Instrumentation electronics for a novel optical gas sensor

Abstract

Optical gas sensors are measuring instruments that can be used to determine the concentration of various gases, such as carbon dioxide. They are widely utilized in many areas of industry. In this master's thesis commissioned by Vaisala Oyj, instrumentation electronics and a printed circuit board were designed for a novel optical nondispersive infrared gas sensor prototype. Previously designed separate test circuits were used as a basis for the design work done. The research objective of the thesis was approached by utilizing the applicable parts of the design science research method. A functioning single-circuit-board prototype device was achieved as the main result of the work done. The main features of the prototype were experimentally tested. In the end, after small modifications made, the prototype's subassemblies operated as planned. Further research is needed especially to optimize the electronics and the printed circuit board design, as well as to define the actual performance of the prototype by using it to measure known target gas concentrations.

Optiset kaasuanturit ovat mittausinstrumentteja, joita voidaan käyttää monien eri kaasujen, kuten hiilidioksidin, konsentraation määrittämiseen. Niitä hyödynnetään laajamittaisesti useilla teollisuuden aloilla. Tässä Vaisala Oyj:n toimeksiannosta tehdyssä diplomityössä suunniteltiin instrumentointielektroniikka sekä piirilevy uudenlaisen optisen ei-dispersiivisen infrapunakaasuanturin prototyyppiä varten. Tehdyn suunnittelutyön pohjana käytettiin aikaisemmin suunniteltuja toisistaan erillisiä testipiirejä. Tutkimuksen tavoitetta lähestyttiin hyödyntämällä suunnittelutieteellistä tutkimusmenetelmää sen soveltuvilta osin. Työn tärkein tulos on osana sitä toteutettu toiminnallinen yhden piirilevyn prototyyppilaite. Prototyypin pääominaisuuksia testattiin kokeellisesti. Pienten muutosten jälkeen prototyypin osakokonaisuuksien todettiin toimivan suunnitellusti. Jatkotutkimusta tarvitaan erityisesti suunnitellun elektroniikan ja piirilevyn optimoimiseksi, sekä prototyypin suorituskyvyn määrittämiseksi tunnettuja kohdekaasun pitoisuuksia mittaamalla.