КОНФЕРЕНЦІЇ ВНТУ електронні наукові видання, 
Молодь в науці: дослідження, проблеми, перспективи (МН-2025)

Розмір шрифта: 
ЗАСІБ ВИМІРЮВАННЯ ГАЗОВОГО СКЛАДУ НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА НА ОСНОВІ ПАРАМЕТРИЧНОГО СЕНСОРА З ЧАСТОТНИМ ВИХІДНИМ СИГНАЛОМ ДЛЯ IOT СИСТЕМИ
Ярослав Олександрович Осадчук, Олександр Володимирович Осадчук, Костянтин Віталійович Шикун, Віталій Іванович Петренко

Остання редакція: 2025-05-30

Анотація


Запропоновано і досліджено параметричний автогенераторний сенсор концентрації газу на основі транзисторних напівпровідникових структур з диференційним від’ємним опором з газочутливими елементом на базі резистора, причому газочутливий елемент є активними елементами схеми автогенератора, що спрощує конструкцію приладу. На основі розгляду фізичних процесів, які протікають у газочутливих елементах і автогенераторних приладах, на основі методу перетворення енергії, розроблено параметричні залежності функцій чутливості і перетворення. Доведено, що основний внесок у зміну функцій перетворення і чутливості вносить зміна концентрації газу, що в свою чергу викликає зміну еквівалентної ємності та диференційного від’ємного опору у коливальній системі автогенераторних приладів вимірювання концентрації газу, що змінює вихідну частоту приладів. Чутливість приладу  змінюється від 1,48 кГц/ppm до 2,05 кГц/ppm  при зміні концентрації газу від 0 ppm до 2000 ppm в діапазоні частот 1185 МГц.

 

 

DEVICE FOR MEASURING THE GAS COMPOSITION OF THE ENVIRONMENT BASED ON A PARAMETRIC SENSOR WITH A FREQUENCY OUTPUT SIGNAL FOR IOT SYSTEMS

Abstract

A parametric self-oscillating gas concentration sensor based on transistor semiconductor structures with differential negative resistance with a gas-sensitive element based on a resistor has been proposed and investigated, with the gas-sensitive element being the active elements of the self-oscillating circuit, which simplifies the design of the device. Based on the consideration of the physical processes occurring in gas-sensitive elements and self-oscillating devices, based on the energy conversion method, parametric dependences of the sensitivity and conversion functions have been developed. It has been proven that the main contribution to the change in the conversion and sensitivity functions is made by a change in the gas concentration, which in turn causes a change in the equivalent capacitance and differential negative resistance in the oscillatory system of self-oscillating devices for measuring gas concentration, which changes the output frequency of the devices. The sensitivity of the device changes from 1.48 kHz/ppm to 2.05 kHz/ppm when the gas concentration changes from 0 ppm to 2000 ppm in the frequency range of 1185 MHz.


Ключові слова


параметричний автогенераторний сенсор концентрації газу; перетворювач з частотним виходом; газочутливий елемент; функція перетворення; рівняння чутливості; parametric self-oscillating gas concentration sensor; frequency output transducer

Посилання


  1. Awe, Y.A.; Larsen, B.K.; Sanchez-Triana, E. The Global Health Cost of PM2.5 Air Pollution: A Case for Action Beyond 2021; International Development in Focus; World Bank Group: Washington, DC, USA, 2022.
  2. Zhang, H.; Srinivasan, R. A Systematic Review of Air Quality Sensors, Guidelines, and Measurement Studies for Indoor Air Quality Management. Sustainability 2020, 12, 9045.
  3. Osadchuk O.V., Osadchuk V.S., Osadchuk I.O. Modern world tendencies in the development of science. Chapters 19.Gas concentration transducers with frequency output signal based on reactive properties of semiconductor structures with negative differential resistance. Volume 2. Publishshed by Sciemcee Pablishing.LP22772, 20-22 Wenlock Road, London, United Kingdom, 2019. –308 p. –P.271-285. 
  4. National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine. Health Risks of Indoor Exposure to Fine Particulate Matter and Practical Mitigation Solutions; National Academies Press: Washington, DC, USA, 2024; pp. 1–237.
  5. Chen, L.W.A.; Olawepo, J.O.; Bonanno, F.; Gebreselassie, A.; Zhang, M. Schoolchildren’s Exposure to PM2.5: A Student Club–Based Air Quality Monitoring Campaign Using Low-Cost Sensors. Air Qual. Atmos. Health 2020, 13, 543–551
  6. Peixe, J.; Marques, G. Low-Cost IoT-Enabled Indoor Air Quality Monitoring Systems: A Systematic Review. J. Ambient Intell. Smart Environ. 2024, 16, 167–180. 
  7. Мікроелектронні сенсори фізичних величин: В 3-ох т. / В. Вуйцік, З. Готра, О. Готра та інш.; Львів: Ліга-Прес, 2003. – 595 с
  8. Інтелектуальні вимірювальні системи на основі мікроелектронних датчиків нового покоління / Я. І. Лепіх, Ю. О. Гордієнко, С. В. Дзядевич [та ін.] ; за ред. Я. І. Лепіха, В. О. Романова. – Одеса : Астропринт, 2011. – 352 с.
  9. Osadchuk A.V.,  Koenig E., Osadchuk I.O. Wissenschaft für den modernen menschen: technik und technologie, informatik, sicherheit. Chapter 10. Application of multifactor models for forecasting of PSA (phthalic anhydrid) emissions in airplanes. Book 1. Part 1 / [team of authors: Choporov O.N., Lvovich I.Y., Osadchuk A.V., Preobrazhenskiy A.P., Romanyuk O.N., Sukhyy K.M. and etc.]. – Karlsruhe: NetAkhatAV, 2020 – 196 p. –P.135-150.
  10. Alexander V. Osadchuk, Volodymyr S. Osadchuk, Iaroslav O. Osadchuk, Nataliia V. Titova, Olga Yu. Pinaeva, Piotr Kisała, Saule Rakhmetullina, Aliya Kalizhanova, Zhanar Azeshova. Optical-frequency gas flow meter on the basis of transistor structures with negative differential resistance // Proc. SPIE 11456, Optical Fibers and Their Applications 2020, 114560F (12 June 2020); –P.74-81. 
  11. Осадчук О.В., Осадчук В.С., Осадчук Я.О. Вплив ємності просторового заряду на газореактивний ефект в напівпровідникових сенсорах газу // Вісник Вінницького політехнічного інституту. 2019. No4. –С.41-48.
  12. Осадчук Я.О. Мікроелектронні автогенераторні сенсори концентрації газу з частотним виходом // Вчені записки ТНУ імені В.І. Вернадського. Серія: Технічні науки. Том 34(73),  №2 2023. –С.266-275.

Повний текст: PDF