RU182198U1 - Device for measuring the electrical characteristics of gas analytic multisensor chips - Google Patents
Device for measuring the electrical characteristics of gas analytic multisensor chips Download PDFInfo
- Publication number
- RU182198U1 RU182198U1 RU2018111819U RU2018111819U RU182198U1 RU 182198 U1 RU182198 U1 RU 182198U1 RU 2018111819 U RU2018111819 U RU 2018111819U RU 2018111819 U RU2018111819 U RU 2018111819U RU 182198 U1 RU182198 U1 RU 182198U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- analog
- chemoresistive
- output
- multisensor
- measuring
- Prior art date
Links
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 12
- 238000013101 initial test Methods 0.000 abstract description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 16
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 230000010365 information processing Effects 0.000 description 2
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 2
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000013528 artificial neural network Methods 0.000 description 1
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 1
- 238000004868 gas analysis Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 238000012567 pattern recognition method Methods 0.000 description 1
- -1 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000012883 sequential measurement Methods 0.000 description 1
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 1
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
- G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
- G01R27/08—Measuring resistance by measuring both voltage and current
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к области измерительной техники и предназначена для измерения электрических характеристик газоаналитических мультисенсорных чипов. Измерение сопротивлений хеморезистивных элементов чипов осуществляют методом измерения тока в цепи при заданной измерительной разности потенциалов путем преобразования силы тока, протекающей в цепи хеморезистивного элемента чипа, в пропорциональное коэффициенту усилению напряжение в цифровом формате. Коммутацию хеморезистивных элементов чипа осуществляют с помощью аналогового мультиплексора, сформированного на основе 8-разрядных модулей электромеханических реле. Генерацию измерительного напряжения, оцифровку напряжения с выхода предусилителя тока, а также управление коммутацией аналогового мультиплексора осуществляют с помощью универсального модуля ввода/вывода. Управление режимом измерения и задание необходимых параметров для мультисенсорного чипа выполняют с помощью ЭВМ. Технический результат заключается в возможности измерять многокомпонентные хеморезистивные сигналы газоаналитических мультисенсорных чипов (ГМЧ) как на стадии эксплуатации, так и на этапе первичного тестирования их электрических характеристик и калибровки сигнала. 4 з.п. ф-лы. 3 ил.
Description
Настоящая полезная модель относится к устройствам для измерения активных сопротивлений линеек хеморезисторов, выполненных на одном кристалле в виде чипа и предназначенных для селективного анализа одно- и многокомпонентных газовых смесей.This utility model relates to devices for measuring the active resistances of a line of chemoresistors made on a single chip chip and designed for the selective analysis of single and multicomponent gas mixtures.
В настоящее время необходимыми элементами ряда систем управления, например, используемых в пищевых производствах, систем мониторинга и управления составом атмосферы, являются газоаналитические устройства, обеспечивающие информацию о составе газовой среды и концентрации ее компонентов. В качестве первичных преобразователей для таких устройств часто применяют дискретные газовые сенсоры (или датчики), которые имеют высокое быстродействие, низкое энергопотребление и являются достаточно простыми для пользователей. Причем газовые сенсоры хеморезистивного (или кондуктометрического) типа наряду с электрохимическими являются наиболее дешевыми и простыми в эксплуатации (Полупроводниковые сенсоры в физико-химических исследованиях / И.А. Мясников, В.Я. Сухарев, Л.Ю. Куприянов, С.А. Завьялов. - М.: Наука, 1991). Эти сенсоры с 70-х гг. XX в. широко применяются для детектирования примесей в окружающей атмосфере, в первую очередь, горючих газов (патент США US 3695848). Однако дискретные хеморезисторы имеют низкую селективность, что не позволяет использовать их сигнал для различения газов, особенно сходной природы (Korotchenkov G., Sysoev V.V. Conductometric metal oxide gas sensors: principles of operation and technological approaches to fabrication / Глава в кн.: Chemical sensors: comprehensive sensor technologies. Vol. 4. Solid state devices // New York: Momentum Press, LLC-2011. - 134 с. C. 53-186.). Тем не менее, необходимую селективность достигают путем объединения сенсоров в линейки и обработкой полученного мультисенсорного (векторного) сигнала методами распознавания образов. С целью миниатюризации, снижения энергопотребления и себестоимости линейки сенсоров располагают, как правило, на единой подложке и изготавливают в рамках микроэлектронного производства в виде чипов (Сысоев В.В., Мусатов В.Ю. Газоаналитические приборы «электронный нос» // Саратов: Сарат. гос. тех. ун-т. - 2011. - 100 с.). При этом основным измерительным сигналом является набор сопротивлений сенсоров, входящих в линейку. Поэтому для функционирования мультисенсорных линеек требуется устройство для считывания, обработки и визуализации их многокомпонентных векторных сигналов, причем не только на стадии эксплуатации, но и на этапе первичного тестирования их электрических характеристик и калибровки сигнала к газам.At present, gas analysis devices providing information on the composition of the gas medium and the concentration of its components are necessary elements of a number of control systems, for example, those used in food production, monitoring and control systems for the composition of the atmosphere. As primary converters for such devices, discrete gas sensors (or sensors) are often used, which have high speed, low power consumption and are quite simple for users. Moreover, gas sensors of the chemoresistive (or conductometric) type, along with electrochemical ones, are the cheapest and easiest to use (semiconductor sensors in physical and chemical research / I.A. Myasnikov, V.Ya. Sukharev, L.Yu. Kupriyanov, S.A. Zavyalov. - M .: Nauka, 1991). These sensors since the 70s. XX century are widely used for the detection of impurities in the surrounding atmosphere, primarily combustible gases (US patent US 3695848). However, discrete chemoresistors have a low selectivity, which makes it impossible to use their signal to distinguish gases, especially of a similar nature (Korotchenkov G., Sysoev VV Conductometric metal oxide gas sensors: principles of operation and technological approaches to fabrication / Chapter in the book: Chemical sensors: comprehensive sensor technologies. Vol. 4. Solid state devices // New York: Momentum Press, LLC-2011. - 134 p. C. 53-186.). Nevertheless, the necessary selectivity is achieved by combining the sensors in a line and processing the resulting multisensor (vector) signal by pattern recognition methods. In order to miniaturize, reduce energy consumption and cost, the sensor lines are usually placed on a single substrate and are manufactured in the form of chips within the framework of microelectronic production (Sysoev V.V., Musatov V.Yu. Gas electronic analytical devices “electronic nose” // Saratov: Sarat State Technical University - 2011 .-- 100 p.). In this case, the main measuring signal is the set of resistance of the sensors included in the line. Therefore, for multisensor rulers to function, a device is required for reading, processing, and visualizing their multicomponent vector signals, not only at the operational stage, but also at the stage of initial testing of their electrical characteristics and calibration of the signal to gases.
