“Elementary, my dear Watson”
Итак, нам в шаловливые инженерные руки попал датчик родом с Туманного Альбиона, передал нам его потенциальный клиент со словами: “можете разобрать, мы ничего не поняли”.
Сказано — сделано. В инженеры идут люди, кому родители устали покупать новые игрушки по причине недолгого срока их жизни, ибо разборкам подвергалось все в доме!
Ловким движением рук датчик лишился корпуса. На свет выкатился грибовидный элемент, загадка была “на одну трубку”, как говорил знаменитый сыщик Шерлок Холмс.
Первым ключом к разгадке был корпус со светодиодом. Специальный канал и покрытие обеспечивают поступление газа в канал и максимально корректное распространение световой волны от источника света до чувствительного элемента (ЧЭ).
Даташит на ЧЭ прилагаем, состоит из простого восьминожечного микроконтроллера, обвязки, залито все в компаунд . Есть подозрение, что ЧЭ производитель датчика покупает готовым.
В чем фишка?
- Нужно подобрать ИК-светодиод, длину волны.
- Рассчитать корпус, подобрать материал и покрытие, которое позволит сохранить характеристики прохождения светового луча с наименьшим ухудшением.
- Обеспечить настройку и калибровку датчика.
Если учесть, что датчик произведен в далекие 80е (со слов клиента), то неудивительно, что они такие надежные. Все дело в инженерных расчетах, это вам не игрушку на айфон написать, которая устареет через год, эта штуковина работает годами, если не десятилетиями. Если мы ошибаемся или вам есть, что добавить, — пишите комментарии.
По нашей шкале инженерного рейтинга: за идею 3+, за расчеты — 4. Оценка не умаляет труды людей, просто мы сталкивались с реально сложными и ёмкими устройствами, достойными оценки 5/5.
Техническая часть
Датчик MSH-P/HC/5/V/P/F сенсор метана 0-5 % об.
Описание
Оптический сенсор MSH-P/HC/5/V/P/F предназначен для работы в составе газоанализаторов по определению метана в воздухе рабочей зоны. Используется в газоанализаторах серии ИГС-98 и других.
Особенности сенсора метана MSH-P/HC/5/V/P/F:
- Рабочее напряжение питания — от 3 до 5 В.
- Потребляемый ток — 80 мА.
- Выходной сигнал — 400-2400 мВ.
- Разрешение сенсора — 0,01 ppm.
Технические характеристики
Процесс разбора
Датчик поставлялся с платой-переходником, в которую он вставлялся. Она в правом верхнем углу на фото.
С нижней стороны была тонкая металлическая пластина, которая припаивалась к основному корпусу. После её удаления видно, что нижняя часть цилиндрического корпуса залита компаундом, через который проходят контакты.
После распиливания корпуса на две части видно внутреннюю конструкцию датчика:
На фото цилиндрический корпус и защитная сетка сверху удалены. Контакты направленны вниз.
Наблюдаем светодиод. Также, часть канала от светодиода до чувствительного элемента в центре. Канал образуется внутренней поверхностью цилиндрического корпуса и металлической конструкцией на фото (колпачок). Луч света от светодиода по этому каналу переотражается и попадает в фоточувствительный элемент. Если канал заполнен газом, то параметры среды для прохождения луча изменяются, следовательно, меняется сигнал, который приходит на чувствительный элемент. Газ в канал попадает через защитную сетку, расположенную сверху датчика.
Далее отделяем нижнюю часть датчика от верхнего “колпачка”.
Виден фоточувствительный элемент с двумя окошками, печатная плата, на которой он установлен и которая залита компаундом вместе с остальной электроникой.
Фоточувствительный элемент имеет маркировку PYS3228. Продаётся в магазине Двухканальные пироэлектрические детекторы PYS 3228 TC и PYS 3428 TC
Характеристики PYS3228
Печатную плату рассмотреть не удалось, поскольку она залита в компаунд. Поэтому мы сами предположили, как она устроена. Фоточувствительный элемент PYS3228 имеет аналоговые выходы. А сам датчик в сборе — как аналоговые, так и цифровые (UART). Следовательно, должен быть микроконтроллер. Требования к нему минимальны. Скорее всего, используется АЦП непосредственно контроллера, но, возможно, стоит внешний АЦП для обеспечения высокой точности преобразования сигнала в код. Также, на плате, наверняка есть схема питания микроконтроллера, АЦП и чувствительного элемента. Наличие микроконтроллера позволяет калибровать датчик на заводе и сохранять калибровочные коэффициенты в энергонезависимой памяти, что упрощает использование датчика. Помимо этого, возможно, на плате располагается датчик температуры для того, чтобы микроконтроллер смог выполнить температурную компенсацию сигнала.
Теория и физический принцип работы датчика
Светодиод излучает свет в инфракрасном диапазоне. Чувствительный элемент PYS3228 принимает данное излучение и нагревается. Мощность нагрева от светодиода невелика, но её хватает, чтобы зафиксировать изменения на чувствительном элементе.
Сам ЧЭ основан на эффекте пироэлектричества — это свойство материала изменять свою поляризацию в зависимости от нагрева, а следовательно, меняется и поверхностный заряд. Поэтому если подключить к кусочку такого материала контакты, которые образуют обкладки конденсатора, то заряд такого конденсатора будет изменяться в зависимости от нагрева. Этот заряд далее можно усилить с помощью схемы из высокоомного резистора и полевого транзистора с малым током утечки, как показано на рисунке.
Теперь понятно, что если посветить светодиодом на такой материал, то на выходе схемы будем видеть сигнал, который зависит от интенсивности излучения.
Но как такой конструкцией измерить наличие определенного газа в воздухе?
Оказывается, каждый газ имеет различный спектр поглощения. Другими словами, разные молекулы поглощают фотоны с различной длиной волны. Чувствительный элемент PYS3228 как раз использует эту особенность. У него два окошка и два пироэлектрических датчика. Одно окошко пропускает широкий спектр в инфракрасном диапазоне, а на втором окошке стоит фильтр, который пропускает длину волны, соответствующую определенному газу. Поэтому если на пути прохождения света появятся молекулы газа, то в определенном промежутке спектра появится провал по мощности, так как эту мощность поглотили молекулы газа. Таким образом, пироэлектрический элемент, который находится за узкополосным фильтром, нагреется меньше, чем тот, который находится за окошком с широкой полосой пропускания. Следовательно, зафиксировав разность сигналов, можно определить концентрацию молекул газа.
Далее таблица соответствия фильтров и типов газов.
Да, настоящему инженеру что-то давать в руки можно только с особой осторожностью — непременно разберет, распилит, расковыряет. Но зато обязательно доберется до сути.
