SPOJENÍ POLOVODIČOVÉHO SENZORU S PC

Transkript

1 SPOJENÍ POLOVODIČOVÉHO SENZORU S PC Úvod Od samého počátku své existence sleduje měřicí technika dva základní směry vývoje. První směr hledá nové měřicí principy, druhý se snaží dosáhnout stále dokonalejší zpracování získané informace. Relativně snadná dostupnost výkonné, přitom finančně únosné počítačové techniky se v současné době uvádí jako hlavní příčina podstatných změn v mnoha oborech lidské činnosti a tedy i v měřicí technice. Speciální nebo vhodně doplněný počítač se stává mocným nástrojem pro automatické experimentování či řízení technologických procesů s možností snadné variability činnosti. Komunikace počítače s reálným objektem může mít nejrůznější podobu. Nejčastěji však bývá realizován styk přes standardní sériové rozhraní typu RS (RS 232, RS 422, RS 485), standardní rozhraní IEEE 488 (IMS-2) nebo multifunkční adaptér vkládaný v podobě zásuvné karty na V/V (Vstupně/Výstupní) sběrnici počítače. Poslední ze tří jmenovaných způsobů komunikace je procvičován v rámci této laboratorní práce. Multifunkční adaptér Multifunkční adaptér ve spojení s PC patří mezi virtuální měřicí přístroje s určitou vlastní inteligencí, která je daná podpůrným programem. Řada výrobců nabízí karty určené k zabudování do počítače v různých kvalitativních třídách. Téměř všechny karty však mají přibližně stejnou skladbu. Většinou umožňují měřit 16 různých analogových (spojitých) napěťových signálů (pomocí tzv. A/D kanálů) v pevném nebo nastavitelném rozsahu, osm nebo šestnáct vstupních digitálních signálů (často také alternativně označovaných jako číslicové, diskrétní, logické nebo dvouhodnotové signály) a obvykle i počet impulsů. Karty bývají vybaveny jedním nebo dvěma analogovými výstupy (D/A kanály) a opět osmi nebo šestnácti digitálními výstupy, určenými pro ovládání experimentu nebo procesu. Blíže viz příloha 1. Měřicí program EfLab Karty mohou s počítačem komunikovat s podporou speciálních programů psaných v obvyklých jazycích (BASIC, PASCAL, C) avšak mnohem pohodlnější je využít univerzální měřicí a řídicí programy a to od plně profesionálních, až po jednoduché účelové produkty. Za programový produkt střední kategorie lze považovat i program EFLAB tuzemské firmy IPP Measure. Přestože, využívá ještě funkce operačního systému DOS, vyznačuje se extrémní jednoduchostí a je tedy vhodný i pro základní seznámení osob bez znalosti programování se způsobem návrhu měřicích aplikací. EFLAB je program dialogového typu, který je určený pro automatizaci měření a řízení procesů, s možností tvorby téměř libovolných, podmínečně větvených scénářů. Podporuje možnost kalibrace (v programu je používán starší pojem cejchování ) celého měřicího řetězce. Za předpokladu znalosti alespoň čtyř dvojic vzájemně si příslušejícího naměřeného napětí a odpovídající hodnoty měřené veličiny, program vypočte jejich vzájemný vztah vyjádřený jako polynom třetího stupně. Šestnáct tzv. výpočetních kanálů umožňuje během měření průběžný výpočet potřebných matematických vztahů používajících základní aritmetické operátory a funkce, číselné nebo symbolické konstanty a měřené (nebo počítačem generované) pomocné parametry. Zabudované funkce běžně užívaných regulátorů (s proporcionální, de- 1

2 rivační a integrační složkou) jsou určeny pro řízení procesu podle okamžitých naměřených hodnot a požadovaného chování. Připojená statistika umožňuje automatické hodnocení měření pro všechny žádané proměnné. Logická funkce typu IF (kterou program nabízí) je mocným prostředkem pro vyhodnocení rozhodných podmínek. Průběh měření (a řízení) je možné vypsat ve formě protokolu s doplněným textem a při grafickém zpracování je možné vygenerovat XY grafy, přitom jednou z veličin může být i čas. Tímto způsobem získané dokumenty mají však pouze pracovní charakter a pro získání dokumentů na v současné době očekávané úrovni je nezbytný export dat např. do tabulkového kalkulátoru EXCEL a textového editoru WORD. Program je využitelný ve dvou základních režimech. Ve statickém režimu není možné měřit data a provádět výpočty rychleji než přibližně padesátkrát za sekundu. Přitom nejrychlejší možné ukládání naměřených a vypočtených hodnot do paměti počítače je jedenkrát za sekundu. Statický režim, pokud tomu nebrání použitý multifunkční adaptér, umožňuje: 1. Obsluhovat až 16 vstupních kanálů A/D (analogově-digitálního) převodníku. Je tedy možné měřit až šestnáct různých nezávislých veličin prezentovaných analogovým napětím. 2. Obsluhovat až 4 vstupní kanály čítačů/časovačů. Pomocí těchto kanálů program může měřit frekvenci opakování a případně dobu trvání určitého jevu nebo počítat impulsy. 3. Nadefinovat až 16 výpočtových kanálů. Program je tak schopen okamžitě (v reálném čase) matematicky zpracovávat naměřené hodnoty podle zadaných vztahů. 4. Nastavit pro kanály A/D převodníku a čítačů limitní hodnoty. Překročení je programem signalizováno ve dvou krocích. Přiblížení k limitní hodnotě program označí jako kritický stav, překročení této hodnoty je pak klasifikováno jako stav havarijní. 5. Využít až 6 výstupních kanálů D/A (digitálně-analogového) převodníku. Nejčastější využití je ve spojení se zabudovanými algoritmy regulátorů PID pro řízení procesu. 6. Ovládat až 16 vstupních a výstupních digitálních linek. 7. Volbu automatického nebo ručního pokynu k provedení odměru a uložení výsledku. 8. Určit podmíněný (např. určitou hodnotou měřené veličiny) nebo nepodmíněný START a STOP měření. Jednotlivé kanály jsou ve statickém režimu ovládány tzv. multiplexně, tedy postupně jeden po druhém a nikoli všechny v jednom časovém okamžiku. V dynamickém režimu je měření řízeno multifunkčním adaptérem. Dosažitelná rychlost odměrů je závislá na použitém adaptéru a programem je omezena na vzorků za sekundu. Program je pak možné využít jako: 1. Osciloskop použitelný pro měření periodicky se opakujících signálů. 2. Transient memory (paměť přechodných dějů) režim je vhodný pro jednorázové rychlé a neopakující se děje. V obou režimech (statickém i dynamickém) je možné: 1. Kalibrovat jednotlivé kanály A/D převodníku tak, aby měření bylo v souladu se skutečnou hodnotou měřené veličiny. 2. Vytvořit protokol měření obsahující libovolný komentář a výpis výsledků měření. Protokol je možné zobrazit na monitoru počítače a vytisknout nebo uložit do textového souboru. Uložené soubory lze pomocí konverzního programu EFCONV transportovat do tabulkových procesorů (např. EXCEL). 2

