Беспроводный газовый датчик с автономным питанием

Устройство относится к области контроля параметров газовой среды и предназначено для автоматического контроля концентрации взрыво-, пожаро- и токсично-опасных газов внутри зданий, территории жилых зон, территории промышленных предприятий, горных выработок, газопроводов, а также лесных массивов, свалок отходов, автомобильных дорог, а также для оперативного информирования соответствующих служб при возникновении чрезвычайных ситуаций. Устройство состоит из газовых датчиков, аналоговой измерительной схемы, микропроцессорного модуля, радиопередатчика и элементов питания и позволяет расширить арсенал технических средств газового мониторинга для случаев отсутствия в зоне мониторинга систем электроснабжения и кабельного телеизмерения. Техническим результатом является увеличение времени автономной работы датчика и возможность развертывания на основе аналогичных датчиков беспроводных сенсорных сетей, охватывающих большие территории.

Область техники, к которой относится полезная модель

Изобретение относится к области контроля параметров газовой среды и предназначено для автоматического контроля концентрации взрыво-, пожаро- и токсично-опасны газов в атмосфере жилых помещений, внутри и на территории промышленных объектов, а также в атмосфере горных выработок и выдачи не только индивидуальной сигнализации при достижении измеряемым компонентом установленных пороговых значений, но и передачи данных по беспроводной сенсорной сети на диспетчерский пункт контроля (пульт контроля).

В частности, изобретение может найти применение:

- в качестве автономных беспроводных датчиков для контроля концентрации метана (СН₄) газифицированных многоквартирных и индивидуальных домов, на объектах нефтегазового хозяйства; в атмосфере горных выработок, угольных шахт;

- в качестве автономных беспроводных предпожарных извещателей для контроля химического состава воздуха (в частности, СО и Н₂) с целью предупреждения пожара на ранней стадии, предшествующей возгоранию;

- в качестве автономных измерительных (контролирующих) устройств при построении беспроводных сенсорных сетей.

Уровень техники

Известна мультигазовая многоканальная стационарная система контроля загазованности [http://www.deltapro.ru/catal_igs98_ss.aspx]. Система контроля загазованности состоит из пульта контроля и стационарных датчиков. Датчики соединяются с пультом контроля 4-х проводным кабелем, обеспечивающим питание схемы датчика и передачу информации на пульт контроля (фиг.1).

Данная система позволяет осуществлять:

- непрерывный автоматический контроль загазованности по N каналам;

- выдавать предупредительные и аварийные световые и звуковые сигналы и сигналы на пульт управления внешними системами (вкл/выкл вентиляции и т.п.) с помощью встроенного реле;

- выводить значения концентрации по каждому каналу на встроенное табло (датчик и пульт, только датчик, только пульт);

- настраивать порог срабатывания в соответствии с заданным алгоритмом

- устанавливать блок памяти показаний с возможностью вывода и обработки данных на PC;

- подключать к пульту контроля датчиков других производителей или других измеряемых физических величин (температура, давление и т.п.);

- подключать датчики к уже существующим системам безопасности.

Недостатком устройства является то, что датчики соединяются с пультом контроля 4-х проводным кабелем, обеспечивающим питание схемы датчика и передачу информации на пульт контроля. Это ограничивает число датчиков и возможность произвольного расположения датчиков в контролируемом помещении. Кроме того, контролируемые помещения должны быть электрифицированы.

Известен Газоанализатор ЭССА с радиоканалом [http://safeair.ru/content/view/97/51/], представляющий собой многоканальный прибор с беспроводной передачей данных. Газоанализатор предназначен для контроля токсичных газов (хлора, аммиака, диоксида серы, оксида углерода, сероводорода, оксида и диоксида азота, озона) и кислорода в воздухе.

Передача данных производится радиомодемом в диапазоне частот от 433,1 до 434,7 МГц. Дальность действия связи на открытом пространстве - до 3 км с возможностью расширения при помощи ретрансляторов.

Возможны два варианта выполнения газоанализатора:

1) Газоанализатор состоит из одного или нескольких измерительных преобразователей, блока сбора и передачи данных и переносного блока регистрации. Измерительные преобразователи связаны с блоком сбора и передачи данных кабелями, и структура ничем не отличается от обычного многоканального газоанализатора ЭССА. Питание измерительных преобразователей осуществляется от блока сбора и передачи данных. Радиомодем установлен в блоке сбора и передачи данных и работает на одной частоте. Данные от каждого первичного преобразователя формируются в пакет и передаются по радиоканалу к блоку регистрации, оснащенному приемным устройством.