Для решения этой задачи в Патенте РФ на полезную модель №70992 предложено устройство, включающее в себя блок питания, газочувствительный датчик (сенсорный модуль), блок обработки и передачи информации с аналого-цифровым преобразователем, микроконтроллер (вычислительный модуль).To solve this problem, in the RF Patent for utility model No. 70992, a device is proposed that includes a power supply unit, a gas-sensitive sensor (sensor module), an information processing and transmission unit with an analog-to-digital converter, and a microcontroller (computing module).
Недостатком данного устройства является то, что оно позволяет измерять сигнал только одного сенсора, характеристики которого варьируют путем циклического изменения рабочей температуры. Измерение сопротивления электрических характеристик мультисенсорной линейки не предусмотрено.The disadvantage of this device is that it allows you to measure the signal of only one sensor, the characteristics of which vary by cyclically changing the operating temperature. Measurement of the electrical resistance of the multi-sensor line is not provided.
В Патенте РФ на полезную модель №152059 предложено устройство экспресс-контроля состава газовой среды, в котором развит блок обработки и передачи информации с аналого-цифровым преобразователем и вычислительный модуль для считывания хеморезистивного сигнала линейки дискретных полупроводниковых сенсоров. Вычислительный модуль выполнен на основе программируемой логической интегральной схемы, реализующей алгоритмы искусственной нейронной сети, к которому подключена энергонезависимая флэш-память и устройство отображения информации со светодиодным индикатором и переключателями, задающими режим работы.The RF Patent for Utility Model No. 152059 proposes a device for express control of the composition of the gaseous medium, in which a data processing and transmission unit with an analog-to-digital converter and a computing module for reading the chemoresistive signal of a line of discrete semiconductor sensors are developed. The computing module is based on a programmable logic integrated circuit that implements artificial neural network algorithms, to which a non-volatile flash memory and an information display device with an LED indicator and switches specifying the operating mode are connected.
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности работы с мультисенсорной линейкой, выполненной в виде чипа.The disadvantage of this device is the lack of the ability to work with a multi-sensor line, made in the form of a chip.
Наиболее близким к настоящей разработке является Патент РФ на полезную модель №148987, в котором предложено устройство для определения состава газовой среды, которое включает блок питания, мультисенсорный модуль, блок обработки и передачи информации с аналого-цифровым преобразователем и устройством отображения информации, а также вычислительный модуль, который выполнен на основе мультиклеточного процессора с подключением флеш-памяти, блока переключателей, задающих режим работы устройства и персонального компьютера через интерфейс типа USB.Closest to the present development is the RF Patent for utility model No. 148987, which proposes a device for determining the composition of the gaseous medium, which includes a power supply unit, a multi-sensor module, an information processing and transmission unit with an analog-to-digital converter and an information display device, as well as a computing one a module that is based on a multicellular processor with a flash memory connected, a block of switches that specify the operation mode of the device and a personal computer through the type interface and USB.
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности работы с мультисенсорной линейкой, выполненной в виде чипа, а также относительно низкое разрешение (разрядность) аналого-цифрового преобразователя (АЦП), составляющее 8 бит.The disadvantage of this device is the lack of the ability to work with a multisensor ruler made in the form of a chip, as well as the relatively low resolution (resolution) of an analog-to-digital converter (ADC) of 8 bits.
Таким образом, имеется техническая задача создания устройства, способного измерять многокомпонентные хеморезистивные сигналы газоаналитических мультисенсорных чипов (ГМЧ), как на стадии эксплуатации, так и на этапе первичного тестирования их электрических характеристик и калибровки сигнала к газам.Thus, there is the technical task of creating a device capable of measuring multicomponent chemoresistive signals of gas analytic multisensor chips (GMC), both at the operational stage and at the stage of initial testing of their electrical characteristics and calibration of the signal to gases.