3 3. Generovat protokol POST MORTEM, který v případě, že program zjistil havarijní stav některého kanálu, obsahuje posledních dvacet naměřených hodnot. 4. Využívat jednoduchý kalkulátor. 5. Prezentovat výsledky měření ve formě grafického protokolu. Tento protokol může obsahovat až čtyři různé grafy, které lze v daných mezích upravit. Výsledné grafy lze zobrazit na monitoru nebo vytisknout. Grafy lze také uložit do souborů ve formátu HPGL a transportovat do některých vyšších programových produktů, např. typu CAD. 6. Nadefinovat zvolené posloupnosti podmínečně větveného měření v rámci předem připraveného scénáře. Podrobnější informace lze získat z manuálu programu EFLAB nebo v demonstračním programu EFDEMO, případně přímo v programu EFLAB voláním nápovědy pomocí rychlého klíče F1. Polovodiče - základní pojmy Od kovů se polovodiče liší především tím, že mají větší měrný elektrický odpor ρ, řádově v intervalu 10-4 Ω m až 10 8 Ω m (kovy řádově 10-8 Ω m až 10-6 Ω m). Samotný měrný odpor však k zařazení látky mezi polovodiče nestačí. Důležité je, že elektrické vlastnosti polovodičů závisí mnohem více než elektrické vlastnosti kovů na teplotě, dopadajícím záření, popř. na obsahu různých příměsí. Proto jsou senzory fyzikálních i chemických veličin často založeny právě na polovodičích. S rostoucí teplotou se odpor polovodičů rychle zmenšuje, zatímco odpor kovů se s teplotou zvyšuje (viz obr. 1). Obr. 1 Závislost měrného elektrického odporu kovu a polovodiče na teplotě Mezi polovodiče patří některé chemické prvky, např. křemík Si, germanium Ge, selen Se a některé chemické sloučeniny, např. arsenid galia GaAs, fosfid india InP, sulfid olovnatý PbS aj. Nejrozšířenějším materiálem pro výrobu polovodičových součástek je v současné době velmi čistý monokrystalický křemík. Vlastní polovodiče Atom křemíku má v elektronovém obalu 14 elektronů, z nichž 10 je pevně vázáno k jádru atomu a čtyři zbývající vytvářejí elektronové vazebné dvojice se čtyřmi sousedními atomy v krystalové mřížce. Tento druh vazby mezi atomy označujeme jako kovalentní vazbu. Na obr. 2 je zjednodušený rovinný model krystalové mřížky křemíku. Aby se elektron z kovalentní vazby uvolnil, je třeba mu dodat poměrně malou energii 1,1 ev (čili přibližně 1, J). Při velmi nízkých teplotách jsou všechny valenční elektrony zapojeny do vazeb mezi atomy a křemík má vlastnosti izolantu. Při běžných teplotách však stačí dodat např. zahříváním jen málo energie a elektrony se z vazby mohou uvolnit za vzniku tzv. volných elektronů. Poruše- 3

4 ním vazby vzniknou současně dva druhy volných částic s nábojem, a to vždy v párech. Vznik (generace páru elektron-díra) těchto párů je znázorněn na obr. 3. Obr. 2 Model struktury křemíku Obr. 3 Vznik páru elektron díra Pojmem díra charakterizujeme jev, kdy uvolněný valenční elektron chybí ve vazbě mezi atomy. Materiál byl zpočátku v elektricky neutrálním stavu, a proto na místě po uvolněném elektronu bude kladný náboj. Díra tedy nepředstavuje skutečnou částici s kladným nábojem (jakou je třeba proton), ale prázdné místo, na které může přejít jiný elektron. Pohyb díry si představujeme tedy tak, že některý z valenčních elektronů sousedních vazeb (v daném okamžiku ještě neporušených) přeskočí na místo porušené vazby. Tím se obnoví původně porušená vazba, díra zanikne, ale objeví se na jiném místě. Díry pak mohou v krystalu putovat podobně jako elektrony. Díra může také definitivně zaniknout, když prázdné místo vyplní volný elektron (rekombinace páru elektron-díra). V čistém křemíku je hustota děr rovna hustotě volných elektronů. Při běžné teplotě je rovna 6, m -3. S rostoucí teplotou hustota děr a volných elektronů (tj. volných nosičů náboje) roste, proto se odpor polovodiče při zahřívání zmenšuje. Není-li polovodič zapojen ke zdroji napětí, je pohyb volných nosičů náboje neuspořádaný. Po připojení ke zdroji napětí vznikne v polovodiči elektrické pole, které způsobí, že vedle neuspořádaného pohybu se volné nabité částice pohybují uspořádaně: volné elektrony proti směru a díry po směru intenzity elektrického pole. Vznikne tedy elektrický proud složený z proudu elektronového a proudu děrového. Nevlastní (příměsové) polovodiče Hustota párů elektron-díra u vlastních polovodičů je pro praktické využití nedostatečná. Zvýšení hustoty volných elektronů nebo děr se dosáhne přítomností příměsí (krystalová porucha typu příměs). Jako příměs se volí atomy s oxidačním číslem pět (P, As, Sb) nebo s oxidačním číslem tři (B, In, Ga). Vedle vlastní vodivosti vzniká vodivost příměsová. Podle druhu příměsi rozlišujeme polovodiče s vodivostí elektronovou (polovodiče typu N) a s vodivostí děrovou (polovodiče typu P). Polovodič typu N Elektronovou vodivost vytvářejí v křemíku atomy s pěti valenčními elektrony. např. atomy fosforu. Atom fosforu nahrazuje ve struktuře krystalu křemík a čtyři z jeho valenčních elektronů přispívají k nasycení vazeb se sousedními atomy Si (obr. 4). Pátý elektron zůstává slabě vázaný na atom fosforu, takže již při nízké teplotě se stává v krystalu volným. V křemíku s příměsí fosforu je tedy nadbytek volných elektronů. Proto tyto elektrony označujeme jako většinové (majoritní) nosiče náboje a díry jako nosiče menšinové (minoritní). 4

