Вимірювачі концентрації чадного газу. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Вимірювальна техніка

 Коментарі до статті

Як відомо, чадний газ (оксид вуглецю, CO) дуже токсичний і отруйний. Перевищення його допустимої концентрації у повітрі може призвести до смерті людини, яка перебуває у загазованому приміщенні. Цей газ не має ні запаху, ні кольору, що робить його особливо небезпечним, ускладнюючи своєчасне виявлення без спеціальних приладів, у яких зазвичай використовують напівпровідникові або електрохімічні датчики.

Напівпровідникові датчики оксиду вуглецю значно дешевші за електрохімічні, але їх застосовують, як правило, лише для сигналізації про наявність чадного газу в повітрі, але не для точного вимірювання його концентрації, для чого необхідно використовувати електрохімічні датчики.

Якщо описувати роботу електрохімічного датчика гранично просто, можна сказати, що при його роботі газ, що детектується, проникає в зону, де на електроді відбувається окислювально-відновна реакція, що і призводить до появи сигналу. Електрохімічний датчик газу складається з двох або трьох електродів для електрохімічної каталітичної реакції, занурених у електроліт. Напруга на робочому електроді датчика прямо пропорційна концентрації газу, яку можна дізнатися, вимірюючи цю напругу.

Опис аналізатора концентрації оксиду вуглецю з використанням двоелектродного електрохімічного датчика було опубліковано [1]. У ньому використано датчик TGS5042 - відносно недорогий, але має низьку чутливість, що не дозволяє вимірювати малі концентрації CO з високою точністю. А вимірювач концентрації чадного газу, згідно з нормативними документами, повинен визначати саме малі значення його концентрації, починаючи з одиниць міліграм на кубічний метр (у Росії концентрацію забруднюючих речовин у повітрі прийнято вимірювати саме в таких одиницях, для оксиду вуглецю 1 мг/м³ = 0,86 ppm).

Документи [2, 3] вимагають, щоб концентрація оксиду вуглецю у свіжому повітрі не перевищувала 3 мг/м³ (середньодобова) та 5 мг/м³ (Пікова). У повітрі закритого приміщення концентрація не повинна перевищувати 20 мг/м³ протягом усього робочого дня, 50 мг/м³ - протягом години, 100 мг/м³ - протягом 30 хв або 200 мг/м³ протягом 15 хв. У таблиці наведено значення чутливості та максимальної вимірюваної концентрації оксиду вуглецю для деяких дво- та триелектродних електрохімічних датчиків.

Таблиця

Серед двоелектродних датчиків, представлених у цій таблиці, найбільшу чутливість має датчик CO/SF-2E [4]. Схема вимірювача рівня концентрації чадного газу з таким датчиком зображена на рис. 1.

Мал. 1. Схема вимірювача рівня концентрації чадного газу (натисніть , щоб збільшити)

Порівняно з вимірювачем, описаним у [1], змінено лише елементну базу. Як DA1 використана мікросхема TSZ122IDT [5], що складається з двох прецизійних ОУ, що дозволяє вимірювати концентрацію чадного газу з більш високою точністю. Типове значення вхідної напруги усунення цих ОУ - 1 мкВ, а вхідного струму - 50 пА. ОУ DA1.1 перетворює вихідний струм датчика на напругу (U_вих=I_дR4). Опір резистора R4 вибрано таким, щоб отримати коефіцієнт перетворення 10 мВ на 1 мг/м³. Індикатором служить вбудований цифровий вольтметр SM3D-DV2 (PV1) з межею вимірювання 1999 мВ, що дозволяє вимірювати концентрацію чадного газу до 199,9 мг/м³ з дискретністю 0,1 мг/м³.

ОУ DA1.2 та транзистор VT2 утворюють компаратор напруги. Його поріг спрацьовування, заданий резисторами R5 і R6, дорівнює 200 мВ, що відповідає концентрації чадного газу 20 мг/м³. Резистор R7 забезпечує невеликий гістерезис у характеристиці перемикання компаратора, запобігаючи брязкіт його вихідної напруги в момент спрацьовування. Компаратор, що спрацював, включає п'єзовипромінювач звуку HA1 (з вбудованим генератором), що подає звуковий сигнал тривоги. Через оптрон U1 сигнал тривоги надходить у пристрій керування елементами системи вентиляції приміщення - фрамужними відкривачами вікон та витяжними вентиляторами.

Щоб запобігти поляризації датчика B1, необхідно при вимкненому живленні тримати його електроди з'єднаними між собою. Для цього призначений p-канальний польовий транзистор VT1, відкритий без живлення, але закривається при подачі на його затвор напруги +5 відносно витоку.