2) Газоанализатор состоит из одного или нескольких измерительных преобразователей и переносного блока регистрации. Радиомодем установлен на каждом измерительном преобразователе. В этом случае может использоваться до 16 частотных каналов. Питание измерительных преобразователей может осуществляться от сети или от аккумуляторных батарей.

Данный газоанализатор применяется в тех случаях, когда прокладка кабелей затруднена и если установка стационарного газоанализатора не предусмотрена, а необходимость контроля содержания в воздухе токсичных веществ имеется (например, при пуско-наладочных работах).

Недостатками данного устройства является ограниченное число измерительных преобразователей (максимум 16), что связано с выбранным диапазоном частот от 433,1 до 434,7 МГц (разделение частот 100 кГц) и стандартом передачи данных. Кроме того, дальность действия связи до 3 км (в открытом пространстве) требует относительно мощного передатчика и приемника и, соответственно, внешних антенн и мощного источника питания. Это не позволяет сделать газоанализатор компактным и энергонезависимым на продолжительный срок автономной работы. Данные частотный диапазон зарезервирован для маломощных радиостанций, поэтому могут возникнуть проблемы с наложением сигналов сторонних систем связи в связи с незащищенностью такого канала передачи данных, а также возможностью несанкционированного доступа к газо-измерительной системе.

Известен быстро развертываемый, беспроводной, многофункциональный газосигнализатор AreaRAE Responder [http://www.cis-controls.ru/pdf/AreaRAE_Responder_Europe_RU.pdf|.

AreaRAE Responder представляет собой многоканальный газоанализатор, с передачей данных по радиоканалу, сертификацией АТЕХ по взрывозащите. Благодаря сварному корпусу из нержавеющей стали, он является особо прочным переносным и герметичным устройством, пригодным для использования в неблагоприятных условиях окружающей среды. Газоанализатор идеально подходит для контроля опасных веществ в воздухе и может применяться в экстренных ситуациях, так приборы AreaRAE Responder, размещаемые в оперативном порядке, могут использоваться для быстрого определения периметра воздействия опасных веществ, и позволяют службам экстренного реагирования находиться на безопасной дистанции и контролировать ситуацию, располагаясь на расстоянии до 3 километров.

Фотоионизационный детектор (ФИД), имеющийся в устройстве AreaRAE Responder, определяет концентрацию летучих органических соединений с точностью до миллионных долей. Газоанализатор оборудуется сенсорами нижнего предела взрывоопасной концентрации, содержания кислорода, а так же для измерения концентрации токсичных газов, таких как сероводород, хлор и др. Данные об измеренной концентрации газов передаются в режиме реального времени встроенным радиомодемом на базовую станцию, состоящую из стандартного персонального компьютера с установленной на нем программой ProRAE Remote и операционной системы Windows. Базовая станция может одновременно контролировать и отображать показания восьми приборов AreaRAE Responder и/или AreaRAE Responder Gamma (или других совместимых с AreaRAE газоанализаторов, включая MultiRAE, MiniRAE 2000, ppbRAE, Smiths APD-2000®, RAE ChemSentry®, и Coastal Environmental Systems Weatherpak®). Это позволяет создать сеть для контроля опасных веществ и осуществлять контроль большой по площади территории. Используя возможности созданной несколькими приборами AreaRAE Responder сотовой сети газоанализаторы могут функционировать на большом расстоянии от приемной станции и в сложной обстановке в радиоэфире.

Данный газоанализатор позволяет:

- Осуществлять передачу полученных данных в режиме реального времени посредством встроенного радиомодема

- Просматривать данные, полученные от сенсоров в режиме реального времени, и выдавать аварийный сигнал в штабе или командном пункте

- Одновременно контролировать и отображать информацию от 8-ми дистанционно установленных устройств

- Передавать данные на радиочастоте 869 МГц на расстояние до 3 км

- Создавать сотовую сеть на основе устройст AreaRAE Responder, которые действуют в качестве ретрансляторов, способствуя значительному расширению площади охвата радиосвязью

Областями применения являются

- Экстренные ситуации с выявлением опасных веществ

- Нефтеперерабатывающие и нефтехимические заводы

- Электростанции

- Целлюлозно-бумажная промышленность

- Предпусковые/предостановочные операции на производственном и проектируемом оборудовании

- Нефтяные скважины в открытом море.

Недостатками устройства являются: небольшое время автономной работы (24 часа работы непрерывной работы в режиме с радиомодемом с литий ионным аккумулятором). Ограниченное число датчиков. Кроме того, частотный диапазон 869 МГц предназначен для сотовых систем подвижной и стационарной радиосвязи, а не для сенсорных сетей.