Поставленная задача решается тем, что в полезной модели предложено устройство, предназначенное для измерения электрических характеристик газоаналитических мультисенсорных чипов, содержащий блок с аналого-цифровым преобразователем, отличающееся тем, что блок с аналого-цифровым преобразователем реализован внутри программно-управляемого модуля ввода/вывода, кроме того, содержит предусилитель тока, аналоговый выход которого связан с программно-управляемым модулем ввода/вывода, а цифровой выход которого выполнен с возможностью подключения к ЭВМ, аналоговый мультиплексор, составленный из набора электромеханических реле, содержащий коаксиальные разъемы типа BNC для подключения к предусилителю тока и программно-управляемому модулю ввода/вывода, много-штыревой разъем для электрического соединения с газоаналитическим мультисенсорным чипом, и связанный с программно-управляемым модулем ввода/вывода посредством цифровой шины управления; все блоки, составляющие устройство, размещены внутри экранирующего бокса.The problem is solved in that a utility model is proposed for measuring the electrical characteristics of gas analytic multi-sensor chips, comprising a block with an analog-to-digital converter, characterized in that the block with an analog-to-digital converter is implemented inside a program-controlled input / output module, except Moreover, it contains a current preamplifier, the analog output of which is connected to a program-controlled input / output module, and the digital output of which is configured to connect computer connection, an analog multiplexer, composed of a set of electromechanical relays, containing coaxial connectors of type BNC for connection to a current preamplifier and a program-controlled input / output module, a multi-pin connector for electrical connection with a gas analytic multi-sensor chip, and connected to a program-controlled I / O module via a digital control bus; all the blocks making up the device are placed inside the shielding box.
Аналоговый мультиплексор имеет два канала, электрически подключенные к выходным разъемам типа BNC, один из которых служит для коммутации четных электродов, а второй - для коммутации нечетных электродов газоаналитического мультисенсорного чипа; нормально незамкнутые контакты аналогового мультиплексора электрически подключены к каждому электроду газоаналитического мультисенсорного чипа.The analog multiplexer has two channels that are electrically connected to the output connectors of the BNC type, one of which serves for switching even electrodes, and the second for switching odd electrodes of a gas analytic multisensor chip; normally open contacts of the analog multiplexer are electrically connected to each electrode of the gas analytic multisensor chip.
Предусилитель тока выполнен с возможностью измерения сопротивлений величиной до 1 ТОм и содержит источник автономного питания на основе свинцово-кислотных аккумуляторных батарей.The current preamplifier is configured to measure resistances up to 1 TΩ and contains an autonomous power source based on lead-acid batteries.
Программно-управляемый модуль ввода/вывода содержит аналого-цифровой преобразователь разрядностью 16 бит, цифро-аналоговый преобразователь разрядностью 16 бит и порт вида USB 2.0 тип В.The program-controlled input / output module contains a 16-bit analog-to-digital converter, a 16-bit digital-to-analog converter, and a USB 2.0 type B port.
Все измерительные линии между элементами устройства выполнены с использованием коаксиальных кабелей с общим экраном и разъемами типа BNC.All measuring lines between the elements of the device are made using coaxial cables with a common screen and BNC connectors.
Техническим результатом является возможность производить электрические измерения ГМЧ с помощью данного устройства в диапазоне сопротивлений хеморезистивных элементов от 100 Ом до 1 ТОм в режиме реального времени, записывать и визуализировать полученные данные с помощью ЭВМ.The technical result is the ability to perform electrical measurements of GMP using this device in the resistance range of chemoresistive elements from 100 Ohms to 1 TO in real time, record and visualize the data obtained using a computer.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами: фиг. 1 - принципиальная схема подключения блоков устройства для измерения электрических характеристик ГМЧ; обозначения: 1 - программно-управляемый модуль ввода/вывода; 2 - экранирующий бокс; 3 - аналоговый мультиплексор; 4 - ГМЧ; 5 - предусилитель тока; 6 - ЭВМ (персональный компьютер); фиг. 2 - принципиальная схема измерения хеморезистивного элемента ГМЧ; обозначения: 1 - программно-управляемый модуль ввода/вывода; 4 - хеморезистивный элемент ГМЧ; 5 - предусилитель тока; фиг. 3 - принципиальная схема аналогового мультиплексора. Обозначения: С1 - цифровая шина управления мультиплексором, подключаемая к программно-управляемому модулю ввода/вывода; RM1 - RM5 - 8-разрядные модули реле (показаны только нормально разомкнутые контакты); E1-Е40 - выводы для подключения измерительных электродов ГМЧ; S1 и S2 - каналы мультиплексора, к которым подключаются нечетные и четные измерительные электроды хеморезистивных элементов ГМЧ, соответственно.The proposed utility model is illustrated by drawings: FIG. 1 is a schematic diagram of connecting blocks of a device for measuring the electrical characteristics of the GMP; designations: 1 - program-controlled input / output module; 2 - shielding box; 3 - analog multiplexer; 4 - GMC; 5 - current preamplifier; 6 - computer (personal computer); FIG. 2 is a schematic diagram of a measurement of a GMC chemoresistive element; designations: 1 - program-controlled input / output module; 4 - chemoresistive element GMC; 5 - current preamplifier; FIG. 3 is a schematic diagram of an analog multiplexer. Designations: C1 - digital control bus of the multiplexer, connected to a program-controlled input / output module; RM1 - RM5 - 8-bit relay modules (only normally open contacts are shown); E1-E40 - conclusions for connecting measuring electrodes of the GMP; S1 and S2 are the channels of the multiplexer to which the odd and even measuring electrodes of the GMC chemoresistive elements are connected, respectively.