5 Z příměsového prvku se ve struktuře krystalu stávají kladné nepohyblivé ionty (ionizovaný příměsový atom), které se nazývají donory. Polovodič typu P Děrová vodivost vzniká v křemíku vlivem příměsi se třemi valenčními elektrony, např. bóru. Tím na plné obsazení vazeb se sousedními atomy Si chybí jeden elektron. Jedna ze čtyř vazeb není tedy plnohodnotná. Při dodání velmi malého množství energie zaplní prázdné místo ve vazbě (prázdné místo je zatím bez elektrického náboje) elektron z některé sousední vazby a na jeho původním místě vznikne volná díra. Díry jsou tedy v tomto případě majoritní nosiče náboje, zatímco elektrony jsou zde nosiči minoritními. Zaplněním neúplné vazby elektronem vzniká nepohyblivý záporný iont bóru (ionizovaný příměsový atom) zvaný akceptor. Obr. 4 křemík s příměsí fosforu Obr. 5 Křemík s příměsí boru Princip polovodičového senzoru Plynové senzory slouží v mnoha oblastech lidské činnosti, jedná se především o detekci nebezpečných plynů (úniky výbušných nebo toxických plynů, průmyslové závody, doly), plynů škodlivých pro životní prostředí (oxidy dusíku a síry, ozón) a plynných produktů spalování (požární hlásiče, oxid uhelnatý při nedokonalém spalování). Plynové senzory nalézají též uplatnění v chemickém průmyslu (složení reakčních směsí), automobilovém průmyslu (lambda sonda pro měření parciálního tlaku kyslíku ve výfukových plynech) a silničních kontrolách (dechová zkouška). Polovodičový plynový senzor využívá změny vodivosti polovodiče v důsledku chemických vlivů - přítomnost redukční nebo oxidační složky v atmosféře. Citlivá část senzoru - polovodič - může mít tvar keramické perličky nebo je ve formě polovodivé vrstvy nanesené na elektricky nevodivém substrátu. Polovodič musí být chemicky stálý, tj. nesmí chemicky reagovat se žádnou složkou obsaženou v měřené atmosféře. Proto se pro konstrukci senzoru nepoužívá např. křemík, který se na vzduchu pokrývá vrstvou nevodivého oxidu. Nejčastěji tvoří citlivou část polovodivé oxidy: SnO 2, In 2 O 3, ZnO, Fe 2 O 3 aj., které již nemohou dále oxidovat a měnit tím své elektrické vlastnosti. Obvyklým materiálem je SnO 2 především pro svoji optimální hodnotu měrného elektrického odporu. SnO 2 obsahuje za normálních podmínek kyslíkové vakance (deficit kyslíkových atomů), je tedy nestechiometrický, takže správnější zápis je SnO 2-x. Kyslíkové vakance se chovají jako elektronové donory, oxid cíničitý je tudíž přirozeně polovodič typu N. Pro ovlivnění vodivosti polovodiče v senzoru musí docházet ke kontaktu polovodiče a plynné fáze. Interakce mezi pevnou a plynou látkou se děje obecně na základě dějů: adsorpce, absorpce a chemisorpce. Adsorpce představuje zachycování plynných molekul na povrchu pevné látky pomocí slabých interakcí (fyzikálních sil, např. Van der Waalsovy síly), molekuly plynu jsou na povrchu vázány slabě, může tedy snadno dojít k jejich uvolnění - 5

6 desorpci. Absorpce znamená pronikání plynných molekul, případně jejich fragmentů - atomů, do objemu pevné fáze. Plynové polovodičové senzory využívají tzv. chemisorpce, při které dochází k vázání molekul plynu na povrchu pevné látky chemickými silami - tj. chemickou vazbou. Chemická vazba při chemisorpci je daleko pevnější než fyzikální interakce v případě adsorpce, její vznik je doprovázen přenosem elektronů. Předání elektronů mezi dvěma činidly se nazývá oxidačně-redukční (nebo též redoxní) děj, při němž oxidační činidlo elektrony přijímá, tím se samo redukuje (tj. snižuje oxidační číslo). Na druhou stranu redukční činidlo elektrony odevzdává, oxidační číslo se u něj zvyšuje, tj. oxiduje se. Ve vzduchové atmosféře se na povrch polovodiče typu N chemisorbuje kyslík (oxidační - plyn) za vzniku aniontů O 2 nebo O 2-2. Molekulární anionty vznikají tak, že odčerpají volné elektrony z polovodiče. Oxidační plyn tedy působí jako povrchový akceptor, vodivost N polovodiče snižuje pod povrchem na minimum. U polovodiče typu P by se vodivost vlivem oxidačního plynu naopak zvyšovala. V případě, že se ve vzduchové atmosféře objeví redukční plyn například methan (tvoří cca 98 obj. % zemního plynu), dochází za určitých podmínek k jeho reakci s chemisorbovaným kyslíkem za vzniku plynných produktů - oxidu uhličitého a vody. Produkty reakce jsou elektroneutrální, přebytečný záporný náboj se vrací ve formě volných elektronů zpět do polovodiče. Vodivost polovodiče se zvýší. Nárůst vodivosti je tím vyšší, čím vyšší je koncentrace a reaktivita redukčního plynu. Změna vodivosti je vratná, při snížení koncentrace redukčního plynu na nulu se obnoví počáteční stav, tj. opětovně se naváže kyslík na povrch polovodiče a vodivost se vrátí na původní hodnotu. Měřením vodivosti resp. elektrického odporu polovodiče lze tedy určit koncentraci plynu oxidačně-redukční povahy. Pro správnou funkci obsahuje senzor kromě polovodiče ještě topný element. Vyhřívání usnadňuje překonávání aktivační energie chemických reakcí, které na povrchu polovodivé části senzoru probíhají. Pro snížení aktivační energie povrchových reakcí bývá polovodič pokryt vhodným katalyzátorem. Praktické provedení polovodičových chemických senzorů Světovým producentem polovodičových senzorů se stala japonská firma FIGARO Engineering Inc. Firma vyrábí celou řadu senzorů pod označením TGS (s doplňkovým číselným označením), určených pro detekci různých plynů, např. CO, NH 3, C 2 H 5 OH, H 2, řady uhlovodíků (CH 4, C 3 H 8, i-c 4 H 10 ), freonů atd. Přestože řada jiných výrobců nabízí senzory vykazující srovnatelné a případně i lepší parametry, firma FIGARO dosud své dominantní postavení na trhu neztratila díky hromadné výrobě a tradici. Jedno z běžných konstrukčních uspořádání je uvedeno na obr. 6. Senzor je tvořen nosnou trubičkou s elektricky nevodivého materiálu (keramiky), na jejímž vnějším povrchu je vytvořen systém dvou měřicích elektrod, pokrytý polovodivou citlivou vrstvou. Uvnitř trubičky je uložena topná šroubovice pro ohřev celého systému. Schéma takto koncipovaného senzoru je na obr. 7a. Jiný způsob možnosti provedení polovodičového senzoru u kterého je jedna měřicí elektroda a topná šroubovice sloučena do jediného elementu dokumentuje schéma na obr. 7b. Protože principem detekce sledovaného plynu je interakce plynné fáze s povrchem pevného polovodiče, je nezbytné z důvodu dostatečné citlivosti senzory konstruovat tak, aby povrch polovodiče byl vzhledem k objemu polovodiče dostatečně velký. Toho lze dosáhnout buď sintrováním (spečením) malých zrn polovodiče do podoby vysoce porézní keramické perličky nebo tlusté vrstvy a případně využitím tenkých vrstev nanášených na vhodný plošný substrát pomocí vakuového napařování nebo naprašování. Hlavní oblastí použití polovodičových chemických senzorů je realizace jednoduchých detektorů spalitelných plynů. Pro úspěšné nasazení je však nezbytné dostatečné pochopení základních vlastností takových senzorů. Souhrnně je možno uvést několik společných poznatků důležitých pro praktickou aplikaci. 6