Известен беспроводной датчик газа Major MR-GS01 [http://www.major-gsm.ru/photo/7/5/], который предназначен для обнаружения утечки газа в помещении. Помимо того, что прибор является GSM датчиком и отправляет сигнал тревоги на базу, он, так же, оснащен собственными автономными системами звуковой и световой сигнализации. Датчик может так же использоваться как в составе охранной GSM системы, так и в качестве исключительно газового датчика. Датчик имеет встроенный совмещенный индикатор и работает на частоте 433 MHz. Радиус действия сигнала около 100 м.

Недостатками данного устройства является то, что он требует сетевого питания 220 В, отсутствует возможность создания на основе подобных датчиков сенсорной сети и возможность трансляции сигнала к базовой станции через другие датчики.

Наиболее близким к описываемому является устройство (газоанализатор) [А.Е.Сенькин, Б.И.Селезнев, А.И.Максимов, В.А.Мошников, Микропроцессорный газоаналитический модуль. Вестник Новгородского Государственного Университета, 26, 2004 с.161-167], содержащее полупроводниковый сенсор для измерения концентрации СО и СН₄, микропроцессорный газоаналитический модуль, последовательный интерфейс передачи данных и сетевой адаптер.

Достоинствами данного устройства является то, что микропроцессорный газоаналитический модуль позволяет изменять температуру чувствительного элемента сенсора по любому закону в измерительном цикле и проводить измерения в любой точке этого цикла. В нем объединены следующие функциональные возможности:

- измерение сопротивления чувствительной поверхности сенсора в любые моменты времени цикла нагрева;

- управление температурой чувствительной поверхности сенсора с возможностью реализации различных температурных режимов (непрерывный, пульсирующий, линейное сканирование по температуре);

- преобразование значения сопротивления чувствительной поверхности в концентрацию анализируемого газа или газов;

- возможность одновременного определения концентрации СО и СН₄;

- возможность программной автоматической калибровки и перенастройки устройства под конкретный тип сенсора;

- передача данных по последовательному интерфейсу и возможность построения на основе устройства разветвленных сетей мониторинга газовой обстановки;

- удаленное управление режимом работы и самодиагностика.

Такой подход к реализации электронных устройств управления и обработки данных для полупроводниковых газовых сенсоров позволяет повысить информативность отклика сенсора на воздействие газовой среды путем выбора температурного режима и алгоритма проведения измерений, отвечающих физико-химической специфике конкретного сенсора.

В модуле использован широтно-импульсный метод (ШИМ) управления температурой. Стабилизация температуры в нужной точке осуществляется путем непрерывного измерения сопротивления нагревателя, вычисления значения отклонения этого сопротивления от заданного значения (соответствующим заданной температуре) и управления шириной импульсов напряжения на нагревателе. Быстрый выход на рабочий режим обеспечивается пропорционально-интегральным регулятором, программно реализованным в микроконтроллере, коэффициент усиления которого выбирается экспериментально исходя из условия максимальной скорости нагрева и минимальных переходных процессов при выходе на заданный температурный режим. Широтно-импульсный метод нагрева, кроме снижения потребления мощности, позволяет разделить во времени измерения сопротивлений чувствительного слоя и нагревателя (для определения температуры), что позволяет применять устройство для сенсоров, выполненных на микромембране, в которых нагреватель и чувствительный слой электрически связаны друг с другом. Для реализации модуля использован микроконтроллер ATmega8 фирмы ATMEL, в периферию которого включены 8-канальный 10-разрядный АЦП, блок приемопередатчика UART и таймер с возможностью работы в широтно-импульсном режиме, что позволило выполнить все устройство практически на одной микросхеме (см. фиг.1).

Для измерения концентрации СО используется пульсирующий температурный режим: нагрев до температуры 450°С в течение 1,5 с последующей стабилизацией температуры на уровне 110°С. Весь период цикла нагрева составлял 10 с. Измерения сопротивления чувствительного слоя и температуры рабочей поверхности проводятся на всем протяжении цикла через 100 мс. Данные в реальном времени передаются на персональный компьютер, где их можно сохранить в виде текстового файла. Для обмена данными с персональным компьютером и настройки рабочего режима разработана специальная программа для микропроцессорного газоаналитического модуля.

Недостатком данного устройства является использование последовательного интерфейса передачи (проводная передача данных), не предусматривающего возможность построения сенсорной и наличие сетевого питание. Это ограничивает возможность реального практического использования данного газоанализатора, применяемого, скорее всего, для лабораторных исследований, поскольку к каждому из используемых газоанализаторов требуется подключить кабели (для осуществления питания и передачи данных на диспетчерский пульт). В случае, когда требуется одновременное использование большого числа газоанализаторов, данное решения не является возможным. Кроме того, данный газоанализатор лишен мобильности.

