40. SBAI- Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente, São Paulo, SP, 08-10 de Setembro de 1999
ANÁLISE DA RESPOSTA DE UM CONJUNTO DE SENSORE8 DE SN02 PARA
TEMPERATURA DE OPERAÇÃO CíCLICA
Madeleine Lita Barriga Puente de la Vega, Mauricio Oscar Pérez Lisboa, Francisco Javier Ramírez
Femandez
Grupo de Sensores Integráveis e Microsistemas, Laboratório de Microeletrônica da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo
Av. Prof. Luciano Gualberto Trav. No. 3, 158 CEP 055080-900
Te!. (011) 818-5310 Fax (011)818-5585
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http://sim.lme.usp.br
resposta elétrica do sensor. Deste modo, obtém-se um conjunto
de parâmetros, para otimizar a seletividade do sensor[KATO WILSON] .
Resumo: Neste artigo são apresentados os resultados obtidos
na discriminação de substâncias alcoólicas de composição
química equivalente. A metodologia utilizada considera a
operação de um conjunto de sensores em regime de
temperatura cíclica. Com a variação periódica da temperatura
de operação dos sensores pode-se obter uma redução no tempo
de medida dos sinais de resposta dos sensores assim como
aumentar o número de parâmetros extraídos para efeitos de
discriminação das substâncias. A discriminação foi realizada
com dois métodos diferentes de análise. Um usando a
transformada rápida de Fourier (FFT) e o outro usando o valor
médio (DC) e o valor rms AC. A resposta periódica dos
sensores .analisada com auxilio da transformada rápida de
Fourier (FFT), permite efetuar a discriminação das substâncias
com os seis primeiros harmônicos. Os valores DC e AC rms,
permitem realizar discriminação desde que sejam comparados
os valores antes e após a injeção da substâncias gasosas.
Um conjunto de sensores · de gás de óxido de estanho,
comerciais, de baixo custo, não seletivos e um sistema de
reconhecimento de padrões com uma rede neural artificial,
foram usados para identificar aguardentes brasileiras, álcool de
arroz e pisco chileno, utilizando os sinais da resposta dos
sensores em condições de temperatura de operação constante
[BARATTO] .
A discriminação de substâncias talco õlícas de composição
química equivalente (aguardentes e álcoois) foi realiiada
utilizando -se sensores de gaz de óxido de estanho de pobre
seletividade.
O objetivo deste trabalho é apresentar os resultados obtidos na
discriminação de substâncias alcoólicas ao mudar
periodicamente a temperatura de operação dos sensores,
normalmente em torno de 350°C. Neste .caso, os resistores de
aquecimento dos sensores foram polarizados com tensões
periódicas. Esta metodologia teve como objetivos reduzir o
tempo da medida e extrair maior número de ·parâmetros da
resposta dos sensores. Para discriminar as amostras estudadas,
os padrões da resposta periódica foram analisados com a
transformada rápida de Fourier e a medida dos valores DC e
ACrms.
Palavras Chaves: Sensores · de
reconhecimento de padrões,
2
1
gas,
nariz
eletrônico,
PARTE EXPERIMENTAL
Na identificação de substâncias gasosas e otimização da
seletividade dos sensores de gás foram realizadas diferentes
medidas, utilizando um conjunto de sensores de gás de óxido
de estanho, comercialmente disponíveis, sensores de gás
Tagushi da série 800 (TGS813, TGS822, TGS824, TGS832 e
TGS881), manufaturados pela Figaro Electronic. As
características de sensibilidade são descritas na Tabela 1.
INTRODUÇÃO
A identificação de um gás simples ou mistura de gases por
meio de sensoresde estado sólido em geral e em particular os
de óxido de estanho é difícil devido a sua pobre seletividade.
Otimizar a seletividade tem sido o objetivo da maioria dos
trabalhos nos recentes anos [DE ÁNGELIS - DEVI]. Uma
estratégia consiste em usar um conjunto de sensores não
seletivos e um método de reconhecimento de padrões
apropriado, capaz de reconhecer odores simples ou complexos.
O termo "Nariz Eletrônico" tem sido amplamente aceito para
se referir a esta classe de sistema. Neste caso, medidas da
resposta do sensor em estado estacionário são usados para
treinar uma rede neural artificial [HONG,H .- GARDNER].
Outra .aproximação consiste em caraterizar dinamicamente a
o aparato experimental é formado por uma câmara de .ensaio,
um conjunto de rotâmetros para controlar o fluxo de ar
sintético e um sistema de aquisição de dados, como mostra a
Figura 1.
O procedimento para realizar as medidas consiste primeiro em
selecionar o tipo de tensão a ser aplicado nos resistores de
592
40. SBAI- Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente, São Paulo. SP, 08-10 de Setembro de 1999
aquecimento dos sensores, contínuo ou alternada (onda
retangular, triangular, rampa de subida ou rampa de descida). .
Fazer uma limpeza da câmara de ensaio com um fluxo de ar
sintético.
Tab. 1 Características da sensibilidade dos sensores
utilizados
Sensor
.