7 1. K normální funkci je nezbytná přítomnost kyslíku. 2. Parciální tlak kyslíku by měl být konstantní. 3. Senzor nevykazuje výraznou citlivost na sledovaný plyn až do teploty, kdy začne být oxidačně aktivní. 4. Senzor vyžaduje stabilizaci teploty nebo řízení teplotního režimu. 5. Senzory jsou obecně neselektivní. Zvýšenou citlivost k určitým plynům je možné ovlivňovat pracovní teplotou nebo přídavkem vybraných oxidačně aktivních katalyzátorů. 6. Polovodičové senzory umožňují detekci až o tři dekadické řády nižších koncentrací než jiné běžné senzory. kovová síťka žhavicí šroubovice 1.elektroda patice s krytkou nosná trubička s citlivou vrstvou 2.elektroda Obr. 6 Senzor TGS řady 800 trubičkový typ topení 1. elektroda polovodivá hmota topení +2. elektroda polovodivá hmota elekroizolant 2. elektroda 1. elektroda a) b) Obr. 7 Polovodičový senzor a) s odděleným topným a měřicím systémem b) se společným topným a měřicím systémem 7

8 Perličkový senzor VŠCHT Pro zvýšení bezpečnosti provozů s možností výskytu nebezpečných koncentrací výbušných plynů a par byl na Ústavu fyziky a měřicí techniky vyvinut polovodičový senzor, který byl využit pro realizaci zabezpečovacích systémů. Senzor je tvořen spirálou (šroubovicí) a měřicí elektrodou zabudovanou do porézního keramického polovodiče ve smyslu obr. 7b. Spirála je vinuta z platinového drátu a zastává dvě základní funkce. Za prvé spirála slouží jako topný element, jehož úkolem je vyhřát polovodič na pracovní teplotu. Za druhé je tato spirála spolu s další měřicí elektrodou součástí měřicího systému, určeného pro vyhodnocení změn vodivosti keramického polovodiče, sintrovaného ze zrn kovových oxidů (SnO 2, In 2 O 3 ) a Pt katalyzátoru. Schéma senzoru v základním elektrickém zapojení je na obr. 8. U N U M R N R M U A A C topný element + 2. elektroda B I D UD U C polovodivá keramika 1. elektroda Obr. 8 Polovodičový chemický senzor VŠCHT v základním zapojení V uvedeném zapojení se po připojení napájecího napětí U M a U N projeví změny elektrické vodivosti polovodivé keramiky jako změny proudu I protékajícího keramikou. Při vhodné volbě velikosti sériového odporu R M vzniká při průtoku proudu na odporu měřitelný napěťový úbytek. Pak lze napětí U C použít jako měronosný signál koncentrace. V případě kovové měřicí elektrody dostatečného průřezu není mezi bodem C a D měřitelný napěťový úbytek a napětí U C a U D pak lze považovat za totožné. S výhodou je v takovém případě možné ve spojení s multifunkčním adaptérem využít U C pro detekci skutečného napětí a U D případně pro detekci údaje o koncentraci sledovaného plynu (např. v objemových procentech) a to na základě získaného kalibračního vztahu. Zařazením vhodně zvoleného odporu R N do série s topnou platinovou spirálou je možné z úbytku napětí na tomto odporu odvodit hodnotu topného proudu protékajícího spirálou. Následně lze z naměřené hodnoty napětí U A s využitím Ohmova zákona určit odpor platinové spirály a ze závislosti odporu na teplotě (viz odporové platinové teploměry) je pak možné určit teplotu senzoru. Získaný údaj o teplotě je možné využít k řízení teploty senzoru nebo k různým výpočtům. 8

9 Svorkovnice Multifunkční adaptér A3 A1 A0 A4 GND B0 BIT0 B1 BIT1 B2 BIT2 U N U M U C U D U S GHD IN1 OUT 1IN2 OUT 2IN3 OUT 3 5 V + Zdroj BS-525 A2 R N R M U A Dvojhodnotové výstupy (diody emitující světlo - LED) Nastavení úrovně signálu NEPOUŽÍVAT! A C OUT1 OUT2 OUT3 IN1 IN2 IN3 Dvojhodotové vstupy 3x přepínač B D Senzor odpojitelné kabely trvalé propojení přes svorkovnici na multifunkční adaptér Schéma připojení panelu pro úlohu P "Spojení polovodičového senzoru s PC 9