Раскрытие полезной модели

Технической задачей полезной модели является создание портативного беспроводного автономного датчика для мониторинга состава газовой среды, оперативного информирования соответствующих служб при возникновении чрезвычайных ситуаций и расширение арсенала технических средств газового мониторинга для случаев отсутствия в зоне мониторинга систем электроснабжения и кабельного телеизмерения.

Технический результат, обеспечивающий решение задачи, состоит в увеличении времени автономной работы датчика, включения в состав устройства программно-аппаратного интерфейса для передачи данных и команд по беспроводным сетям, а также в расширении функциональных возможностей за счет формирования на основе аналогичных датчиков сенсорных сетей, охватывающих большие территории и возможности последующей передачей данных в сети сотовой связи (GSM) и Интернет (GPRS).

Сущность изобретения состоит в том, что газовый датчик содержит газовые сенсоры, аналоговую измерительную часть, микропроцессорный модуль для управления режимами работы сенсоров, первичной обработки данных измерений и их хранения, а также схему питания сенсора и устройства в целом, при этом в состав электронной схемы устройства интегрирован программно-аппаратный интерфейс для передачи данных и команд по беспроводным сетям, а алгоритм проведении измерений, обработки и передачи данных оптимизирован с целью автономной работы устройства без замены элементов питания в течение межкалибровочного (межповерочного) интервала.

При этом отказ от передачи данных по проводным линиям наиболее эффективен с одновременным отказом и от сетевого питания. Необходимость сетевого питания ограничивает область использования устройства, усложняет и удорожает его за счет необходимости иметь преобразователь напряжения с ~220 В на 3-5 В постоянного напряжения.

Кроме того, технический результат достигается за счет способности датчика транслировать через себя команды, передаваемые на диспетчерский пульт от других датчиков; возможности управления режимами работы датчика с диспетчерского пульта путем передачи команд по радиоканалу; использования автономного питания от аккумуляторов, химических элементов, солнечных батарей, пьезоэлектрических преобразователей, топливных элементов, конденсаторов или их комбинации; использования полупроводниковых, термокаталитических, кондуктометрических, электрохимических, оптических датчиков или их комбинации; использования импульсного (периодического) режима измерения концентрации газов: режим измерения - режим ожидания - режим измерения; использования звуковой и световой сигнализации о превышении установленных заданных концентраций, встроенного вибросигнала, а также возможности отображения данных на дисплее устройства; возможности определения местоположения устройства в известном трехмерном объеме; возможности мониторинга других параметров среды (температуры, влажности, давления и др.); возможности подключения к уже существующим системам безопасности; возможности подавать команды на пульт управления внешними исполнительными устройствами.

Для беспроводной передачи данных измерений предпочтительно использовать стандарт IEEE 802.15,4 и протокол высокого сетевого уровня ZigBee, поскольку, его программно-аппаратный интерфейс, в отличие от обычных радиоканалов, позволяет создавать сенсорные сети из практически неограниченного числа устройств. Технология ZigBee имеет частотные каналы в диапазонах 868 МГц, 915 МГц и 2,4 ГГц. При этом наибольшие скорости передачи данных и наивысшая помехоустойчивость достигаются в диапазоне 2,4 ГГц. Кроме того, использование частоты 2.4 ГГц позволяет сделать антенну размером меньше 1 см и убрать ее внутрь корпуса устройства. А небольшое расстояние передачи данных позволяет уменьшить мощность передатчика и, следовательно, уменьшить размеры и увеличить время автономной работы всего устройства.

Использования стандарта передачи данных ZigBee в описываемом датчике позволяет создать надежные, недорогие, низкоэнергоемкие беспроводные устройства, обеспечивающие защиту информации и требуемые характеристики радиочастотной производительности.

Более того, соединение измерительных функций с технологией обмена данными по радиоканалу и автономным питанием позволяет создавать из подобных датчиков беспроводные сенсорные сети для мониторинга газовой атмосферы как внутри помещений, так и вне зданий, в том числе и на больших площадях, когда требуется осуществлять контроль в большом числе точек. В частности, для мониторинга помещений внутри многоэтажных зданий, территорий нефте- и газоперерабатывающих предприятий, горных выработок, газопроводов, а также лесных массивов, свалок отходов, автомобильных дорог. Конкретным примером могут служить предпожарные сигнализаторы и датчики метана в помещениях газифицированных домов, устанавливаемые в квартирах многоквартирных домов или офисных помещениях.

