POWER EFFICIENT WIRELESS SENSORS FOR GAS CONCENTRATION MEASUREMENT. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Hamza_Shahid_Thesis_Online.pdf Download (4MB) | Preview

Arabic Abstract

تستخدم أجهزة الاستشعار اللاسلكية / المحمولة حديثا في رصد مواقع التطبيقات الصناعية بما في ذلك الغازات الخطرة. هذه الأنواع من أجهزة الاستشعار ذات أهمية خاصة للصناعة السعودية في معامل التكرير والبتروكيماويات. لكن بسبب استهلاكها لطاقة كبيرة، تحد أساسا من حياتهم التشغيلية. وبالتالي، من المهم تصميم دائرة الاستشعار بعناية لتحسين استهلاك الطاقة مع تحقيق الأداء المطلوب والدقة. وتصنع هذه الأجهزة الاستشعارية من أكسيد المعادن (معظمها على أساس SNO2)، وتتمتع بأن لديها مجموعة من درجة الحرارة لاستشعار الغازات المختلفة. وبالتالي، يمكن استخدام نفس أجهزة الاستشعار من قبل تطبيقات مختلفة لقياس الغازات المختلفة. فمثلاً درجة الحرارة المثالية لأكسيد المعادن لاستشعار الميثان هي 400 درجة مئوية بينما هو 90 درجة مئوية لأول أكسيد الكربون. الهدف الرئيسي من هذه الرسالة هو تصميم أجهزة استشعار لاسلكية منخفضة الطاقة لقياس تركيز الغاز بحيث يمكن استخدامها في بيئة قاسية لفترة طويلة من الزمن. ويحتوي التكوين النموذجي لجهاز الاستشعار لاسلكي على كتل رئيسية من أجهزة الاستشعار الأمامية، سخان صغير (ميكروهيتر)، متحكم، إدارة الطاقة والذاكرة، وكتلة الاتصالات. ويستهلك المتحكم معظم طاقة أجهزة الاستشعار وذلك بعد الميكروهيتر. وتتمثل المهمة الرئيسية للمتحكم في توفير توقيت لعملية الاستشعار على مدار الساعة. كما أنه يستخدم لتحليل الإشارات والذاكرة. ويقترح هذا العمل استخدام مولد ذبذبات ذا تردد تحت واحد هيرتز، والذي يتميز باستهلاك طاقة منخفضة جداً، لتوفير التوقيت لجهاز الاستشعار بدلا من المتحكم. ويمكن استخدام متحكم ولكن في جهاز الاستقبال، حيث تتوفر مصادر طاقة من المرافق، لتحليل الإشارة المرسلة وإضافة سمات تكييف الإشارات المختلفة. ولقد تم استخدام العديد من تقنيات الدوائر لتحقيق الغرض من استشعار الغاز بشكل أكثر كفاءة مع الحفاظ على حساسية مقبولة والتقليل من استهلاك الطاقة. وتستخدم دائرة الاستشعار المقترحة اثنين من مولدات التذبذب، احدهما مولد الذبذبات ذا تردد بمقدار مليهيرتز لتوفير وقت التشغيل لجهاز الاستشعار والأخر لتوليد إشارة مترددة لإثارة جسر ويتستون في الجبهة الأمامية للمستشعر. وتم تصميم مولد الذبذبات ذا تردد مليهيرتز باستخدام الترانزستورات تعمل تحت فاصل التشغيل موصلة على شكل زناد-شميت العاكس.حيث يتم شحن وتفريغ مكثف بصورة خاصة من أجل الحصول على التردد متناهي الانخفاض.بالإضافة الى ذلك تم اقترح زناد-شميت عاكس جديد لاستخدامه لتوليد إشارة مترددة الواجهة الأمامية للمستشعر والذي يتمتع بحساسية محسنة. وتم تحسين حساسية جهاز الاستشعار لاسلكي أيضا باستخدام مكبر للفرق والذي يوفر مكاسب بمقدار 63.5 مرة مما يجعل نطاق الإخراج يصل الى 1V للتغير الكامل لنطاق المقاومة المتغيرة. وهذا يسمح لأخذ القياس في درجات حرارة أقل عندما تبدأ المقاومة تغيير. ويبلغ متوسط استهلاك الطاقة من الدائرة بأكملها 38.77 ميكرووات من غير حساب استهلاك طاقة السخان الصغير. ويمكن تقدير إجمالي استهلاك الطاقة بإضافة ميكروهيتر التجارية كتلة الاتصالات ليصل الى 2.072 ميكرووات وهو حوالي 40 مرات أقل من الحلول المتاحة. وتتكون الأطروحة من سبعة فصول. ويتضمن الفصل الأول مقدمة، والدوافع، وبيان المشكلة، وموجزا للأهداف والمساهمات. وفي الفصل 2، يتم مناقشة المراجع العلمية ذات العلاقة مع مناقشة تفصيلية بشأن المواصفات المختلفة لأجهزة استشعار الغاز اللاسلكية. كما يقدم الفصل 3 شرح النهج نحو تحقيق الاهداف مع شرح جميع الدوائر المعنية. ويتم تقديم نتائج كل مرحلة وكذلك النتائج النهائية في الفصل رقم 4. ويحتوي الفصل رقم 5 زناد-شميت الجديد لدائرة الموقت. وفي الفصل رقم 6 يقدم نتائج المحاكاة بع التخطيط. وفي الفصل 7 والاخير يتم عرض الاستنتاجات والاتجاهات المستقبلية.

