. Suchkov, S. Mironov, A. Baranov, V. Sleptsov, L. Calliari // Sensors and Actuators A: Physical. May 2013. Vol.194. P. 176-180.Karpov E. F., Karpov E.E., Suchkov A., Mironov S., Baranov A., Sleptsov V., Calliari L. Energy efficient planar catalytic sensor for methane measurement. Sensors and Actuators A: Physical, May 2013, vol. 194, pp. 176-180.Абдурахманов Э. А., Рузиев Э. А. Селективные термокаталитические сенсоры в экологическом мониторинге газообразных выбросов // Химическая промышленность. 2003. Т. 80. № 9. С. 444-449.Abdurakhmanov E. A., Ruziev E. A. Selektivnye termokataliticheskie sensory v ekologicheskom monitoringe gazoobraznykh vybrosov [Selective thermocatalytic sensors in environmental monitoring of gaseous emissions]. Khimicheskaya promyshlennost' = Chemical industry, 2003, vol. 80, no. 9, pp. 444-449 (In Russ.).Mao S., Lu G., Chen J. Nanocarbon-based gas sensors: progress and challenges // J. Mater. Chem. A. 2014. Vol. 2. P. 5573-5579.Mao S., Lu G., Chen J. Nanocarbon-based gas sensors: progress and challenges. J. Mater. Chem. A, 2014, vol. 2, pp. 5573-5579.Пат. РФ № 2544358. Российская Федерация, МПК G01N 27/18 (2006.01). Способ измерения довзрывных концентраций горючих газов в воздухе / Карпова Е. Е., Миронов С.М., Сучков А.А., Карпов Е.Е., Карпов Е.Ф. № 2013130480/28; заявл. 04.07.2013; опубл. 20.03.2015, Бюл. № 8. 1 с.Karpova E. E., Mironov S. M., Suchkov A. A., Karpov E. E., Karpov E. F. Sposob izmereniya dovzryvnykh kontsentratsii goryuchikh gazov v vozdukhe [Method for measuring pre-explosive concentrations of combustible gases in air]. Patent RF, no. 2544358, 2015.Пат. РФ № 2623828. Российская Федерация, МПК G01N 27/16 (2006.01), G01N 25/22 (2006.01), Способ измерения концентрации горючих газов и паров в воздухе термокаталитическим сенсором диффузионного типа / Карпова Е. Е., Миронов С.М., Сучков А.А., Карпов Е.Е., Карпов Е.Ф. № 2013130480/28; заявл. 04.07.2013; опубл. 20.03.2015, Бюл. № 8. 1 с.Karpova E. E., Mironov S. M., Suchkov A. A., Karpov E. E., Karpov E. F. Sposob izmereniya kontsentratsii goryuchikh gazov i parov v vozdukhe termokataliticheskim sensorom diffuzionnogo tipa [Method for measuring the concentration of combustible gases and vapors in the air with a diffusion-type thermocatalytic sensor]. Patent RF, no. 2623828, 2015.Kolmakov A., Sysoev V. V. Analyte multi-sensor for the detection and identification of analyte and a method of using the same. Патент США US8443647. Опубл. 21.05.2013.Kolmakov A., Sysoev V. V.Analyte multi-sensor for the detection and identification of analyte and a method of using the same / -us Patent US8443647. Publ. 21.05.2013.Hydrogen sensors – A review// Sensors and Actuators B / T. Hubert, L. Boon-Brett, G. Black, U. Banacha // Chemical. 2011. P. 329-352Hubert T., Boon-Brett L., Black G., Banacha U. Hydrogen sensors – A review. Sensors and Actuators B: Chemical, 2011, pp. 329-352.Applying Catalytic Sensor in Non-volatile Wireless Sensor Networks / A. Karelin, E.E. Karpov, E.F. Karpov, S Mironov., A. Baranov, V. Sleptsov, K. Napolsky // Procedia Engineering. 2015. Vol. 120. P. 1019-1023.Karelin A., Karpov E.E., Karpov E.F., Mironov S., Baranov A., Sleptsov V., Napolsky K. Applying Catalytic Sensor in Non-volatile Wireless Sensor Networks. Procedia Engineering, 2015, vol. 120, pp. 1019-1023.Macias M. M. Gas sensor measurements during the initial action period of dutycycling for power saving // Sensors and Actuators B. 2017. Vol. 239. P. 1003-1009.Macias M. M. Gas sensor measurements during the initial action period of dutycycling for power saving. Sensors and Actuators B, 2017, vol. 239, pp. 1003-1009.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.