Sensibilidade
variar. a tempe ratura de operação dos sensores, polarizando
seus resistores de aquecimento com tensões .periód icas. Foi
estudada a influência da forma e do período da tensão sobre o
resistor de aquecimento no processo de medida e classificação.
Diferentes formas de tensões: triangular, rampa de subida,
rampa .de descida e onda retangular, com diferentes
freqüências, foram aplicadas aos resistores de aquecimento dos
sensores.
A resposta dos sensores às tensões periódicas onda retangular e
rampa de descida, correspondentes a ensaios realizados com
álcool de arroz, são mostrados nas figuras .2 e 3
respectivamente.
TGS813 Detecção de vários gases combustíveis
(metano, etano , propano, isobutano,
hidrogênioj.Sêíl alO 000 ppm.
gases
e
orgânicos
TGS822 Solventes
combustíveis. Metano, monóxido de
carbono, isobutano, n-hexano, benzeno,
etanol, acetona.
50 a 5 000 nnm.
TGS824 Alta sensibilidade a amônia .
30 a300 ppm.
TGS832 Alta sensibilidade para detecção de
(CFC)
cloro-fluor-carbonos
R"12;
R134a, etanol, R22. 10 a 3000 ppm.
TGS881 Sensibilidade para detectar vapores de
alimentos (gás, umidade, fumaça e
odores) .
Fonte: Products Catalogo Figaro Engineering Inc.
5
TGS881
TGS813
<ti
3!
'"
""'"
3
1
51-_ _-,
4
>3
"-;"2
cs: 1
TensAoooUl
,aqueclmant
I
CT. A.l
i
i
LJ
!
t- O
420
440
460
Tempo (s)
Co.putador
pessoal
Fig. 2. Resposta dos sensores à tensão retangular, aplicada
aos reslstores de aquecimento, (período de 22s e la rgura de
pulso de 11s).
11
Konitoração e
araazenaaento
TGS824
de dados
adquiridos
CâJlara
Jlatriz
de
s e nso res
de
ensaio
Fig. 1. Aparato experimental para realizar ensaios.
5
4
>3
-:-2
Após a limpeza, manter a câmara fechada até os sensores
atingirem o regime permanente. Em seguida, iniciar o processo
de armazenamento dos dados no disco do computador. O
próximo passo, é introduzir o ar saturado com a amostra na
câmara. Utilizando uma seringa farmacêutica, retirar de uma
garrafa, que contém a amostra na fase líquida, um volume de ar
saturado o qual é injetado na câmara. O processo de aquisição
de dados dura aproximadamente 1000 s, tempo suficiente para
registrar todas as mudanças da condutância elétrica dos
sensores.
1
I-
__
460
Tempo (s)
Fig. 3. Resposta dos sensores à tensão rampa de descida,
aplicada aos resistores de aquecimento, (período de 22s e
.
largura de pulso de 11s)• .
Foram realizados quatro ensaios por cada amostra de
substância gasosa e para cada tipo de tensão de aquecimento.
3
_ _"'--_':""'_ _"""T""_ _
440
420
3.1
Análise de Fourier
Devido às características periódicas dos padrões de resposta
dos sensores, a análise em freqüência pode ser aplicada para
otimizar a extração de parâmetros. A transformada rápida de
Fourier (FFT) foi utilizado para analisar .os primeiros três
períodos da resposta dos sensores após da injeção da amostra.
RECONHECIMENTO DE PADRÕES E
EXTRAÇÃO DE CARACTERíSTICAS
Para reduzir o tempo de resposta e extrair um maior número de
parâmetros foi implementada a metodologia que consiste em
593
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Os dados obtidos, do primeiro ao sexto harmônico, do espectro
de amplitude foram usados para classificar as amostras. Nas
figuras 4 e 5 são mostradas as amplitudes do 3° e 2°
harmônicos, obtidos da análise em freqüência (FFT) da
resposta dos sensores com tensões de aquecimento onda
retangular e rampa de descida respectivamente. No eixo da
abscissa, os valores ' de 1 a 5 correspondem aos sensores
TGS813, TGS832, TGS824, TGS822 e . TGS881,
respectivamente.
Pode-se dizer que com as formas de onda retangular (período
de 22s e largura de pulso de 11s), rampa de descida (período de
22s) e rampa de descida (período de 44s), usadas como tensão
de aquecimento, consegue-se uma boa discriminação das
substâncias.
- .-"P isca"
--'A - ' p lt u "
0 ,24
:::
G>
O ,2 O
- . -.p
------.
irassu nun 9 a 51'
o
calculando valor rms. Os valores .DC e AC rms foram
obtidos considerando-se quatro períodos (4T).
Nesta análise considerou-se as respostas dos sensores com
tensão de aquecimento onda quadrada. Foram usadas as
diferenças entre os valores finais e os valores iniciais para
todas as amostras, isto é Vfinal-Vinicial.
.
Na Figura 6 a seguir está ilustrado o . resultado desta análise
para o período de 22 segundos nos resistores de aquecimento.