English Abstract

Wireless/mobile sensors have newly been considered in monitoring industrial applications including risky gasses location. These types of sensors are of particular importance for the Saudi industry in refineries and petrochemical plants. As a significant energy users, gas sensors might essentially limit their lifetime. Hence, the sensing circuit is carefully designed to optimize power consumption while achieving the desired performance and accuracy. The metal oxide from which these sensors are made of (mostly SnO2-based), has a range of temperature for sensing different gasses. Hence, the same sensor can be used by different applications for measuring different gasses. The ideal temperature for metal oxide (SnO2) to sense CH4 is 400 °C while it is 90 °C for CO. The main objective of this thesis is to design a low power wireless sensors for gas concentration measurement such that it can be utilized in the harsh environment for a long period of time. Typical wireless sensor has main blocks of sensor front end, micro-heater, microcontroller, power management, memory and communication block. After microheater, the most power hungry component in sensor is microcontroller. The main function of microcontroller is to provide the clock timing for the sensor operation. It is also used for signal conditioning and memory. This work suggests adoption of a sub-hertz oscillator, which has very low power consumption, for providing the timing for sensor instead of the microcontroller. A microcontroller but at the receiver end, where utility power sources are available, can be used to analyze the transmitted signal and add various signal conditioning attributes. Several circuit techniques are utilized to achieve the purpose of gas sensing more efficiently while keeping the sensitivity comparable and reducing power consumption. The sensor circuit uses two oscillators, a sub-hertz for providing the operating time of sensor while the other for generation of AC signal to excite the Wheatstone bridge based sensor front end. The sub-hertz timer utilizes sub-threshold operation of transistors to realize a CMOS inverter based Schmitt trigger. The current for charging and discharging of capacitor is reduced in order to obtain ultra-low frequency oscillation. In addition, a novel inverter based Schmitt trigger is proposed which is used to provide the AC signal to sensor front end with improved sensitivity. The sensitivity of the wireless sensor is further improved by using a high gain difference amplifier providing a gain of 63.5 V/V which makes the output range of 1V for full scale variation. This allows to take the measurement at lower temperatures when the resistance starts changing. The average power consumption of the whole circuit is 38.77μW apart from the micro-heater power consumption. It is possible to estimate the overall power consumption of the system by adding the power of a commercial microheater and communication block to be around 2.07mW which is around 40 times less than the available solutions. The thesis consists of seven chapters. The first chapter include an introduction, motivation, the problem statement, an outline of objectives and the contributions. In chapter # 2, literature review is discussed. A detail discussion on different specifications of wireless gas sensors is presented in this section. In chapter #3, the approach towards achieving the goal will be explained with all the circuits involved and their explanation. The results for each stage as well as the final results are summarized in Chapter #4. Chapter # 5 contains the new proposed Schmitt trigger for timer circuit. Chapter # 6 shows the post layout simulation and Chapter # 7 consists of conclusion and future directions.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Committee Advisor:	Alzaher, Hussain
Committee Members:	Alghamdi, Muhammad Khalaf and Hussein, Alaa El-Din
Depositing User:	HAMZA SHAHID (g201404900)
Date Deposited:	29 May 2017 10:18
Last Modified:	31 Dec 2020 08:00
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140341