Принцип работы данного устройства основан на измерении силы тока на участке цепи с хеморезистивным элементом ГМЧ при заданной разности потенциалов. Электрический ток на участке цепи с хеморезистивным элементом ГМЧ преобразуют с помощью предусилителя тока в напряжение и усиливают с заданным коэффициентом усиления. ГМЧ представляет собой линейку хеморезистивных элементов, выполненных на одном кристалле, сопротивление которых определяется между парами измерительных электродов, количеством не более 40.The principle of operation of this device is based on measuring the current strength on a section of a circuit with a GMC chemoresistive element for a given potential difference. An electric current in a circuit section with a GMC chemoresistive element is converted using a current preamplifier into a voltage and amplified with a given gain. GMS is a line of chemoresistive elements made on a single crystal, the resistance of which is determined between pairs of measuring electrodes, the number is not more than 40.
Устройство содержит следующие основные блоки: программно-управляемый модуль ввода/вывода (фиг. 1, поз. 1), экранирующий бокс (фиг. 1, поз. 2), двух-канальный аналоговый мультиплексор (фиг. 1, поз. 3), ГМЧ (фиг. 1, поз. 4) и предусилитель тока (фиг. 1, поз. 5). Блоки, составляющие устройство, размещены в экранирующем боксе размерами 500×400×300 мм (Д×В×Ш) со стенкой толщиной 2 мм, изготовленный из листовой нержавеющей стали. Это выполнено для уменьшения влияния внешних электромагнитных помех при измерении характеристик высокоомных полупроводниковых элементов ГМЧ. Внутри экранирующего бокса блоки жестко закреплены с помощью стальных уголков размерами 60×60×40×2 мм (Д×В×Ш×Т), при помощи болтов М4 длиной 5 мм и гаек с резьбой М4. Корпус экранирующего бокса электрически соединен с выводами заземления корпусов блоков, составляющих устройство. Для коммуникации с ЭВМ фиг. 1, поз. 6) экранирующий бокс оборудован разъемами «USB 2.0» тип В (для обмена данными с программно-управляемым модулем ввода/вывода (фиг. 1, поз. 1)) и разъемом D-Sub типа DE9P (для обмена данными с предусилителем тока (фиг. 1, поз. 5) по протоколу «RS-232»).The device contains the following main blocks: program-controlled input / output module (Fig. 1, pos. 1), a shielding box (Fig. 1, pos. 2), a two-channel analog multiplexer (Fig. 1, pos. 3), GMC (Fig. 1, pos. 4) and a current preamplifier (Fig. 1, pos. 5). The blocks that make up the device are placed in a shielding box with dimensions of 500 × 400 × 300 mm (L × H × W) with a
Внутри бокса блоки соединены следующим образом: аналоговый выход «А. Вых» программно-управляемого модуля ввода/вывода (фиг. 1, поз. 1) подключен с помощью коаксиального экранированного кабеля, с разъемами типа BNC (коаксиальный радиочастотный разъем с байонетной фиксацией), к разъему «S1» аналогового мультиплексора, соответствующему нечетному каналу (фиг. 1), также цифровая шина «ЦШ» (фиг. 1) программно-управляемого модуля ввода/вывода соединена с аналоговым мультиплексором посредством многожильного плоского кабеля. Каналы аналогового мультиплексора «S1, S2» коммутируют нечетные и четные измерительные электроды ГМЧ, соответственно (фиг. 3). Канал «S2» (фиг. 3) подключен также с помощью коаксиального кабеля с разъемами типа BNC к разъему «Вход» предусилителя тока (фиг. 1, поз. 5). Нормально разомкнутые (коммутируемые) контакты аналогового мультиплексора (фиг. 3, поз. E1-Е40) выведены на много-штыревой разъем, к которому подключен ГМЧ (фиг. 1, поз. 4). Разъем «Выход» предусилителя тока подключен к BNC-разъему аналогового входа «А. Вх.» программно-управляемого модуля ввода/вывода также с помощью коаксиального кабеля (фиг. 1, поз. 1).Inside the box, the blocks are connected as follows: analog output “A. Output "of the program-controlled input / output module (Fig. 1, item 1) is connected using a coaxial shielded cable, with connectors of the BNC type (coaxial RF connector with bayonet locking), to the S1 connector of an analog multiplexer corresponding to an odd channel ( Fig. 1), also the digital bus "TSH" (Fig. 1) of the program-controlled input / output module is connected to the analog multiplexer via a multi-strand flat cable. The channels of the analog multiplexer "S1, S2" switch the odd and even measuring electrodes of the GMP, respectively (Fig. 3). Channel "S2" (Fig. 3) is also connected using a coaxial cable with connectors of type BNC to the "Input" connector of the current preamplifier (Fig. 1, item 5). The normally open (switched) contacts of the analog multiplexer (Fig. 3, pos. E1-E40) are output to the multi-pin connector to which the GMP is connected (Fig. 1, pos. 4). The “Output” connector of the current preamplifier is connected to the BNC connector of the analog input “A. In. "Software-controlled input / output module also using a coaxial cable (Fig. 1, item 1).
