Sulautettu pitoisuusanalysaattori: Diplomityö

Aineen pitoisuutta voidaan mitata säteilyenergian absorptioon perustuen. Pitoisuusmittaus lähi-infrapuna-alueella on kohtuullisen hintainen, nopea ja kosketukseton menetelmä. Aiemmin lähi-infrapuna-alueen säteilylähteenä on käytetty hehkulamppua tai mustan kappaleen säteilijää. Niiden käyttäminen vaatii usein liikkuvia osia, mistä aiheutuu käyttökustannuksia ja rajoituksia käyttökohteisiin. Puolijohdetekniikan kehittymisen myötä ledien optiset tehotasot ja aallonpituusvalikoima ovat kasvaneet, ja ledit haastavat perinteisiä säteilylähteitä. Diplomityön keskeisenä tavoitteena oli tutkia, saavutetaanko lähi-infrapunaalueen leditekniikalla kilpailukykyinen suorituskyky pitoisuusanalysaattorina hehkulampputoteutukseen verrattuna. Työssä suunniteltiin ja toteutettiin paperin kosteuspitoisuutta mittaavan prototyypin elektroniikkaosat ja laskentaohjelma. Prototyyppi rakennettiin kaupallisen sulautetun järjestelmän ympärille. Aiempien kokemusten perusteella pitoisuusmittauksen tarkkuustavoitteeksi 1 ms:n mittausajalla asetettiin 0,2 kosteusprosenttia, toistettavuudeksi 0,15 ja mittauksen 2 -kohinaksi 0,6 kosteusprosenttia. Valolähteenä toimi nelikanavainen ledimoduuli, jonka optiset huippuaallonpituudet olivat 1,2, 1,4, 1,9 ja 2,1 μm. Optiseksi ilmaisimeksi valittiin valodiodi, ja sille suunniteltiin pienikohinainen transimpedanssivahvistin. Optisten aallonpituuksien erottelussa hyödynnettiin taajuusjakoista multipleksointia. Työssä tutustuttiin usean modulaatiotaajuuden vaiheherkkään ilmaisuun ja toteutettiin se digitaalisesti FPGA-piirille. Sekä ledien ohjauksen että ilmaisun aaltomuotona käytettiin siniaaltoa. Pitoisuusanalysaattorille tehtyjen laboratoriotestien perusteella asetetut tavoitteet saavutettiin. Parhaimmillaan tarkkuudeksi mitattiin 0,14, toistettavuudeksi 0,01 ja 2 -kohinaksi 0,04 kosteusprosenttia. Ilmaisun kanavakohtaisiksi signaali-kohinasuhteiksi saatiin 70–85 dB, kun kaikki ledit olivat päällä. Lopputuloksena todettiin, että leditekniikalla saavutetaan jopa parempi suorituskyky kuin hehkulampuilla. Käytetty menetelmä on mahdollista laajentaa muille aallonpituuksille sekä useamman aallonpituuden tai kokonaisen spektrin jatkuvaan mittaukseen.