Розкид чутливості датчиків CO/SF-2E досягає ±20%. Тому необхідно калібрування виготовленого приладу за показаннями зразкового вимірювача концентрації оксиду вуглецю, бажано повіреного в одній з багатьох лабораторій з технічного обслуговування систем контролю загазованості. У процесі калібрування чутливість приладу регулюють добіркою опору резистора R4. Поріг спрацювання компаратора достатньо встановити з точністю ±5%.

Триелектродні датчики в порівнянні з двоелектродними мають більш високі технічні характеристики, що збільшує точність вимірювань. Але схема включення такого датчика складніша. Якщо використати триелектродний електрохімічний датчик 2ФС-90Л [6] російського виробництва, вимірювач концентрації оксиду вуглецю можна зібрати за схемою, зображеною на рис. 2.

Рис. 2. Схема вимірювача концентрації оксиду вуглецю (натисніть для збільшення)

Цей датчик має три електроди: W – вимірювальний або робочий електрод, С – електрод порівняння, R – допоміжний електрод. Для живлення триелектродного датчика зазвичай використовують спеціальний вузол - потенціостат, який повинен з високою точністю забезпечити нульове зміщення потенціалу вимірювального електрода щодо порівняння електрода. Як правило, потенціостат для триелектродного датчика збирають за стандартною схемою, яку можна знайти в посібниках із застосування датчиків, що їх видають їх виробниками [7-10].

У вимірнику використана мікросхема TSZ124IPT, що містить чотири таких же ОУ, як TSZ122lDT Транзистор VT1 служить для запобігання поляризації датчика. Резистивний дільник напруги R1R2 та ОУ DA1.1 створюють штучну "землю", потенціал якої дорівнює половині напруги живлення пристрою. ОУ DA1.2 та DA1.3 - елементи потенціостату. Резистор R9 задає коефіцієнт перетворення струму електрода W-датчика на напругу. Як і попередньому випадку, якщо R9=117кОм, концентрації чадного газу 1 мг/м³ відповідає напруга 10 мВ на виході потенціостату.

Виробник датчика 2ФС-90Л гарантує його чутливість 100 нА/ppm з відхиленням трохи більше 10 %. Якщо така точність вимірів достатня, можна обійтися без калібрування приладу, хоча його перевірка за показаннями зразкового вимірювача не завадить.

Щоб вимірювати концентрацію чадного газу в ppm (мільйонних частках), в обох варіантах вимірювача достатньо зменшити опір резистора, що задає коефіцієнт перетворення струму датчика в напругу до 100 кОм (виходячи із співвідношення 1 мг/м³ = 0,86 ppm). При необхідності можна передбачити дві шкали виміру, ввівши в прилад двопозиційний перемикач резисторів.

Для живлення обох приладів можна використовувати джерело безперебійного живлення, зібране за схемою, зображеною на рис. 3. Він працює як від мережі ~230 В, так і від гальванічного елемента напругою 1,5 В. Це дозволяє користуватися вимірювачем не тільки в стаціонарних, а й у польових умовах.

Рис. 3. Схема джерела безперебійного живлення (натисніть , щоб збільшити)

Перетворювач змінної напруги на постійне U1 (це може бути звичайний мережевий адаптер), будучи підключеним до мережі, формує на виході постійну напругу 5 В. Транзистор VT1 і діод Шотки VD1 утворюють автоматичний перемикач живлення з батарейного на мережну та назад. Коли перетворювач U1 працює і напруга на його виході вище напруги гальванічного елемента G1, польовий транзистор VT1 закритий, тому що напруга між затвором і витоком має полярність, що закриває для p-канального транзистора. Напруга 5 надходить далі через відкритий діод VD1. При відключенні перетворювача U1 від мережі напруга на затворі транзистора VT1 стає нульовим щодо загального дроту. Після зарядки конденсатора C2 через внутрішній діод польового транзистора до напруги, що перевищує граничну напругу транзистора VT1, його канал стік-витік відкриється. З цього моменту струм навантаження елемента G1 потече через дуже малий опір відкритого каналу.

Далі напруга 5 для живлення вимірювача формує підвищує перетворювач напруги DA1 (HT7750A). Про наявність напруги з його виході сигналізує світлодіод HL1.

У блоці живлення слід встановити дросель L1 з низьким опором постійному струму та високою добротністю. Він має бути розрахований на струм до 2 А, мати магнітопровід у вигляді феритового стрижня і бути намотаний мідним дротом діаметром не менше 0,5 мм. Оксидні конденсатори C1 – C3 – танталові, конденсатор C4 – керамічний.

Замість ОУ серії TSZ12x у вимірювачах концентрації чадного газу можна використовувати інші прецизійні ОУ з можливо меншою напругою усунення нуля та малим вхідним струмом. Резистори R4-R6 (див. рис. 1) та R1-R5, R9-R11 (див. рис. 2) повинні мати відхилення від номіналу не більше 1%.