10 Varianta P1: Měření koncentrace zemního plynu Laboratorní zařízení: senzor počítač PC multifunkční adaptér napájecí zdroj příslušenství program měřená substance nosné médium - polovodičový pro měření koncentrace - se základním vybavením a tiskárnou - ADAB (zabudovaný do počítače) - TESLA BK 125 (5V ss) - propojovací modul s panelem, stříkačka 150 ml, plastový zásobník pro plynný vzorek, vodiče - EFLAB, EFDEMO, případně EFCONV - zemní plyn - vzduch Pomocné texty uložené v pracovním stole: manuál příloha 1 příloha 2 - Program EFLAB Příručka uživatele - Karta ADAB - Přiřazení kanálů programu EFLAB reálnému objektu Zadání práce: 1. Seznamte se s demoverzí programu. 2. Proveďte kalibraci senzoru v oboru koncentrace 0 až 1 objemové procento zemního plynu ve vzduchu. 3. Proveďte statické hodnocení opakovaného měření pro koncentraci 0,5 obj. procenta zemního plynu ve vzduchu. 4. Realizujte detektor, který při dosažení úrovně 8 procent dolní meze výbušnosti zemního plynu vybudí signál VYSTRAHA a při úrovní 16 procent (a více) dolní meze výbušnosti vybudí další signál ALARM. Pro detekci normálního provozního stavu (tj. méně než 0,8 procent dolní meze výbušnosti) použijte signál NORMAL. 5. Vysvětlete dynamické chování senzoru (ve spojení s měřicí komůrkou) po nástřiku. Pozn.: Jako dolní mez výbušnosti uvažujete koncentraci 5 obj. procent zemního plynu ve vzduchu. Pracovní postup: 1. Zapněte počítač a zdroj pomocného napětí 5 V. Spusťte program DEMO uložený na disku D v adresáři EFDEMO posloupností pokynů: d: cd efdemo demo Řiďte se pokyny na obrazovce. K přechodu na novou obrazovku používejte mezerník. Soustřeďte se především na informace týkající se cejchování kanálů, volby parametrů A/D kanálů, zadání vztahů do výpočetních kanálů, ovládání číslicových výstupů a volby režimu měření, které budete při přípravě měření bezprostředně potřebovat. Dále věnujte náležitou pozornost tvorbě písemného protokolu o měření a zpracování měření do formy grafického protokolu. 1

11 2. Spusťte program EFLAB uložený na disku D v adresáři EFLAB posloupností pokynů: cd \ cd eflab eflab Ocejchujte (kalibrujte) kanál A4, na který je přivedeno napětí U D (viz příloha 2). Proces cejchování spustíte z hlavní nabídky tak, že v horní liště obrazovky zvolíte Měření a v podnabídce Cejchování. Pro výběr z nabídek lze alternativně používat dva základní způsoby a to nejlépe označením pomocí kurzoru myši s následným kliknutím na levém tlačítku, nebo pomocí klávesnice stiskem odlišně podsvíceného písmene. Při cejchování se řiďte pokyny uvedenými v manuálu v kapitole 6.1. Cejchování proveďte pro koncentrace zemního plynu ve vzduchu s krokem po jedné desetině v rozsahu 0 až1 % obj. Směs připravte opakovaným ředěním zemního plynu odebraného z rozvodu do předem evakuovaného plastového zásobníku. Postup je následující. Do stříkačky natáhneme ze zásobníku alespoň 100 ml zemního plynu u kterého předpokládáme koncentraci 100 % obj. Pro namíchání vzorku s koncentrací např. 0.2 % obj. vytlačíme plyn ze stříkačky až po polohu, kdy čelo pístu dosáhne polohy odpovídající 10 ml (pokud je píst v klidu je nezbytné vždy uzavřít ústí stříkačky prstem, aby plyn samovolně neunikal). Následně natáhneme do stříkačky vzduch až po polohu, kdy čelo pístu dosáhne polohy 100 ml. Ve stříkačce nyní máme koncentraci 10 % obj. Postup zopakujeme a docílíme koncentraci 1 % obj. Konečné ředění provedeme tak, že vytlačíme vzorek až po rysku odpovídající 20 ml a natáhneme vzduch do stříkačky po rysku 100 ml. Získaný vzorek v závislosti na pečlivosti ředění a geometrii stříkačky se pak blíží v rámci docílené přesnosti hodnotě 0,2 % obj. Připravenou směs zvolna a plynule nastříkněte do měřicí komůrky a stříkačku neodpojujte. Po ustálení měřené hodnoty (avšak dříve než hodnota začne opět stoupat v souvislosti s poklesem koncentrace v měřicí komůrce) uložte měřenou hodnotu do paměti počítače. Za skutečnou hodnotu koncentrace považujte hodnotu připravovanou. (Při záznamu první hodnoty tj. nulové koncentrace je nezbytné hodnotu z klávesnice vypsat, i když už v okénku nulová hodnota je předvolená!) Naměřené hodnoty evidentně hrubě odchýlené z cejchovního souboru vylučte. Čím více hodnot naměříte, tím přesnější získáte výsledek. Maximální počet je však omezen na šestnáct dvojic údajů. Po volbě Spočti si poznamenejte vypočítaný polynom. Dále volte Konec a uložte cejchovní soubor pod jménem A.CAL. 3. Proveďte statistické vyhodnocení souboru 11 měření s opakovaně připravovanou koncentrací 0,5 procenta zemního plynu ve vzduchu. K tomu použijte podnabídky z hlavní nabídky Příprava. Navolte parametry A/D kanálů pro měření koncentrace v ocejchovaném kanálu A4 a kanál aktivujte (viz manuál kap. 5.4). Volte zobrazení měřených hodnot během měření, indikaci překročení limitních hodnot neuvažujte. Mějte na zřeteli, že názvy veličin a jednotky zapsané v rámci zvolených parametrů se stávají součástí dat a špatně zvolené nejde jednoduše při následném zpracování výsledků měření změnit. Nastavení kanálu potvrďte tlačítkem Ok. Dále volte podnabídku Zadání vztahu a aktivujte první výpočetní kanál V0 (viz manuál kap. 5.7). S ohledem na požadavek grafického zpracování, kdy na horizontální ose grafu bude číslo odměru zapište do výpočetního kanálu takový vztah, aby horizontální osa grafu začínala číslem 1 (první odměr) a končila číslem 11. K tomuto účelu použijte pro vytvoření potřebného vztahu vhodnou pomocnou proměnnou produkovanou počítačem a volte zobrazení vypočítaných hodnot během měření. Dialogové okno zavřete opět tlačítkem Ok Dále zvolte vhodný Režim měření umožňující ruční ukládání naměřených údajů do paměti počítače (viz manuál kap. 5.10). Potvrďte Ok. V hlavní nabídce Měření volte podnabídku Soubor cejchů a zvolte korektní cejchovní křivku (A.dat). Dále v hlavní nabídce Měření zvolte podnabídku Měření a po otevření měřicího okna dejte Start. Provádějte opakovaně nástřik připravené plynné směsi, aktuální hodnotu naměřené koncentrace ukládejte tlačítkem Uložit a po každé komůrku profoukněte vzduchem. Po posledním odměru dejte Konec. Potvrďte příkazem Ano a v hlavní nabídce Zpracování měření s podnabídkou Uložení dat uložte data do souboru A.DAT. S využitím hlavní nabídky Zpracování 2

