مستشعرات أكسيد المعادن لاستهلاك الطاقة الكهربائية

تعتمد مستشعرات غاز أكسيد المعادن (MOX) على التفاعلات الكيميائية التي تحدث بكفاءة في درجات حرارة عالية، مما يؤدي إلى متطلبات طاقة شديدة المتطلبات لتطبيقات معينة، كما يعد تشغيل المستشعر تحت عملية درجة الحرارة النبضية (PTO)، والتي يتم من خلالها تشغيل وإيقاف تشغيل سخان المستشعر بشكل دوري.

تحليل مستشعرات غاز أكسيد المعادن لاستهلاك الطاقة الكهربائية

تم اقتراح مستشعرات غاز أكسيد المعادن (MOX) بنجاح لمجموعة كبيرة ومتنوعة من التطبيقات، ونظراً لقلة تكلفتها وسهولة تشغيلها واستجابتها السريعة وحساسيتها مقارنة بتقنيات الاستشعار الأخرى، وعلاوة على ذلك وفي العصر القادم للأجهزة المتصلة وإنترنت الأشياء؛ فإنه يمكن للمرء أن يتوقع أن أجهزة الاستشعار ذات التكلفة الفعالة ستظل تواجه مجموعة جديدة من التطبيقات.

وفي الواقع تدمج التطورات الأخيرة مستشعرات (MOX) المصغرة مع الإلكترونيات الرقمية والتناظرية على شريحة واحدة، ومع ذلك تعتمد مستشعرات (MOX) على التفاعلات الكيميائية التي تحدث في درجات حرارة عالية، وبالتالي يتم دمج السخانات المدمجة لإحضار طبقة الاستشعار إلى درجات حرارة حيث تحدث مثل هذه التفاعلات الكيميائية بشكل أكثر كفاءة.

ونتيجة لذلك يمكن أن يكون استهلاك الطاقة لأجهزة استشعار (MOX) عاملاً مقيداً لتكاملها مع الأنظمة المستقلة الأخرى منخفضة الطاقة وطويلة الأمد، كما أدت التحسينات في العزل الحراري لجهاز الاستشعار بسبب تقنيات التصنيع الدقيق إلى تقليل استهلاك الطاقة الكهربائية إلى حد كبير حتى بضع عشرات من ميغاواط.

ومع ذلك وفي العديد من التطبيقات؛ يكون من المرغوب فيه استهلاك طاقة أقل خاصة للأنظمة التي تعمل بالبطاريات، وعلى سبيل المثال قامت المنصات المتنقلة الحديثة بدمج مستشعرات غاز (MOX) للقيام بدوريات في البيئات الخطرة لاكتشاف تسرب الغاز، بحيث تعمل هذه المنصات على تشغيل مستشعرات الغاز عند درجة حرارة ثابتة، وكان استهلاك الطاقة لكل مستشعر في حدود (100) ميغاواط.

وبالنظر إلى أنه تم تشغيل العديد من مستشعرات (MOX) في وقت واحد؛ فقد تحد الطاقة المستنزفة في المستشعرات من إجمالي الطاقة المخصصة لنظام الحركة وتقلل بشكل كبير من استقلالية الروبوت، وفي الآونة الأخيرة قامت منصة متنقلة مزودة بثلاثة مستشعرات (MOX) بتخفيض استهلاك الطاقة إلى (35) ميجاوات لكل مستشعر (MOX).

لذلك قد تكون متطلبات البطاريات الضخمة والمكلفة عاملاً مقيداً لأجهزة استشعار (MOX) ليتم دمجها في منصات روبوت أصغر، مثل الطائرات بدون طيار الحساسة للغاز، علاوة على ذلك يعد استخدام الأجهزة منخفضة الطاقة مطلباً قوياً لبعض التطبيقات، على سبيل المثال في تطبيقات اللوجستيات الغذائية، حيث يحتاج النظام إلى مراقبة جودة الطعام خلال عدة أيام، كما ويجب أن تكون البطاريات صغيرة ومرنة لتتلاءم مع شكل العبوة.

المواد والأساليب المتبعة لتقييم مستشعرات غاز أكسيد المعادن

تم استخدام مجموعة من أربعة مستشعرات غاز ذات طاقة منخفضة للغاية (ULP) لتقييم سلوك المستشعرات في ظل مخططات تشغيل درجة الحرارة النبضية (PTO) المختلفة، بحيث تم الحصول على توصيل كل مستشعر أثناء تعرض المستشعرات لمستويات مختلفة من تركيز الغاز من الإيثيلين والأمونيا.

مجسات الغاز منخفضة الطاقة الكهربائية

تم اختبار مخططات (PTO) المختلفة باستخدام نظام مستقل متعدد الأغراض مخصص يضم أربعة مستشعرات (ULP MOX) مع علامة (RFID)، بحيث تضمن نظام الاستشعار المتعدد المطور علامة (RFID) بقياس (97 × 54) مم مربع جنباً إلى جنب مع جميع الإلكترونيات اللازمة لاتصالات التردد اللاسلكي والتحكم في المستشعر واكتساب الإشارات، بما في ذلك المعالج الدقيق (MSP430F1611) كذلك هوائي (RFiD) صاحب واجهة المنطقية (CPLD) ودوائر تكييف إشارة المستشعر.

