Датчик газа

Полезная модель относится к технической области измерений физических величин, в частности к измерительным приборам концентрация различных газообразных соединений в окружающей среде, и может быть использована в качестве датчика газа в распределенных цифровых системах экологического мониторинга на базе объектов освещения с использованием профильного для них протокола DALI.
В настоящее время широкое распространение получили датчики газа на базе трехэлектродных электрохимических сенсоров, с помощью которых за ограниченный промежуток времени может быть детектирована концентрация различных газообразных соединений (см., например, патент РФ №2633452, опубл. 12.10.2017). Такие датчики обычно применяются в самых разных технических областях, от химической промышленности и контроля холодильных установок вплоть до сельскохозяйственных предприятий и служб экологического мониторинга. Они служат, в частности, для своевременного выявления критических концентраций вредных и/или ядовитых газов, предупреждении и купировании соответствующей опасности.
Известен датчик газа, который содержит трехэлектродный электрохимический сенсор, инвертирующий потенциостатический сдвигающий усилитель, трансипедансный усилитель, микроконтроллер с встроенным аналого-цифровым преобразователем, причем вход инвертирующего потенциостатического сдвигающего усилителя соединен с электродом сравнения RE, а выход - с противоэлектродом СЕ трехэлектродного электрохимического сенсора, вход трансипедансного усилителя соединен с рабочим электродом WE трехэлектродного электрохимического сенсора, а выход - с входом аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера (STlife.augmented, [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/application_note/b7/3a/2b/63/6c/10/46/27/DM00093 722.pdf/files/DM00093722.pdf/jcr:content/translations/en.DM00093722.pdf, Signal conditioning with a three-electrode sensor, c. 7, вход свободный - (22.02.2022).
Упомянутый датчик вполне функционален и прост в обслуживании, однако обладает существенным недостатком - ограниченной областью применения, поскольку не может быть интегрирован в цифровые системы экологического мониторинга с использованием протокола DALI ввиду отсутствия соответствующего выходного интерфейса.
Наиболее близким к заявленному - прототипом - является датчик газа, который содержит трехэлектродный электрохимический сенсор, инвертирующий потенциостатический сдвигающий усилитель, трансипедансный усилитель, микроконтроллер типа STM32 с встроенным аналого-цифровым преобразователем и входом и выходом интерфейса, причем вход инвертирующего потенциостатического сдвигающего усилителя соединен с электродом сравнения, а выход - с противоэлектродом трехэлектродного электрохимического сенсора, вход трансипедансного усилителя соединен с рабочим электродом трехэлектродного электрохимического сенсора, а выход - с входом аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера (www.sgxsensortech.com [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.sgxsensortech.com/content/uploads/2014/08/A1A-EC_SENSORS_AN2-Design-of-Electronics-for-EC-Sensors-V4.pdf, Block Diagram of Typical Gas Detection System using an Electrochemical Gas Sensor, c. 1, Figure 1, вход свободный - (22.02.2022).
Упомянутый прототип вполне функционален и прост в изготовлении и обслуживании, однако обладает существенным недостатком - ограниченной областью применения, поскольку не может быть интегрирован в распределенные цифровые системы экологического мониторинга на базе объектов наружного освещения с использованием профильного для них протокола DALI ввиду отсутствия соответствующего интерфейса. Информационно: такая распределенная цифровая система экологического мониторинга реализована в рамках программы КУЛОН ООО «Сандракс» (www.kulon.su [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.kulon.su/catalog/products-QULON/, свободный - (22.02.2022). К преимуществам использования системы управления освещением в целях экологического мониторинга следует отнести собственно ее наличие практически повсеместно (нет необходимости создавать сеть заново), весьма широкую и плотную разветвленность, удобство размещения соответствующих датчиков на опорах, кронштейнах, панелях и т.п. освещения, ее надежность и помехозащищенность.
Технической проблемой является устранение отмеченных недостатков известных технических решений.
Технический результат заключается в обеспечении возможности использования датчика газа в распределенных цифровых системах экологического мониторинга на базе объектов освещения с использованием профильного для них протокола DALI.