При этом сети на основе ZigBee являются самообразующимися и самовосстанавливающимися сетями. Это является следствием того, что ZigBee - устройства при включении питания, благодаря встроенному программному обеспечению, «умеют» сами находить друг друга и формировать сеть, а в случае выхода из строя какого-либо из узлов «умеют» устанавливать новые маршруты для передачи сообщений.

Компактность устройства, независимость от сетевого питания и кабелей для передачи данных вкупе с возможностью формировать самообразующиеся сенсорные сети, позволяют уменьшить затраты времени, а также затраты на технические, людские и финансовые ресурсы для развертывания систем газового мониторинга, расширить области их применения и избежать ограничений, связанных с потерей данных при отключении (в чрезвычайных ситуациях) сетевого питания, обрыве кабелей и выходе из строя части устройств.

Кроме того, объединение микропроцессорных технологий с технологиями беспроводной передачи данных позволяет выдавать команды исполняющим устройствам, удаленным на большие расстояния, в частности, запорным клапанам систем газоснабжения, вентиляции, выключателям электроснабжения и др.

Для расширения функциональных возможностей устройства и интегрирования его в охранные системы, глобальные информационные или измерительные сети оно может быть дополнительно оснащено беспроводными GSM/GPRS, Wi-Fi, Bluetooth и др. передатчиками и устройствами для передачи данным с использованием промышленных протоколов передачи данных RS 232, RS 485, CAN и др.

Краткое описание чертежей

Фиг.1. Принципиальная электрическая схема микропроцессорного модуля для управления полупроводниковым газовым сенсором, работающим в режиме ШИМ.

Фиг.2. Принципиальная электрическая схема беспроводного датчика с полупроводниковым сенсором.

Фиг.3. Принципиальная схема беспроводного датчика при проведении измерений с помощью термокаталитических сенсоров

Фиг.4. Внешний вид платы устройства.

Фиг.5. Температура сенсоров и ток Iш в зависимости от времени нагрева

Фиг.6. Зависимости напряжения на диагонали моста (Uм):

а) от времени нагрева и концентрации СН₄ в воздухе: 0%, об., 0,25%, об. и 2%, об.;

б) от концентрации СН₄

Фиг.7. Принципиальная электрическая схема беспроводного газоанализатора с полупроводниковым сенсором и двумя термоэлектрическими сенсорами.

Осуществление полезной модели

Пример. 1. Беспроводный датчик с полупроводниковым газовым сенсором

Устройство состоит из корпуса (размером 83×53×30 мм), размещенной в нем платы и батарейного отсека с тремя элементами типа АА. На плате размещен полупроводниковый газовый датчик с аналоговой измерительной схемой, микропроцессорный модуль, устройства подачи видео и аудио сигнализации, схема питания устройства, модуль беспроводной передачи и порты для программирования микропроцессора и модема. Модуль беспроводной передачи данных представляет собой модем стандарта ZigBee, использующий частотный канал 2,4 ГГц. Устройство имеет аппаратно-программный интерфейс для беспроводного обмена данными с диспетчерским пультом.

Микропроцессорный модуль управляет работой сенсоров и всего устройства по заложенному в него алгоритму. В том числе, он осуществляет первичную обработку данных, полученных от сенсоров, рассчитывает концентрацию контролируемого газа, сравнивает полученное значение со значениями предельно допустимых концентраций и, в случае превышения измеренного значения над предельно допустимым значением, отдает команду ZigBee-модему послать сигнал тревоги на пульт контроля, соответствующий степени опасности. В память микроконтроллера может быть заложено одно или несколько пороговых значений для каждого контролируемого газа или соответствующая функциональная зависимость.

Устройство предназначено для детектирования метана (СH₄ ) в атмосфере, а также работы в качестве предпожарного извещателя (в этом режиме осуществляется измерение СО и Н₂). Сам сенсор представляет собой мембрану с микронагревателем и нанесенным на него полупроводниковым чувствительным слоем. Мощность, потребляемая сенсором в непрерывном режиме измерений ~60 мВт.

Устройство является двух пороговым. Первый предупреждающий сигнал передается на диспетчерский пульт при превышении концентрации метана 0.25%, об. второй - при превышении концентрации - 1%, об.

Принципиальная электрическая схема беспроводного газоанализатора с полупроводниковым сенсором представлена на фиг.2.