12 měření proveďte jejich výpis doplněný statistickými údaji (viz manuál str. 85) poskytovanými počítačem ve formě textového protokolu (viz manuál kap. 7.3). Zobrazení volte nejprve na obrazovku a následně data přesměrujte na tiskárnu (v případě sdílené tiskárny proveďte její napojení na váš počítač). Naměřené hodnoty zpracujte i do formy grafu (viz manuál kap. 7.4), kde na horizontální ose bude odměr a na vertikální ose naměřená koncentrace. Graf opatřete vhodným názvem a ostatními údaji. Vykreslení grafu volte nejprve na obrazovku a graf na obrazovce zkontrolujte. Obrazovku uzavřete tlačítkem Ok. Posléze přesměrujte vykreslení grafu na tiskárnu. Správnost grafu na obrazovce opět zkontrolujte a tlačítkem Ok pošlete graf do tisku. 4. Navrhněte a nastavte vhodný režim měření (požadavek automatického zápisu dat vždy po 2 sekundách) a vložte potřebné výpočetní vztahy (s využitím logické funkce IF) do výpočetních kanálů V0 až V2 pro zajištění funkce jednoduchého detektoru. Posuďte předvolenou přesnost vyhodnocení podmínky v okně návrhu režimu měření a případně hodnotu upravte. Zapsaná hodnota přesnosti znamená, že podmínka bude vyhodnocena s odchylkou ± zvolené číslo. Z důvodu jednoznačnosti vyhodnocení podmínky není možné volit hodnotu , protože v takovém případě vzhledem k digitalizaci údajů, by mohl nastat případ, že podmínka by nebyla nikdy splněna a počítač by poskytl chybné údaje, nebo by tzv. zamrzl s nezbytným následným resetovaním a tím i ztrátou dat. Pro světelnou signalizaci využijte dvouhodnotové výstupy Bit0 až Bit2 (viz manuál kap. 5.9), dostupné přes dialogové okno Číslicové výstupy, a to tak, aby provozní stav NORMAL byl signalizován barvou zelenou, stav VYSTRAHA žlutou a stav ALARM červenou. Přiřazení číslicových výstupů počítače k odpovídajícím barevným diodám LED je zřejmé z přílohy č. 2. Z důvodu jednoduchosti uvažujte pouze stav výstupů po odstartování programu. To provedete tak, že do tmavě modrého sloupce zapíšete pouze odkaz na místo, kde je okamžitá informace o stavu číslicového výstupu uložena (tj. příslušný výpočetní kanál) a ostatní sloupce ignorujte. Po odstartování programu v režimu měření tlačítkem Start pro test správné činnosti detektoru nastříkněte do měřicí komůrky směs o koncentraci 1% obj. zemního plynu ve vzduchu a stříkačku ihned odpojte. Nechte proběhnout samovolný čistící proces. Měření ukončete tlačítkem Konec a potvrďte Ano. Časový průběh signálů uložte do souboru A.DAT a graficky zpracujte ve formě 4 grafů zobrazených na papíru formátu A4 orientovaném na šířku (horizontální protokol). Práci s programem EFLAB ukončete v hlavní nabídce Měření povelem Ukončení. Vystupte z adresáře EFLAB příkazem: cd \ c: a můžete vypnout počítač a pomocný zdroj 5 V. Pro kompletaci protokolu vytvořte odpovídající písemný protokol se všemi nezbytnými náležitostmi (protokol je zápis o měření) včetně všech výpočetních vztahů, způsobu vyjádření koncentrace vzhledem k postupu ředění vzorku a definice použitých veličin. Uveďte zhodnocení naměřených výsledků. Pro psaní textů není vhodné využívat textový editor programu EFLAB (který má omezené možnosti), proto použijte jiný vhodný dostupný programový produkt. Nezbytnou přílohou protokolu jsou tištěné dokumenty získané v průběhu měření. Dokumenty podrobte kontrole a v případě nutnosti proveďte ručně jejich korekci. 3

13 P2: Měření koncentrace zemního plynu Laboratorní zařízení: senzor počítač PC multifunkční adaptér napájecí zdroj příslušenství program měřená substance nosné médium - polovodičový pro měření koncentrace - se základním vybavením a tiskárnou - ADAB (zabudovaný do počítače) - TESLA BK 125 (5V ss) - propojovací modul s panelem, stříkačka 150 ml, plastový zásobník pro plynný vzorek, vodiče - EFLAB, EFDEMO, případně EFCONV - zemní plyn - vzduch Pomocné texty uložené v pracovním stole: manuál příloha 1 příloha 2 - Program EFLAB Příručka uživatele - Karta ADAB - Přiřazení kanálů programu EFLAB reálnému objektu Zadání práce: 1. Seznamte se s demoverzí programu. 2. Realizujte detektor, který při dosažení úrovně 8 procent dolní meze výbušnosti zemního plynu vybudí signál VYSTRAHA a při úrovní 16 procent (a více) dolní meze výbušnosti vybudí další signál ALARM. Pro detekci normálního provozního stavu (tj. méně než 0,8 procent dolní meze výbušnosti) použijte signál NORMAL. 3. Proměřte odezvu polovodičového senzoru po nástřiku směsi zemního plynu a vzduchu do měřicí komůrky. 4. Naměřený průběh vyjádřete graficky. 5. Vysvětlete dynamické chování senzoru (ve spojení s měřicí komůrkou) po nástřiku. Pozn.: Jako dolní mez výbušnosti uvažujete koncentraci 5 obj. procent zemního plynu ve vzduchu. Pracovní postup 1. Zapněte počítač a zdroj pomocného napětí 5 V. Spusťte program DEMO uložený na disku D v adresáři EFDEMO posloupností pokynů: d: cd efdemo demo Řiďte se pokyny na obrazovce. K přechodu na novou obrazovku používejte mezerník. Soustřeďte se především na informace týkající se volby parametrů A/D kanálů, zadání vztahů do výpočetních kanálů, ovládání číslicových výstupů a volby režimu měření, které budete při přípravě měření bezprostředně potřebovat. Dále věnujte náležitou pozornost zpracování měření do formy grafického protokolu. 2. Spusťte program EFLAB uložený na disku D v adresáři EFLAB posloupností pokynů: 1