Проблема решается, а технический результат достигается тем, что датчик газа, содержащий трехэлектродный электрохимический сенсор, инвертирующий потенциостатический сдвигающий усилитель, трансипедансный усилитель, микроконтроллер типа STM32 с встроенным аналого-цифровым преобразователем и входом и выходом интерфейса, причем вход инвертирующего потенциостатического сдвигающего усилителя соединен с электродом сравнения, а выход - с противоэлектродом трехэлектродного электрохимического сенсора, вход трансипедансного усилителя соединен с рабочим электродом трехэлектродного электрохимического сенсора, а выход - с входом аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера, снабжен интерфейсной шиной, включающей положительный провод DALI+ и отрицательный провод DALI-, а микроконтроллер снабжен входным и выходным транзисторными ключами, из которых входной ключ выполнен на биполярном n-р-n транзисторе, коллектор которого соединен с интерфейсным входом микроконтроллера с включенным встроенным подтягивающим резистором, эмиттер соединен с проводом DALI- интерфейсной шины, при этом эмиттерный переход транзистора шунтирован резистором, включенным между эмиттером и базой, а база соединена через последовательно включенные токоограничивающий резистор и стабилитрон с проводом DALI+ интерфейсной шины, а выходной ключ выполнен на полевом транзисторе n-типа, сток которого соединен с проводом DALI+ интерфейсной шины, исток соединен с проводом DALI- интерфейсной шины, а затвор соединен с интерфейсным выходом микроконтроллера.
Полезная модель поясняется чертежом, на котором представлена блок-схема заявленного датчика газа.
Цифровые позиции на чертеже означают следующее:
1 - интерфейсный провод DALI+;
2 - интерфейсный провод DALI-, объединенный с схемной землей GND;
3 - схемная земля (GND);
4 - шина интерфейса;
5 - трехэлектродный электрохимический сенсор;
6 - инвертирующий потенциостатический сдвигающий усилитель;
7 - трансипедансный усилитель;
8 - микроконтроллер;
9 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
10 - встроенный подтягивающий резистор (PULL-UP) входа микроконтроллера;
11 - блок питания;
12 - отводы питания компонентов датчика газа;
13 - входной транзисторный ключ;
14 - биполярный n-р-n транзистор;
15 - резистор, шунтирующий эмиттерный переход биполярного n-р-n транзистора;
16 - токоограничивающий резистор;
17 - стабилитрон;
18 - выходной транзисторный ключ;
19 - полевой транзистор n-типа;
20 - резистор фиксации нулевого уровня;
21 - электрод сравнения (RE);
22 - противоэлектрод (СЕ);
23 - рабочий электрод (WE).
В соответствии с заявленной полезной моделью, датчик газа содержит трехэлектродный электрохимический сенсор 5, инвертирующий потенциостатический сдвигающий усилитель 6, трансипедансный усилитель 7, микроконтроллер 8 типа STM32 с встроенным аналого-цифровым преобразователем 9 и входом и выходом интерфейса, причем вход инвертирующего потенциостатического сдвигающего усилителя 6 соединен с электродом сравнения 21, а выход - с противоэлектродом 22 трехэлектродного электрохимического сенсора 5, вход трансипедансного усилителя 7 соединен с рабочим электродом 23 трехэлектродного электрохимического сенсора 5, а выход - с входом аналого-цифрового преобразователя 9 микроконтроллера 8. В этой части заявленное техническое решение полностью совпадает с прототипом. В отличие от прототипа, в качестве интерфейса использован интерфейс DALI, реализованный в шине 4, включающей первый 1 интерфейсный провод DALI+ и второй 2 интерфейсный провод DALI-, объединенный с схемной землей GND 3. Блок питания 11 микроконтроллера 8 имеет положительный и GND (минус/схемная земля/корпус) выходы, которые питают микроконтроллер 8, кроме того, блок питания 11 может предусматривать отводы питания 12 отдельных компонентов датчика газа. Микроконтроллер 8 типа STM32, имеющий интерфейсные вход и выход, снабжен взаимодействующими с ними входным 13 и выходным 18 транзисторными ключами. Входной ключ 13 выполнен на биполярном n-p-n транзисторе 14, эмиттер (здесь и далее называемые элементы транзисторов соответствуют их стандартным символам на обозначениях, использованных на представленном чертеже) которого соединен с вторым 2 проводом шины 4, коллектор соединен с интерфейсным входом микроконтроллера 8 с включенным встроенным подтягивающим резистором PULL-UP 10, а эмиттер соединен с вторым проводом 2 упомянутой шины 4, при этом эмиттерный переход транзистора 14 шунтирован резистором 15, включенным между эмиттером и базой, а база соединена через последовательно включенные токоограничивающий резистор 16 и стабилитрон 17 (информационно: последовательность установки резистора 16 и стабилитрона 17 друг за другом не существенна) с первым проводом 1 упомянутой шины 4. Выходной ключ 18 выполнен на полевом транзисторе n-типа 19, сток которого соединен с первым 1 проводом шины 4, исток соединен с вторым 2 проводом шины 4, а затвор соединен с интерфейсным выходом микроконтроллера 11.