Принцип работы устройства состоит в том, что с периодом в 30 секунд с линии порта РС2 микроконтроллера Atmega168P на «затвор» транзистора VT1 поступают сигналы широтно-импульсной модуляции (ШИМ) длительностью 500 мс, в результате чего на чувствительный элемент сенсора подается напряжение длительностью 500 мс и амплитудой 3.3 В, который разогревает чувствительный элемент сенсора до температуры 450°С. Под воздействием газов различного состава изменяется проводимость чувствительного слоя полупроводникового сенсора. Данные об изменении проводимости этих слоев поступают на линии порта РСО и РС1, встроенного АЦП микроконтроллера DD1. Микроконтроллер DD1 осуществляет первичную обработку полученных данных и передает результат по линии RXD на модуль беспроводной передачи данных DD2 (ETRX2). Этот модуль передает данные на диспетчерский пульт. Так же предусмотрены непосредственные порты IDC6M и Х2 для программирования микроконтроллера DD1 и модуля беспроводной передачи данных DD2 соответственно. С помощью линии PD1 можно управлять питанием аналоговой части схемы (подавая соответствующий сигнал на «затвор» транзистора VT2), подавать или обесточивать питание операционного усилителя (ИС DA1) для уменьшения энергопотребления. Так же в конструкции беспроводного газоаналитического сенсорного модуля предусмотрены звуковые PZ1 и световые HL1-HL3 излучатели информации.

С целью энергосбережения измерения концентрации газов проводятся в периодическом режиме: режим измерения - режим ожидания - режим измерения. Продолжительность режима измерения определяется типом сенсора, а точнее, временем выхода сенсора на рабочий режим. Продолжительность режима ожидания определяется техническими требованиями. Типичными являются значения в интервале от 10 до 60 с.

При этом в режиме измерения включены все элементы устройства за исключением ZigBee модема. В режиме ожидания все элементы устройства находятся в режимах минимального энергопотребления. ZigBee модем находится в режиме минимального энергопотребления все время за исключением, когда с микроконтроллера приходит команда «послать данные» на диспетчерский пульт. В этот момент времени, модем входит в режим приема-передачи, устанавливает связь с диспетчерским пультом, передает пакет данных, дожидается подтверждения получения данных и возвращается в режим минимального энергопотребления.

Данное устройство имеет автономное питание от трех батарей. Время автономной работы - 10-12 месяцев (при 1 измерении в минуту). Также возможно применение альтернативных источников электрической энергии, например, солнечных батарей, для увеличения времени работы датчика.

Пример 2. Беспроводный датчик с полупроводниковым и двумя термокаталитическими газовыми сенсорами.

В отличие от примера 1, данное устройство дополнено двумя термокаталитическими сенсорами, включенными в мостовую измерительную схему, и имеет схемотехнические особенности

Устройство предназначено для выполнения тех же задач, что устройство в примере 1. При этом разные типы датчиков имеют разный отклик на одни и те же газы. Это позволяет более точно определить значение концентрации измеряемого газа.

В отличие от примера 1, в данном устройстве используется микроконтроллер, который имеет цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), который позволяет регулировать амплитуду подаваемого на микронагреватель напряжения (в отличие от режима подачи ШИМ, в котором регулировка прикладываемой мощности обеспечивается длительностью и скважностью следования импульсов). Это существенно расширяет возможность управления режимами нагрева сенсора и, соответственно, позволяет более точно определять концентрацию контролируемых газов. Кроме того, использование ЦАП значительно расширяет возможности устройства в целом, так как позволяет использовать в нем другие типы сенсоров, которые не могут работать в режиме ШИМ (электрохимические, оптические и др.). В остальном, принцип работы данного устройства аналогичен описанному в примере 1.

Рассмотрим работу устройства в режиме проведения измерений термокаталитическими сенсорами. Функциональное назначение датчика в этом режиме измерений - работа в качестве двухпорогового беспроводного сигнализатора метана (CH₄) 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.

Основными элементами схемы (рис.3) являются: микроконвертер (МК) ADuC836, ZigBee-модем TG-ETRX2, операционный усилитель (ОУ) AD8532 и стабилизатор ADP3335.

Измерительный сенсор RK1 вместе с компенсационным сенсором RK2 установлен в мостовую схему (R1-R2-RK1-RK2). В схему также установлен шунт R3 (С 1-4), номинал которого составляет 1 Ом. Сопротивление сенсоров RK1 и RK2 при комнатной температуре составляет 12 Ом. Номинал сопротивлений R1 и R2 - 1000 Ом.

Измеряемыми параметрами являются: разность потенциалов измерительной диагонали моста (Uм) (входы AIN1 и AIN2) и напряжение на шунте R3 (Uш) (вход AIN5).