14 cd \ cd eflab eflab Vyberte dialogové okno Příprava Parametry A/D kanálů. Navolte parametry pro měření koncentrace v ocejchovaném kanálu A4, který je kalibrován pro měření koncentrace přímo v % obj. zemního plynu ve vzduchu a kanál aktivujte (viz manuál kap. 5.4). Volte zobrazení měřených hodnot během měření, indikaci překročení limitních hodnot neuvažujte. Mějte na zřeteli, že názvy veličin a jednotky zapsané v rámci zvolených parametrů se stávají součástí dat a špatně zvolené nejde jednoduše při následném zpracování výsledků měření změnit. Nastavení kanálu potvrďte tlačítkem Ok. Vyberte dialogové okno Příprava Režim měření a aktivujte (viz manuál kap. 5.10): ukládání naměřených hodnot do paměti počítače průběžný záznam času měření automatický zápis dat ruční start ruční stop vhodný časový interval mezi ukládáním dat, který je v programu nesprávně označen jako Frekvence zápisu dat. (Vhodná velikost časového intervalu závisí na charakteru experimentu a možnostech počítače. Pro tuto úlohu volte časový interval 2 s). Vyberte dialogové okno Měření Soubor cejchů a načtěte soubor s označením EF_X_2.CAL, který zajišťuje v kanálu A4 odečet naměřených hodnot koncentrace zemního plynu ve vzduchu přímo v objemových procentech (Písmeno X značí číslo nalepené na počítači, tzn. 1, 2, nebo 3). Volbou Měření Měření otevřete okno ve kterém lze sledovat okamžitý stav měření po aktivaci povelem Start. Ukončit měření lze povelem Konec. Naměřená data neukládejte. V hlavní nabídce Příprava vyberte dialogové okno pro zadání výpočetních vztahů a vložte potřebné vztahy (s využitím logické funkce IF) do výpočetních kanálů V0 až V2 (viz manuál kap. 5.7) pro zajištění funkce jednoduchého detektoru. Posuďte předvolenou přesnost vyhodnocení podmínky v okně návrhu režimu měření a případně hodnotu upravte. Zapsaná hodnota přesnosti znamená, že podmínka bude vyhodnocena s odchylkou ± zvolené číslo. Z důvodu jednoznačnosti vyhodnocení podmínky není možné volit hodnotu , protože v takovém případě vzhledem k digitalizaci údajů, by mohl nastat případ, že podmínka by nebyla nikdy splněna a počítač by poskytl chybné údaje, nebo by tzv. zamrzl s nezbytným následným resetováním a tím i ztrátou dat. Pro světelnou signalizaci využijte dvouhodnotové výstupy Bit0 až Bit2 (viz manuál kap. 5.9), dostupné přes dialogové okno Číslicové výstupy, a to tak, aby provozní stav NORMAL byl signalizován barvou zelenou, stav VYSTRAHA žlutou a stav ALARM červenou. Přiřazení číslicových výstupů počítače k odpovídajícím barevným diodám LED je zřejmé z přílohy č. 2. Z důvodu jednoduchosti uvažujte pouze stav výstupů po odstartování programu. To provedete tak, že do tmavě modrého sloupce zapíšete pouze odkaz na místo, kde je okamžitá informace o stavu číslicového výstupu uložena (tj. příslušný výpočetní kanál) a ostatní sloupce ignorujte. 3. Připravte v injekční stříkačce opakovaným ředěním čistého zemního plynu směs s koncentrací 2 objemová procenta zemního plynu ve vzduchu. Směs připravte opakovaným ředěním zemního plynu odebraného z rozvodu do předem evakuovaného plastového zásobníku. Postup je následující. Do stříkačky natáhněte ze zásobníku alespoň 100 ml zemního plynu u kterého předpokládáme koncentraci 100 % obj. Pro namíchání vzorku s koncentrací 2 % obj. vytlačíme plyn ze stříkačky až po polohu, kdy čelo pístu dosáhne polohy odpovídající 10 ml. (pokud je píst v klidu je nezbytné vždy uzavřít ústí stříkačky prstem, aby plyn samovolně neunikal). Následně natáhneme do stříkačky vzduch 2

15 až po polohu, kdy čelo pístu dosáhne polohy 100 ml. Ve stříkačce nyní máme koncentraci 10 % obj. Konečné ředění provedeme tak, že vytlačíme vzorek až po rysku odpovídající 20 ml a natáhneme vzduch do stříkačky po rysku 100 ml. Získaný vzorek v závislosti na pečlivosti ředění a geometrii stříkačky se pak blíží v rámci docílené přesnosti hodnotě 2 % obj. Po odstartování programu v režimu měření tlačítkem Start pro test správné činnosti detektoru nastříkněte do měřicí komůrky připravenou směs a stříkačku ihned odpojte. Nechte proběhnout samovolný čistící proces. Vyčkejte do ustáleného stavu a ukončete měření tlačítkem Konec a potvrďte příkazem Ano. V hlavní nabídce Zpracování měření s podnabídkou Uložení dat uložte časový průběh signálů do souboru A.DAT. 4. Získané signály graficky zpracujte (viz manuál kap. 7.4) ve formě 4 grafů zobrazených na papíru formátu A4 orientovaném na šířku (horizontální protokol). Grafy opatřete vhodným názvem a ostatními údaji. Vykreslení grafů volte nejprve na obrazovku a na obrazovce je zkontrolujte. Obrazovku uzavřete tlačítkem Ok. Posléze přesměrujete vykreslení grafů na tiskárnu (v případě sdílené tiskárny proveďte její napojení na váš počítač). Správnost grafů na obrazovce opět zkontrolujte a tlačítkem Ok pošlete grafy do tisku. Práci s programem EFLAB ukončete v hlavní nabídce Měření povelem Ukončení. Vystupte z adresáře EFLAB příkazem: cd \ c: a můžete vypnout počítač a pomocný zdroj 5 V. Pro kompletaci protokolu vytvořte odpovídající písemný protokol se všemi nezbytnými náležitostmi (protokol je zápis o měření) včetně všech výpočetních vztahů, způsobu vyjádření koncentrace vzhledem k postupu ředění vzorku a definice použitých veličin. Uveďte zhodnocení naměřených výsledků. Pro psaní textů není vhodné využívat textový editor programu EFLAB (který má omezené možnosti), proto použijte jiný vhodný dostupný programový produkt. Nezbytnou přílohou protokolu jsou tištěné dokumenty získané v průběhu měření. Dokumenty podrobte kontrole a v případě nutnosti proveďte ručně jejich korekci. 3