Na Figura 7 está o resultado para as mesmas amostras
anteriores s6 que o período aplicado aos resistores de
aquecimentoé agora de 68 segundos.
A Figura 8. ilustra o resultado final desta análise. São
mostrados no gráfico o comportamento dos sensores para DC e
AC rrns para dois períodos diferentes de operação .dos
resistores de aquecimento.
/-
.
Todas as amostras álcoois
"t:l
-"
cE
laf11lO do análise 4 'T
0.2
0.0
0 ,16
-o.a
-c
g
0, 12
2
3
4
.o.4
-o.e
-o.a
5
5832
0.4
Sensores
5822
-_
0.2
. Fig. 4. 3° harmônico da resposta dos sensores, para
amostras de aguardentes, com tensão tipo onda retangular
nas resistências de aquecimento (período de 22s).
§
Ü
.-...
0.0
..
-{).2
<I:
.o.4
5813
58.."12
5824
5822
5681
Sensores
0 ,4 B
>
0,44
Cll
"t:l
O ,4 O
="
0,36
cE
-c
-
. - P ls c o
-
. - P ira s s u n in 9 a 5 1
-
....-Pitu
Fig. 6. Variação dos valores médio (DC) e AC rms para as
amostras de aguardentes analisadas, com período de
excitação, nos resistores de aquecimento, de 22s.
Todas as amostras álcoois
0,32
T=6Bs.tempomálise4"T
0 ,2 B
02
0 ,24
O ,2
o
- . - Ml:::Arr.oo
-.-.Ch.Cu'O.oc
- " - PnIiI.DC
... ·· PWlC
-... - T....s:u. D::
0.0
3
2
4
5
oo
Sensores
.o.4
·0.6
-o.s
Fig.5. 2° harmônico da resposta dos sensores, do grupo de
amostras das aguardentes, com tensão tipo rampa de
descida nas resistências de aquecimento (período de 22s).
S832
0.6
5822
0.4
0.2
<1l
§
0.0
Ü
<I: .o2
3.2 Análise DC e AC rms
-o.a
5813
Como observado nas Figuras 2 e 3, há diferenças nas respostas
dos sensores tanto no valor de. tensão quanto na forma das
respostas.
5832
5824
S822
5681
sensores
Fig. 7. Variação dos valores médio (DC) e AC rms para as
amostras de aguardentes analisadas, com período de
excitação, nos resistores de aquecimento, de 68s.
A análise do valor DC e do valor AC rms foi realizada. O valor
AC rms é obtido retirando-se o valor médio e depois
594
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DISCijSSÕESE CONCLUSÕES
4
A operação dos sensores com temperatura de operação
periódica permitiu conseguir maior informação e reduzir o
tempo para identificar substâncias gasosas.
Usando a metodologia de FFf foram discriminadas substâncias
de composição química equivalente, aguardentes de cana de
açúcar (pitu e Pirassununga 51) e pisco chileno.
O controle da temperatura de operação periódica do sensor foi
realizado .aplicando, como tensão de aquecimento, formas de
onda: retangular, triangular, rampa de subida e rampa de
descida, e diferentes períodos: 22s, 44s e 68s. As formas de
onda retangular, rampa de subida e rampa de descida e
períodos de 22s e 44s apresentaram melhores resultados na
identificação das substâncias.
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-.-Mo122.d:
-e-Mrd6B,d::
0.0
g
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and selectivity of an S002 sensor to H2S at around
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-0.6
4
2
o
6
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0.4
02
Q
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aromas é aproximadamente 665.
0.6
5
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As respostas periódicas dos sensores, primeiros três períodos
após a injeção da amostra, foram analisados em freqüência. Os
seis primeiros harmônicos do espectro permitiram realizar a
classificação das substâncias estudadas.
0.2
Este método apresenta um potencial bastante grande se é
utilizado conjuntamente com uma rede neural artificial, já que
aumentaria o nível de discriminação e diminui o tempo de
análise.
0.0
1=:-=1
-0.4
S813
S832
S824
S822
DI NATALE, C.; DAVIDE, F.; D'AMICO, A. Pattern
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and advances, Sensors and Actuators B 23 (1995) Ll l118.
S861
8ensores
Fig. 8 Sensibilidade para os dois períodos de aquecimento
T=22 e T=68 segundos.
Na análise DC e AC rms, a primeira constatação é que este ·
método apresenta um . bom nível de discriminação para as
amostras de aguardentes. Por se tratar de um método
extremamente simples, isto é bastante importante, ele pode ser
implementado tanto na forma de circuito eletrônico (hardware)
como na forma de programa de análise (software).
Uma segunda constatação é que o valor AC rms apresenta
menor dispersão que o valor médio (DC). Figura 6.
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O valor DC e o valor AC rms, apresenta maior sensibilidade
para períodos maiores. Isto está ilustrado na Figura 8, onde são
apresentados os valores médios e o desvio padrão para todas as
amostras de aguardentes analisadas.
595
40. SBAI- SimpósioBrasileirode Automação Inteligente, São Paulo, SP, 08-10 de Setembrode 1999
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