Управление мостовой схемой осуществляется с помощью микроконвертера (МК) ADuC836. Данный микроконвертер был выбран исходя из того, что он имеет достаточное быстродействие и при этом обладает низким энергопотреблением в активном и спящем режимах (табл.1).

Работа беспроводного датчика оптимизирована с целью обеспечения минимального энергопотребления. Как видно из табл.1, основным потребителем мощности являются сенсоры. В непрерывном режиме работы, когда сенсоры все время нагреты до рабочей температуры, датчик может проработать от элементов типа АА не более 50 часов. Поэтому в работе был реализован и исследован периодический режим проведения измерений концентрации метана в воздухе. То есть в датчике реализованы три режима: - режим измерения данных, режим передачи данных и «спящий» режим (энергосбережения). Периодичность измерений определяется нормативными документами [ГОСТ Р 52136-2003. Газоанализаторы и сигнализаторы горючих газов и паров электрические. Часть 1. Общие требования и методы испытаний] 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 [ГОСТ Р 52137-2003. Газоанализаторы и сигнализаторы горючих газов и паров электрические. Часть 2. Требования к приборам группы I с верхним пределом измерений объемной доли метана в воздухе не более 5%]. 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 VT1, 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 секунд при срабатывании прерывания от встроенного таймера включения МК переходит в активный режим работы, открывает ключ VT1, подает с выхода ЦАП на вход ОУ напряжение уровнем 2,8 В и производит измерения соответствующих параметров схемы. Выбор значения напряжения нагрева сенсоров равным 2,8 В обусловлен тем, что это значение напряжения является рабочим для сенсоров в случае непрерывного режима.

Значение разности потенциалов моста (Uм) с помощью 16-ти разрядного АЦП микроконвертера преобразуется в эквивалентный цифровой код. Время преобразования составляет 10 мс. Поскольку АЦП служит только для проведения 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%, об. и 2%, об. 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, то МК посылает на радиомодем байт данных по асинхронному последовательному интерфейсу UART, тем самым переключая модем в активное состояние. Далее на модем посредством интерфейса UART отправляется пакет с информацией об измеренной концентрации. Модем транслирует эти данные на диспетчерский пульт, в качестве которого в нашем случае выступал компьютер с подключенным к нему ZigBee USB-модемом. В компьютере была установлена программа, отображающая измерительные датчики и концентрацию метана в воздухе. Дальность передачи данных внутри здания составляла 25-30 м.

Питание датчика осуществляется от трех батарей типа АА напряжением 1,5 В и емкостью около 3000 мА·ч. Все элементы схемы согласованы по напряжению питания, которое составляет 3,3 В. Задание и поддержание данного напряжения обеспечивает стабилизатор ADP3335.

Внешний вид устройства представлен на фиг.4.

На рис.5 представлена зависимость тока Iш (кривая 1), протекающего через шунт R3 (фактически это значение тока совпадает с током, протекающим через плечо моста, в котором расположены сенсоры), и зависимость температуры сенсоров от времени нагрева (кривая 2) при питающем напряжении 2,8. В. Видно, что время нагрева сенсоров до рабочей температуры 450°С, составляет порядка 0.9 с. Данное время можно считать временем выхода сенсоров на рабочий режим. Именно импульс напряжения с длительностью не менее 0,9 с необходимо подавать на мостовую схему, чтобы обеспечить проведение измерений.

Ток, протекающий через сенсоры в рабочем режиме, составляет 52 мА. Соответственно, мощность, потребляемая каждым сенсором, составляла 73 мВт.

На фиг.6 представлены экспериментальные зависимости Uм от времени нагрева сенсоров (фиг.6а) и зависимость Uм от концентрации метана (фиг.6б), измеренная через 0,9 с после подачи напряжения на мостовую схему, по которой можно определять концентрацию метана в воздухе.

На основе полученных динамических параметров датчика можно оценить время его работы на автономном питании. Приняв время выхода сенсоров на рабочий режим равным 0,9 с, напряжение питания 2,8 В и рассчитав средний ток в процессе нагрева, который составляет ~60 мА, получим, что мощности трех батарей типа АА (запасенная мощность 13,5 Вт·ч) хватит на ~320 тыс. измерений (без учета потребления в «спящем режиме). При трех измерениях в минуту это соответствует ~74 дням. За это же время потребление в спящем режиме составит около 0,65 Вт·ч. Что составляет около 5% запасенной в батареях мощности.

Дальнейшее увеличение времени работы беспроводного датчика возможно за счет замены трех батарей типа АА на 3 типа Д (имеющие запас 15000 мА·ч). Это приведет к увеличению времени работы до ~360 дней.