Измерение сопротивления хеморезистивных элементов ГМЧ с помощью устройства происходит в следующем порядке. Аналоговый мультиплексор по цифровым сигналам модуля ввода/вывода (фиг. 1 поз. 1) коммутирует заданные измерительные электроды ГМЧ к каналам S1 и S2. Аналоговый выход модуля ввода/вывода (фиг. 1, поз. «А. Вых.») формирует измерительную разность потенциалов, в результате чего в цепи возникает электрический ток, протекающий по следующему пути: центральный контакт аналогового выхода программно-управляемого модуля ввода/вывода, нечетный канал аналогового мультиплексора «S1» (фиг. 2), один из нечетных измерительных электродов ГМЧ (подключенный в данный момент), сенсорный слой между парой электродов хеморезистивного элемента ГМЧ (фиг. 2, поз. 4), четный электрод ГМЧ, четный канал аналогового мультиплексора «S2», центральный контакт BNC-входа предусилителя тока, прецизионный шунтирующий резистор предусилителя тока, экран входного разъема BNC. Затем через экранирующие оплетки коаксиальных кабелей ток возвращается в экран разъема BNC аналогового выхода модуля ввода/вывода (фиг. 2, поз. «А. Вых.»). Предусилитель тока преобразует протекающий по цепи ток в напряжение, пропорциональное коэффициенту усиления, которое выводится на разъеме «Выход» (фиг. 2). Предусилитель тока имеет коэффициенты усиления в диапазоне от 1 мА/В до 1 пА/В, что позволяет измерять сопротивления до 1 ТОм. Напряжение, соответствующее току в цепи, поступает на вход «А. Вх.» программно-управляемого модуля ввода/вывода, который преобразует его в цифровой сигнал и передает в ЭВМ (фиг. 2 поз. 6) через интерфейс USB 2.0.The resistance measurement of the GMC chemoresistive elements using the device occurs in the following order. An analog multiplexer for digital signals of the input / output module (Fig. 1, item 1) commutes the specified measuring electrodes of the GMP to channels S1 and S2. The analog output of the input / output module (Fig. 1, item “A. Output.”) Forms a measuring potential difference, as a result of which an electric current arises in the circuit, flowing along the following path: the central contact of the analog output of the program-controlled input / output module , the odd channel of the analog multiplexer "S1" (Fig. 2), one of the odd measuring electrodes of the GMP (currently connected), the sensor layer between the pair of electrodes of the chemoresistive element of the GMP (Fig. 2, item 4), the even electrode of the GMP, even analog mult channel plexor «S2», central contact BNC-preamp input current, a precision current shunt resistor preamplifier BNC connector input screen. Then, through the shielding braids of the coaxial cables, the current returns to the screen of the BNC connector of the analog output of the input / output module (Fig. 2, pos. “A. Out.”). A current preamplifier converts the current flowing through the circuit into a voltage proportional to the gain, which is output at the “Output” connector (Fig. 2). The current preamplifier has amplification factors in the range from 1 mA / V to 1 pA / V, which allows measuring resistance up to 1 TH. The voltage corresponding to the current in the circuit is supplied to the input "A. Input. ”Of a software-controlled input / output module, which converts it into a digital signal and transmits it to a computer (Fig. 2, item 6) via the USB 2.0 interface.
Измерение сопротивлений хеморезистивных элементов ГМЧ проводят поочередно путем коммутации измерительных электродов ГМЧ с помощью мультиплексора. Оператор может выбирать хеморезистивные элементы ГМЧ, которые необходимо опрашивать и отображать на дисплее ЭВМ.The resistance measurement of the chemoresistive elements of the GMP is carried out alternately by switching the measuring electrodes of the GMC using a multiplexer. The operator can select the chemoresistive elements of the GMP, which must be interrogated and displayed on the computer display.
Основной режим работы устройства - измерение изменения сопротивления хеморезистивных элементов ГМЧ в течение времени. При этом на программно-управляемом модуле ввода/вывода задают измерительную разность потенциалов аналогового выхода в диапазоне от -10 В до +10 В с разрешением 16 бит, частоту опроса хеморезистивных элементов ГМЧ, количество точек для усреднения, скорость переключения мультиплексора, время аналого-цифрового преобразования. Так как хеморезистивные элементы ГМЧ имеют различное сопротивление, для измерения тока каждого элемента программное обеспечение ЭВМ автоматически подбирает коэффициент усиления предусилителя тока так, чтобы входное значение тока для предусилителя находилось в середине динамического диапазона. Поэтому в процессе опроса хеморезистивных элементов ГМЧ мультиплексором одновременно с переключением реле изменяют в автоматическом режиме с помощью ЭВМ коэффициент усиления, соответствующий данному хеморезистивному элементу. Команды переключения коэффициента усиления предусилителя тока передают с помощью интерфейса RS-232 (фиг. 1). Также имеется функция автоматической корректировки коэффициента усиления элемента, если его сопротивление в процессе работы выходит за динамический диапазон предусилителя тока при текущем коэффициенте. В этом режиме при обнаружении программой ЭВМ того, что значение тока для текущего элемента выходит за пределы динамического диапазона, коэффициент усиления автоматически корректируется в зависимости от значения тока.The main mode of operation of the device is the measurement of changes in the resistance of the chemoresistive elements of the GMP over time. At the same time, on the software-controlled I / O module, the measuring potential difference of the analog output is set in the range from -10 V to +10 V with a resolution of 16 bits, the polling frequency of the GMC chemoresistive elements, the number of points for averaging, the multiplexer switching speed, the analog-to-digital time transformations. Since the chemoresistive elements of the GMP have different resistance, for measuring the current of each element, the computer software automatically selects the gain of the current preamplifier so that the input current value for the preamplifier is in the middle of the dynamic range. Therefore, in the process of polling the chemoresistive elements of the GMP, the multiplexer simultaneously with the switching of the relay automatically changes the gain coefficient corresponding to the given chemoresistive element using a computer. The commands for switching the gain of the current preamplifier are transmitted using the RS-232 interface (Fig. 1). There is also a function for automatically adjusting the gain of an element if its resistance during operation goes beyond the dynamic range of the current preamplifier at the current coefficient. In this mode, when the computer detects that the current value for the current element is outside the dynamic range, the gain is automatically adjusted depending on the current value.