Заявленный датчик газа работает следующим образом.
Опрос и сбор данных датчика газа (множества датчиков газа) осуществляется через интерфейс DALI с вышестоящего контроллера (не показан). Напомним, что интерфейс DALI представляет собой двунаправленный двухпроводный цифровой интерфейс, ориентированный для преимущественного использования в осветительной технике. DALI провода (DALI+ и DALI-) запитываются извне специальным источником питания 12-22 В с функцией ограничения тока, нормированного по величине в пределах, оговоренных в стандарте (0,25 А). По DALI проводам 1 и 2 между вышестоящим компьютером и микроконтроллером 8 датчика газа двунаправленно передаются битовые потоки данных. Электрохимический сенсор 5 содержит газовую мембрану и три электрода, контактирующих с электролитом. Датчик непроницаем для электролита, а целевой газ поступает в датчик (в рассматриваемом применении -из окружающей воздушной среды) через газовую мембрану. Когда газ достигает рабочего электрода 23 (WE), происходит химическая реакция с генерацией тока, пропорционального концентрации целевого газа. Инвертирующий потенциостатический сдвигающий усилитель 6 в инвертирующем включении задает на трехэлектродном электрохимическом сенсоре 5 стабильное смещение. Трансимпедансный усилитель 7 в инвертирующем включении обеспечивает преобразование тока, генерируемого трехэлектродным электрохимическим сенсором и пропорционального концентрации целевого газа, в напряжение, которое далее поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 9 микроконтроллера 8. Микроконтроллер 8 в свою очередь осуществляет обработку полученных отсчетов напряжения, вычисляя на их основе концентрацию целевого газа, а сам при этом работает под управлением вышестоящего контроллера (не показан), общаясь с ним по шине 4 DALI посредством входного транзисторного ключа 13 и передавая ему измеренные значения концентрации целевого газа посредством выходного транзисторного ключа 18. Как указывалось выше, в выходной транзисторный ключ 18 входит полевой транзистор 19 n-типа. При поступлении на затвор транзистора 19 ключа 18 от микроконтроллера 8 высокого уровня, ключ 18 открывается и замыкает провод DALI+ на GND, формируя низкий уровень на шине 4. Поскольку источник питания шины 4, как указывалось выше, имеет нормированное ограничение по току, то ток, протекающий через ключ 18, также нормирован по величине. При поступлении на затвор ключа 18 от микроконтроллера 8 низкого уровня, ключ 18 закрывается и размыкает провода DALI+ и GND, на шине 4 формируется высокий уровень. Соответственно, последовательность высоких и низких уровней (битов) образует последовательный двоичный код. Сам битовый поток формируется микроконтроллером 8. В входной ключ 13 входит биполярный n-р-n транзистор 14. При низком уровне на проводе DALI+ напряжение на базе транзистора 14 ключа 13 также низкое, ключ 13 закрыт и на интерфейсном входе микроконтроллера 8, имеющем включенную подтяжку к высокому уровню (включенный встроенный подтягивающий резистор PULL UP 10), наличествует высокий уровень. При высоком уровне на проводе DALI+, превышающем сумму напряжения стабилизации стабилитрона 17 и падения напряжения на эмиттерном переходе ключа 13, через входную цепь ключа 13 течет базовый ток, ключ 13 открыт, и на интерфейсном входе микроконтроллера 8 формируется низкий уровень. Обработка принимаемого битового потока так же осуществляется микроконтроллером 8.
Проведенные эксперименты показали, что сформированный заявленным образом в датчике газа двунаправленный цифровой интерфейс позволяет использовать датчик (множество датчиков) в распределенных цифровых системах экологического мониторинга на базе объектов освещения с использованием профильного для них протокола DALI, обеспечивая требуемое качество измерений.
Изложенное позволяет сделать вывод о том, что выявленная проблема решена, а заявленный технический результат - обеспечение возможности использования датчика газа в распределенных цифровых системах экологического мониторинга на базе объектов освещения с использованием профильного для них протокола DALI - достигнут.