Принципиальная электрическая схема беспроводного датчика с полупроводниковым сенсором и двумя термоэлектрическими сенсорами приведена на фиг.7.

Схема управления DD1 (ADuC836) осуществляет первичную обработку полученных данных и передает результат по линии RXD на модуль беспроводной передачи данных DD2 (TG-ETRX2). Разогрев чувствительного элемента сенсора до рабочей температуры осуществляется путем подачи импульсов ШИМ или с ЦАП микроконтроллера DD1 (линия DAC). Выбор способа нагрева (ШИМ или ЦАП) для полупроводникового и термокаталитического сенсоров осуществляется с помощью джампера JP2. На плате предусмотрен непосредственно порт XS2 для программирования микроконтроллера DD1 и модуля беспроводной передачи данных DD2 соответственно. Так же программирование модуля беспроводной передачи данных DD2 и микроконтроллера DD1 можно осуществить с диспетчерского пульта. С помощью линии PD1 можно управлять питанием аналоговой части схемы (подавая соответствующий сигнал на «затвор» транзистора VT2), подавать или обесточивать питание операционного усилителя (ИС DA1) для уменьшения энергопотребления. В конструкции беспроводного газоаналитического сенсорного модуля предусмотрена звуковая PZ1 и световая HL1 и HL2 сигнализация.

1. Устройство для измерения состава газовой среды, содержащее газовые датчики, аналоговую измерительную часть, микропроцессорный модуль для управления режимами работы сенсоров, первичной обработки данных измерений и их хранения, а также схему питания сенсора и устройства в целом, отличающееся тем, что в состав электронной схемы устройства интегрирован программно-аппаратный интерфейс для передачи данных и команд по беспроводным сетям, а алгоритм проведении измерений и передачи данных оптимизирован с целью автономной работы устройства без замены элементов питания в течение межповерочного (межкалибровочного) интервала.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для передачи данных используется ZigBee-модем.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ZigBee-модем совместим с другими стандартами передачи данных WPAN, SRD, ISM и др.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что передача данных осуществляется с передатчика, выполненного на одном кристалле с микропроцессором (микроконтроллером).

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что детектируются CH₄, СО, Н₂ или их смеси в том числе и в присутствии посторонних компонентов.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что устройство способно транслировать через себя команды, передаваемые на диспетчерский пульт от других устройств.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что управление режимами сенсоров и устройства в целом осуществляется с диспетчерского пульта путем передачи команд по радиоканалу.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что устройство имеет автономное питание от аккумуляторов, химических элементов, топливных элементов, солнечных батарей, конденсаторов, пьезоэлектрических преобразователей и др. или их комбинации.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве газовых датчиков используются полупроводниковые, термокаталитические, кондуктометрические, электрохимические, оптические датчики или их комбинация.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нем, с целью энергосбережения, реализован импульсный (периодический) режим измерения концентрации газов.

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для нагрева до рабочей температуры полупроводниковых и термокаталитических сенсоров используется постоянное напряжение, формируемое цифроаналоговым преобразователем (ЦАП).

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для нагрева до рабочей температуры полупроводниковых и термокаталитических сенсоров используется широтно-импульсная модуляция.

13. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно имеет звуковую и световую сигнализацию о превышении установленных концентраций, вибросигнал, а также возможность отображения данных на дисплее устройства.

14. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, с целью энергосбережения, данные в диспетчерский пульт (пункт сбора данных) передаются по радиоканалу в импульсном режиме: передача данных - режим ожидания - передача данных.

15. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус устройства выполнен во взрывозащищенном исполнении (в частности, с маркировкой «РОИаС).

16. Устройство по п.1, отличающееся тем, что имеется возможность определения местоположения устройства в известном трехмерном объеме.

17. Устройство по п.1, отличающееся тем, что устройство кроме измерения концентрации газов осуществляет мониторинг и других параметров: температуры, влажности, давления и др.

18. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нем имеется возможность подключения к уже существующим системам безопасности.

19. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нем имеется возможность подавать команды управления внешними исполнительными устройствами (клапанами).

20. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нем имеется дополнительная возможность передавать данные в сети стандарта сотовой связи.

21. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нем имеется дополнительная возможность передавать данные в Интернет.

22. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нем имеется дополнительная возможность передавать данные с использованием промышленных протоколов передачи данных RS 232, RS 485, CAN и др.

23. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно имеет дополнительную возможность питания или зарядки аккумуляторов от электрической сети.

24. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно имеет приспособления для крепления к стене.