مدل‌سازي و صحه سنجي پاسخ يك حسگر گاز تحت مدولاسيون دمايي به گاز اتانول

Modeling and validation of the transient response of a temperature modulated gas sensor to ethanol

در اين مقاله ابتدا يك حسگر گاز اكسيد فلزي از نوع تجاري تحت مدولاسيون دمايي قرار داده شده و همزمان ثبت پاسخ‌هاي گذراي آن به تراكم‌هاي مختلف گاز اتانول ارائه مي‌شود. با اعمال مدولاسيون دمايي، دماي سطح حسگر نيز توسط يك ترموكوپل نوع-S ظريف ثبت شد. سپس عملكرد اين نوع حسگرها بر اساس مدل جذب اكسيژن هوا و جذب گاز اتانول بر سطح لايه حساس با استفاده از معادله جذب هم‌دماي فروندليش بيان مي‌شود. در ادامه، اين مدل با استفاده از نرم افزار متلب در محيط سيمولينك شبيه‌سازي مي‌شود. با استفاده از اين مدل مي‌توان پاسخ پوياي حسگر را به اتانول مشاهده كرد. در اين مدل، تراكم يك گاز بصورت ولتاژ در نظر گرفته مي‌شود. اين پارامتر به همراه پروفايل دمايي سطح يك حسگر تحت مدولاسيون دمايي و هدايت حسگر تحت تاثير اكسيژن هوا، به عنوان ورودي‌هاي مدل و پاسخ گذراي حسگر به عنوان خروجي مدل در نظر گرفته مي‌شوند. پارامترهاي اين مدل بر اساس معيار نزديكي پاسخ‌هاي شبيه‌سازي شده و پاسخ‌هاي ثبت شده در هر تراكم از گاز اتانول محاسبه مي‌شوند. نتايج شبيه‌سازي بر اساس ميانگين پارامترهاي شبيه‌سازي شده نيز نشان‌دهنده‌ي نزديكي پاسخ‌هاي شبيه‌سازي شده و پاسخ‌هاي ثبت‌شده‌ي واقعي بود.

In this paper, a commercial metal-oxide gas sensor was first placed under temperature modulation regime and simultaneously their transient response to various concentrations of ethanol vapors was recorded. By applying the temperature modulation, the sensor surface temperature was also recorded by a S-type thermocouple. Then, the performance of these sensors was expressed based on the both air oxygen absorption model and ethanol absorption on the surface of the sensitive layer using the Freundlich isotherm equation. Further, this model is simulated using the MATLAB software in the simulink environment. Using this model, one can see the sensor's dynamic response to ethanol. In this model, the concentration of a gas is considered as a voltage. This parameter, along with the temperature profile of the sensor surface under temperature modulation and sensor conductance under the influence of air oxygen, are considered as inputs of the model and transient response of the sensor as output of the model. The parameters of this model are calculated based on the approximate criterion of simulated responses and the responses recorded for each concentration of ethanol gas. The simulation results based on the validation data also showed that the simulated responses were close to the actual recorded responses.