16 Příloha 1: Karta ADAB 1. Všeobecný popis Modul ADAB je analogový modul styku s prostředím určený jako rozšiřující karta pro personální počítače se sběrnicí ISA (Industry Standard Architecture). Jedná se o desku, která obsahuje několik sdružených funkčních částí: a) rychlou 12 bitovou aproximační analogově-číslicovou část b) 12 bitovou číslicově-analogovou část c) část diskrétních vstupů d) část diskrétních výstupů Vlastnosti nejlépe charakterizují základní parametry. Modul je schopen zpracovat až 16 jednoduchých nebo 8 diferenciálních multiplexovaných analogových vstupů s programově nastavitelným zesílením vstupního zesilovače ve 3 stupních, s dobou převodu jednoho kanálu 30 µs, rozlišovací schopností až 12 bitů a přepínatelnými unipolárními nebo bipolárními rozsahy převodníku. Digitálně-analogová část obsahuje dva samostatné analogové výstupy opět s přepínatelnými bipolárními rozsahy a šířkou převodu 12 bitů. Kromě analogové části obsahuje modul 8 diskrétních vstupů a 8 diskrétních výstupů se zatížitelností ekvivalentní 1 hradlu LSTTL. Modul je navržen s ohledem na velmi široké využití v řadě aplikací univerzálního charakteru, které směřují na zpracování analogových vstupů/výstupů a umožňuje rozšířit vlastnosti standardního personálního počítače v řadě aplikací průmyslového, výzkumného i laboratorního charakteru. Příkladem může být zpracování analogových i diskrétních signálů v laboratorních provozech, řízení speciálních periferií, řízení technologických procesů, simulace, případně realizace obvodů regulační techniky atd. Přestože uvedený modul je ze současného hlediska již značně zastaralý, je schopen bezchybné funkce pro většinu jednoduchých aplikací. 2. Technické parametry modulu A/D část: Počet analogových vstupů Vstupní odpor nominální Vstupní klidový proud Potlačení vstupního souhlasného napětí Chyba unipolární nuly při 25 C a tepl. ustálení (A = 1, R S = 0 Ω) Šíře převodu 16 jednoduchých multiplexovaných 8 diferenciálních multiplexovaných 100 MΩ max. 60 na 50 Hz : 65 db max. 3 LSB 12 bitů Zesílení vstupního zesilovače programově nastavitelné 1, 10, 100 Základní rozsah převodu nastavitelný bipolární +2,5 V/-2,5 V; +5 V/-5 V; +10 V/-10 V unipolární 0 5 V, 0 10 V Teplotní drift unipolární 0 max. 20 ppm/k A = 1, R S = 0 Ω Teplotní drift bipolární 0 max. 35 ppm/k A = 1, R S = 0 Ω Teplotní drift pro plný rozsah max. 60 ppm/k A = 1, R S = 0 Ω Integrální nelinearita max. 1,5 LSB 1

17 Diferenciální nelinearita max. 1,5 LSB Dynamická chyba ustálení max. 2 LSB Doba převodu (doba ustálení analog. řetězce 10 µs) 30 µs Doba ustálení analog. řetězce na 1 LSB při přepnutí kanálu pro A = 1, R S = 0 Ω, U CH1 U CH2 = 10 V 10 µs A = 1, R S = 10 k Ω, U CH1 U CH2 = 20 V 20 µs D/A část: Počet analogových vstupů 2 nezávislé Základní rozsah převodu nastavitelný bipolární +2,5 V/-2,5 V; +5 V/-5 V; +10 V/-10 V unipolární 0 5 V, 0 10 V Šíře převodu 12 bitů Doba ustálení max. 3,5 µs Výstupní proud nakrátko 25 ma Doba trvání zkratu na výstupu neomezena Část diskrétních výstupů: Počet výstupů Část diskrétních vstupů: Počet výstupů 8 (TTL) 8 (TTL) Obecné: Rozměry Teplota okolí Změna teploty mm +5 C až 50 C (modulu) max. +5 C/hod. Legenda k zjednodušenému schématu multifunkčního adaptéru ADAB: AMPLIFIER programově řiditelný zesilovač A/D analogově digitální převodník C 3 čítače pulsů CONTROL řízení DATA BUFFER vyrovnávací mezipaměť dat DIGIT. IN 8 vstupů pro dvouhodnotový signál DIGIT. OUT 8 výstupů dvouhodnotového signálu D/A digitálně analogový převodník INTERNAL DATA BUS vnitřní datová sběrnice MEM paměť MUX multiplex (přepínač měřicích míst) pro 16 jednoduchých nebo 8 diferenčních vstupních analogových signálů PC ISA BUS sběrnice počítače TRIGGER spoušť 2

18 C DIGIT. IN INTERNAL DATA BUS D A AMLIFIER MUX A D MEM D A TRIGGER CONTROL DIGIT. OUT DATA BUFFER PC ISA BUS Zjednodušené schéma multifunkčního adaptéru ADAB 3

19 Příloha č. 2 Analogové vstupy: Přiřazení kanálů programu EFLAB reálnému objektu Analogový kanál A 0 A 1 A 2 A 3 A 4 Měřená veličina U C U M U A U N U D Dvojhodnotové výstupy: BIT 0 OUT 1 BIT 1 OUT 2 BIT 2 OUT 3