Другим режимом работы устройства является измерение вольтамперных характеристик (ВАХ) хеморезистивных элементов ГМЧ. В этом режиме на каждый хеморезистивный элемент ГМЧ подают измерительное напряжение в заданном диапазоне, например, от -10 В до +10 В с разрешением 16 бит, и считывают значение тока. Как и в основном режиме, для каждого хеморезистивного элемента ГМЧ определяют коэффициент усиления для работы предусилителя тока. Измерение ВАХ каждого хеморезистивного элемента ГМЧ можно производить многократно.Another mode of operation of the device is the measurement of current-voltage characteristics (CVC) of the chemoresistive elements of the GMP. In this mode, for each chemoresistive element of the GMP, a measuring voltage is applied in a given range, for example, from -10 V to +10 V with a resolution of 16 bits, and the current value is read. As in the main mode, the gain for the operation of the current preamplifier is determined for each chemoresistive element of the GMP. Measurement of the I – V characteristics of each chemoresistive element of the GMP can be performed repeatedly.
Таким образом, имеется возможность измерения сопротивлений хеморезистивных элементов ГМЧ при заданном фиксированном значении напряжения и построения ВАХ при вариации измерительного напряжения.Thus, it is possible to measure the resistances of the chemoresistive elements of the GMP at a given fixed value of the voltage and to construct the I – V characteristic with variation of the measuring voltage.
Коммутацию каждого из хеморезистивных элементов ГМЧ при последовательном измерении их электрических характеристик осуществляют с помощью аналогового мультиплексора. Аналоговый мультиплексор изготовлен на основе 8-разрядных модулей электромеханических реле. Выбор таких реле в качестве основы обусловлен очень малыми токами утечки, линейными характеристиками замкнутого контакта, а также широким диапазоном величин коммутируемых токов и напряжений. Электропитание модуля осуществляют напряжением 5 В.Switching of each of the GMC chemoresistive elements during the sequential measurement of their electrical characteristics is carried out using an analog multiplexer. The analog multiplexer is based on 8-bit electromechanical relay modules. The choice of such relays as the basis is due to very low leakage currents, linear characteristics of the closed contact, as well as a wide range of switched currents and voltages. The module is powered by a voltage of 5 V.
В схеме одного 8-разрядного релейного модуля можно выделить три части. Первая часть относится к блоку управления коммутацией модуля. Она включает 8 штыревых контактов для подключения цифровых выходов с открытым коллектором, контакт «Земля» для подключения цифровой линии нулевого потенциала, контакт «Питание» для подключения положительного потенциала электропитания. А также в данную часть схемы можно отнести излучающие диоды восьми оптопар и индикаторные светодиоды. Контакты управления, на которые подаются сигналы ТТЛ - уровня, подсоединены к катодам излучающих диодов соответствующих оптопар, а контакт «Питание» подсоединен через индикаторные светодиоды к анодам излучающих диодов оптопар. Таким образом, индикаторные светодиоды позволяют оценивать состояние излучающих диодов оптопар. Модуль снабжен транзисторными ключами для коммутации обмоток реле, защитными диодами, защищающими интегральные схемы от воздействия электродвижущей силы (эдс) самоиндукции, возникающей в электромагнитах, и оптронной развязкой управляющей шины.Three parts can be distinguished in the circuit of one 8-bit relay module. The first part relates to the module switching control unit. It includes 8 pin contacts for connecting digital outputs with an open collector, a ground contact for connecting a digital line of zero potential, a power contact for connecting a positive power potential. And also in this part of the circuit can be attributed the emitting diodes of eight optocouplers and indicator LEDs. The control contacts to which the TTL level signals are applied are connected to the cathodes of the emitting diodes of the corresponding optocouplers, and the “Power” contact is connected via indicator LEDs to the anodes of the emitting diodes of the optocouplers. Thus, the indicator LEDs allow you to assess the status of the emitting diodes of the optocouplers. The module is equipped with transistor keys for switching relay windings, protective diodes that protect integrated circuits from the action of the electromotive force (emf) of self-induction arising in electromagnets, and optocoupler isolation of the control bus.