كما تم تضمين أجهزة الاستشعار الأربعة في مبيت (TO-8) متصل مباشرة بنفس الركيزة، بحيث يوضح الشكل التالي (1) علامة (RFID) مع مستشعرات (ULP) المدمجة، وبالتالي؛ فإن الجهاز المضغوط المطور مناسب تماماً لتقييم مستشعرات (MOX)، والتي تعمل في الوحدات المحمولة مع جميع المكونات المطلوبة لتشغيلها، وعلاوة على ذلك لتشغيل النظام؛ فقد تم اختيار بطارية مرنة بسماكة (440) ميكرون لتلبية المتطلبات الملحة للخدمات اللوجستية الغذائية (Varta LPF 25) بسعة إجمالية تبلغ (25) مللي أمبير في الساعة.

الإعداد التجريبي لتقييم أداء مستشعرات أكسيد المعادن

تم تصميم نظام التحكم والاكتساب لتشغيل المستشعرات في ظل الظروف المحددة وقراءة موصلية أجهزة الاستشعار الأربعة، كما يعتمد النظام على معدد إرسال رباعي القنوات (ADG704 ، أجهزة تناظرية)، ومع مقاومة تشغيل منخفضة (أقل من 8 درجات) واستهلاك منخفض للطاقة (0.01 ميكرولتر)، وذلك عن طريق قارئ تجاري (TRF7960 EVM)، كما تم نقل القيم المخزنة في علامة (RFID) إلى كمبيوتر مضيف للحصول على مزيد من البيانات.

أيضاً تم استخدام نظام توصيل الغاز الذي يتم التحكم فيه بواسطة الكمبيوتر لتقديم ظروف غاز مختلفة إلى مجموعة مستشعرات الغاز، بحيث استند نظام توصيل الغاز إلى مجموعة (Bronkhorst Mass Flow) (Controllers-MFC) ونظام “فلويديك” بفرعين نشطين للتحكم في مستويات التركيز والرطوبة للعينة قيد الاختبار، كذلك تم توصيل الفرع السائل الأول بأسطوانة مضغوطة بهواء اصطناعي (الهواء الأول بنسبة 20.9٪ ± 1٪ من الأكسجين في النيتروجين بنقاوة 99.995٪).

وبالنسبة إلى البروتوكول التجريبي؛ فقد تم تحديد آلية تجريبية لدراسة سلوك المستشعرات في ظل مخططات (PTO) المختلفة، بحيث تم تحديد شروط (PTO) من خلال الوقت الذي تم خلاله تطبيق الطاقة على سخانات المستشعر (Ton) والفاصل الزمني حتى تم تطبيق الطاقة مرة أخرى (Toff)، بحيث تم تطبيق الطاقة بالتتابع على السخانات الأربعة لتشغيل أجهزة الاستشعار وفقاً لمخطط (PTO)، وذلك حسب الشكل التالي (2).

كما يوضح الجدول التالي مخططات (PTO) التي تمت دراستها، وذلك مع استهلاك الطاقة المقابل وتوفير الطاقة، بحيث يمكن للمرء أن يفترض أن درجة حرارة تشغيل المستشعر هي (400) درجة مئوية خلال زمن الطن بسبب الاستجابة الحرارية السريعة (1.5 مللي ثانية)، وذلك حتى بالنسبة لأقصر وضع طن (32 مللي ثانية).

كما تُحسب وفورات الطاقة فيما يتعلق بالتشغيل المستمر لجهاز الاستشعار (14.5 ميغاواط)، بحيث لاحظ أنه تم تعريف مخططات (PTO)، بحيث زادت (Toff) بينما تم ضبط (Ton) بشكل ثابت (أوضاع 1-4) أو أن (Ton) انخفض بينما ظل (Toff) كما هو (أوضاع 4-8)، بحيث سمح هذا باستكشاف تأثير (Ton) و (Toff) بشكل فردي، كما تم أيضاً تضمين وضعين إضافيين تم فيهما تغيير (Ton) و (Toff) في وقت واحد.

وأخيراً تم إجراء العديد من التجارب لالتقاط سلوك المستشعر وفقاً لمخططات (PTO) المختلفة، بحيث كانت المدة الإجمالية لكل تجربة (11.5) ساعة، وهي موزعة على شرائح (40) دقيقة من التعرض للهواء الاصطناعي تليها شرائح (40) دقيقة من عرض الغاز، بحيث تضمنت كل تجربة (8) شرائح عرض للغاز، حيث تم تقديم غاز مستهدف واحد.

وباستخدام أربعة مستشعرات غاز (MOX)، توضح بأنه يمكن تشغيلها وفقاً لمخططات درجات الحرارة النبضية لتقليل إجمالي استهلاك الطاقة في نطاق ميكرو واط، وعلى عكس التحفيز المستمر للوحة التسخين (14.5 ميجاوات)؛ فقد تم قياس تدهور أداء المستشعر لأنماط (PTO) المختلفة التي تتطلب استهلاكاً إجمالياً للطاقة في النطاق من (1.5) ميجاوات إلى (7) ميكرو.