Силовая часть модуля включает фототранзисторы оптопар, подсоединенные к эмиттерам биполярных транзисторов, работающих в ключевом режиме и коммутирующих электромагниты реле. Параллельно электромагнитам реле подсоединены защитные диоды для защиты от повреждения транзисторных ключей при возникновении ЭДС самоиндукции в катушке электромагнита. Силовая часть имеет отдельное электропитание 5 В, которое может быть объединено с питанием блока управления с помощью перемычки. Силовое питание в модуле необходимо, прежде всего, для электромагнитов реле. При одновременной активации всех восьми реле сила тока, потребляемая 8-разрядным релейным модулем, не превышает 500 мА.The power part of the module includes optocoupler phototransistors connected to emitters of bipolar transistors operating in key mode and switching relay electromagnets. In parallel to the relay electromagnets, protective diodes are connected to protect the transistor switches from damage in the event of a self-induction EMF in the electromagnet coil. The power unit has a separate 5 V power supply, which can be combined with the power supply of the control unit using a jumper. Power supply in the module is necessary, first of all, for relay electromagnets. With the simultaneous activation of all eight relays, the current consumed by the 8-bit relay module does not exceed 500 mA.
Третья часть 8-разрядного релейного модуля относится к коммутируемым контактам реле, которые для удобства монтажа выведены на край платы с помощью винтовых клемм. Для улучшения гальванической развязки общего контакта реле место его пайки частично отделено от платы при помощи «U»-образного пропила. Поскольку управление реле осуществляется выходами с открытым коллектором, то активным сигналом для коммутации является логический «0». При этом общий вывод реле подключен к нормально разомкнутому контакту. При наличии логической «1», которая установлена по умолчанию, напряжение на электромагнит реле не подается и общий вывод остается подключенным к нормально замкнутому контакту. Сопротивление разомкнутых контактов реле определяется воздушным зазором между пластинами контактора и значительно превышает 1 ТОм. Это позволяет не учитывать его при измерении электрических сопротивлений хеморезистивных элементов ГМЧ до 1 ТОм.The third part of the 8-bit relay module relates to switched relay contacts, which are mounted on the edge of the board using screw terminals for ease of installation. To improve the galvanic isolation of the general relay contact, the place of its soldering is partially separated from the board with the help of an “U” -shaped cut. Since the relay is controlled by the open collector outputs, the logical “0” is the active signal for switching. In this case, the general output of the relay is connected to a normally open contact. If there is a logical “1”, which is set by default, voltage is not supplied to the relay electromagnet and the common output remains connected to a normally closed contact. The resistance of the open relay contacts is determined by the air gap between the plates of the contactor and significantly exceeds 1 TH. This makes it possible not to take it into account when measuring the electrical resistances of the GMC chemoresistive elements up to 1 Tom.
На основе набора таких модулей составлен 40-канальный мультиплексор, способный суммарно коммутировать до 39 сенсорных хеморезистивных элементов ГМЧ. На фиг. 3 показана принципиальная схема мультиплексора, на которой 8-разрядные модули электромеханических реле показаны блоками RM1 - RM5 (RM - Relay Module). Для упрощения схемы показано только логическое соединение управляющей шины с электромагнитами реле. Модули реле смонтированы на плате из органического стекла толщиной 4 мм с дополнительной подложкой из вспененного полиэтилена изолирующей платы релейных модулей. Мультиплексор представляет собой единую конструкцию, которая закреплена на внутренней стороне экранирующего бокса с помощью болтов М4 длиной 10 мм. Измерительные электроды ГМЧ подключены к нормально разомкнутым контактам реле. Общие (коммутируемые) контакты всех реле образуют две группы для подключения четных и нечетных номеров измерительных электродов ГМЧ. Реле, принадлежащие одной группе, объединены общей шиной, подключаемой к выводу канала мультиплексора с разъемом типа BNC. Нормально замкнутые контакты реле оставляют неподключенными. Следовательно, каждую пару хеморезистивных элементов ГМЧ коммутируют к коаксиальным выводам S1 и S2. Причем все четные электроды подключают к выводу S2, а все нечетные - к S1. Управление мультиплексором осуществляют с помощью цифровых линий программно-управляемого модуля ввода/вывода, подключенных к шине управления. Программно-управляемый модуль ввода/вывода обеспечивает электропитание для мультиплексора с бортового стабилизированного источника с напряжением 5 В.Based on a set of such modules, a 40-channel multiplexer has been compiled, capable of total switching up to 39 sensor chemoresistive elements of the GMP. In FIG. Figure 3 shows a schematic diagram of a multiplexer in which 8-bit electromechanical relay modules are shown in RM1 - RM5 (RM - Relay Module) blocks. To simplify the circuit, only the logical connection of the control bus to the relay electromagnets is shown. Relay modules are mounted on a 4 mm thick organic glass circuit board with an additional substrate of foam polyethylene insulating board relay modules. The multiplexer is a single design, which is mounted on the inner side of the shielding box using M4 bolts 10 mm long. The measuring electrodes of the GMP are connected to normally open relay contacts. The common (switched) contacts of all relays form two groups for connecting the even and odd numbers of the measuring electrodes of the GMP. Relays belonging to one group are connected by a common bus connected to the channel output of the multiplexer with a BNC type connector. Normally closed relay contacts are left unconnected. Therefore, each pair of GMR chemoresistive elements commute to the coaxial terminals S1 and S2. Moreover, all even electrodes are connected to terminal S2, and all odd electrodes are connected to S1. The multiplexer is controlled by digital lines of a program-controlled input / output module connected to the control bus. A program-controlled I / O module provides power to the multiplexer from a 5 V stabilized on-board source.
Таким образом, данное электроизмерительное устройство обеспечивает измерение сопротивления хеморезистивных элементов ГМЧ в течение времени, измерение их вольтамперных характеристик, запись и визуализацию данных с помощью ЭВМ.Thus, this electrical measuring device provides a measurement of the resistance of the chemoresistive elements of the GMP over time, the measurement of their current-voltage characteristics, recording and visualization of data using a computer.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018111819U RU182198U1 (en) | 2018-04-02 | 2018-04-02 | Device for measuring the electrical characteristics of gas analytic multisensor chips |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018111819U RU182198U1 (en) | 2018-04-02 | 2018-04-02 | Device for measuring the electrical characteristics of gas analytic multisensor chips |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU182198U1 true RU182198U1 (en) | 2018-08-07 |
Family
ID=63142133
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018111819U RU182198U1 (en) | 2018-04-02 | 2018-04-02 | Device for measuring the electrical characteristics of gas analytic multisensor chips |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU182198U1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU202069U1 (en) * | 2020-10-14 | 2021-01-28 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет" | CELL FOR MEASURING THE ELECTRIC CONDUCTIVITY OF GAS SENSORS OF THE CHEMORESISTIVE TYPE |
| RU222881U1 (en) * | 2023-06-09 | 2024-01-22 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Device for measuring the electrical characteristics of gas analytical multisensor chips using direct current |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4584867A (en) * | 1983-08-30 | 1986-04-29 | Cerberus Ag | Device for selectively determining the components of gas mixtures by means of a gas sensor |
| RU148987U1 (en) * | 2014-01-09 | 2014-12-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | DEVICE FOR DETERMINING THE COMPOSITION OF A GAS MEDIA |
| RU152059U1 (en) * | 2013-04-30 | 2015-04-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | DEVICE FOR EXPRESS CONTROL OF THE GAS MEDIA COMPOSITION |
| WO2017058545A1 (en) * | 2015-09-30 | 2017-04-06 | Rosemount Inc. | Process variable transmitter with terminal block moisture sensor |
-
2018
- 2018-04-02 RU RU2018111819U patent/RU182198U1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4584867A (en) * | 1983-08-30 | 1986-04-29 | Cerberus Ag | Device for selectively determining the components of gas mixtures by means of a gas sensor |
| RU152059U1 (en) * | 2013-04-30 | 2015-04-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | DEVICE FOR EXPRESS CONTROL OF THE GAS MEDIA COMPOSITION |
| RU148987U1 (en) * | 2014-01-09 | 2014-12-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | DEVICE FOR DETERMINING THE COMPOSITION OF A GAS MEDIA |
| WO2017058545A1 (en) * | 2015-09-30 | 2017-04-06 | Rosemount Inc. | Process variable transmitter with terminal block moisture sensor |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU202069U1 (en) * | 2020-10-14 | 2021-01-28 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет" | CELL FOR MEASURING THE ELECTRIC CONDUCTIVITY OF GAS SENSORS OF THE CHEMORESISTIVE TYPE |
| RU222881U1 (en) * | 2023-06-09 | 2024-01-22 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Device for measuring the electrical characteristics of gas analytical multisensor chips using direct current |
| RU225028U1 (en) * | 2023-12-29 | 2024-04-12 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Device for thermal stabilization of multisensor gas analytical chips for measuring their electrical characteristics |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6762587B1 (en) | Device and method for monitoring fuel cell performance and controlling a fuel cell system | |
| CN106980297B (en) | Multichannel pressure data acquisition circuit and multichannel pressure data acquisition system | |
| CN111487952B (en) | Multichannel signal switching and coupling device and signal testing system | |
| EP4177618A1 (en) | Circuit for impedance measurements | |
| RU182198U1 (en) | Device for measuring the electrical characteristics of gas analytic multisensor chips | |
| CN114264879A (en) | Insulation resistance and on-resistance measuring device and system | |
| CN107356521B (en) | Detection device and method for micro current of multi-electrode array corrosion sensor | |
| CN108181567A (en) | A kind of Hall effect tester | |
| KR102661280B1 (en) | impedance standard | |
| CN110927465B (en) | Direct current resistance measuring circuit and device | |
| EP0927885B1 (en) | Apparatus for measuring conductivity, pH and dissolved oxygen | |
| US8174275B2 (en) | Storage battery inspecting system | |
| CN207751929U (en) | A kind of Hall effect tester | |
| CN111913088B (en) | Flat cable voltage-resistant test system | |
| CN212988651U (en) | Output detection calibration circuit of multi-channel temperature transmitter | |
| CN214223887U (en) | Automatic tester for universalization of guided missile initiating explosive devices | |
| RU222881U1 (en) | Device for measuring the electrical characteristics of gas analytical multisensor chips using direct current | |
| CN211426770U (en) | Critical current testing device for short sample of superconducting cable | |
| CN211318564U (en) | System for multi-path detection of electrical parameter values by universal meter | |
| US20090160456A1 (en) | Device for inspecting soldering spots in a storage battery | |
| CN216818881U (en) | Thermocouple switching device | |
| CN108847837B (en) | Signal Converter | |
| CN112525367A (en) | Remote temperature measuring device and measuring method applied to marine environment | |
| CN219201856U (en) | Multi-channel on-line insulation monitoring system for piezoelectric motor | |
| JP6908749B2 (en) | Physical quantity measuring device |