Примітка. Для надійної роботи автоматичного перемикача живлення затвор транзистора VT1 потрібно з'єднати із загальним дротом (мінусом елемента G1) резистором опором 10...100 кОм. Порогова напруга затвор-виток транзистора КП507А може лежати в межах 0,8...2 В. Якщо у застосованого екземпляра транзистора воно за абсолютним значенням більше, ніж напруга елемента G1, то при роботі від останнього канал транзистора не відкриється і напруга надходитиме на навантаження лише через вбудований захисний діод транзистора. Падіння напруги на цьому діоді (близько 0,6) значно погіршить ККД перетворювача. У такій ситуації краще замінити транзистор на діод Шоттки, аналогічний VD1, підключивши його анодом до плюсу G1, а катодом до точки з'єднання конденсатора C2, катода діода VD1 і дроселя L1.

література

1. Корнєв А. Аналізатор концентрації чадного газу. – Радіо, 2014, № 5, с. 36, 37.
2. Гранично допустимі концентрації (ГДК) забруднюючих речовин у атмосферному повітрі населених місць. Гігієнічні нормативи ГН 2.1.6.1338-03 (утв. головним державним санітарним лікарем РФ 25 червня 2003). - URL: ohranatruda.ru/ot_biblio/normative/data_normativ/42/4-2030/index/php.
3. Гранично допустимі концентрації (ГДК) шкідливих речовин у повітрі робочої зони. Гігієнічні нормативи ГН 2.2.5. 1313-03 (утв. головним державним санітарним лікарем РФ 27 квітня 2003 р.). - URL: norm-load.ru/SNiP/Data1/42/42033/index.htm.
4. MEMBRAPOR Electrochemical gas sensors. Специфікація sheet для CO sensor типу CO/SF-2E-S. - URL: membrapor.ch/sheet/CO-SF-2E-S.pdf.
5. TSZ121, TSZ122, TSZ124 Very high accuracy (5 pV) zero drift micropower 5 V operational amplifiers. - URL: mouser.com/ds/2/389/tsz1 21 -957398.pdf.
6. Електрохімічні осередки 2ФС-90Л. - URL: deltainfo.ru/content/ elektrokhimicheskie-yacheiki-2fs-90l.
7. Electrochemical Sensors Application Note 2 Design Electronics для Electrochemical Gas Sensors. - URL: sgxsensortech. com/content/uploads/2014/08/AN2-Design-of-Electronics-for-Electrochemical-Cells.pdf.
8. Application Note MEM1 Electrochemical Gas Sensor. - URL: membrapor. ch/sheet/Application_Note_MEM1.pdf.
9. Circuit Note CN-0357. - URL: analog. com/m edia/en/reference-design-documentation/reference-designs/CN0357.pdf.
10. AN4348 Application note. Signal conditioning for electrochemical sensors. - URL: st.com/content/ccc/resource/technical/document/application_note/b7-/3a/2b/63/6c/10/46/27/DM00093722.pdf.

Автор: А. Корнєв

Дивіться інші статті розділу Вимірювальна техніка.

Читайте та пишіть корисні коментарі до цієї статті.

<< Назад

Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:

Машина для проріджування квітів у садах 02.05.2024

У сучасному сільському господарстві розвивається технологічний прогрес, спрямований на підвищення ефективності догляду за рослинами. В Італії було представлено інноваційну машину для проріджування квітів Florix, створену з метою оптимізації етапу збирання врожаю. Цей інструмент оснащений мобільними важелями, що дозволяють легко адаптувати його до особливостей саду. Оператор може регулювати швидкість тонких проводів, керуючи ним із кабіни трактора за допомогою джойстика. Такий підхід значно підвищує ефективність процесу проріджування квітів, забезпечуючи можливість індивідуального налаштування під конкретні умови саду, а також сорт та вид фруктів, що вирощуються на ньому. Після дворічних випробувань машини Florix на різних типах плодів результати виявились дуже обнадійливими. Фермери, такі як Філіберто Монтанарі, який використовував машину Florix протягом кількох років, відзначають значне скорочення часу та трудовитрат, необхідних для проріджування кольорів. ...>>

Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону 02.05.2024

Мікроскопи відіграють важливу роль у наукових дослідженнях, дозволяючи вченим занурюватися у світ невидимих ​​для ока структур та процесів. Однак різні методи мікроскопії мають обмеження, і серед них було обмеження дозволу при використанні інфрачервоного діапазону. Але останні досягнення японських дослідників із Токійського університету відкривають нові перспективи вивчення мікросвіту. Вчені з Токійського університету представили новий мікроскоп, який революціонізує можливості мікроскопії в інфрачервоному діапазоні. Цей удосконалений прилад дозволяє побачити внутрішні структури живих бактерій із дивовижною чіткістю в нанометровому масштабі. Зазвичай мікроскопи в середньому інфрачервоному діапазоні обмежені низьким дозволом, але нова розробка японських дослідників дозволяє подолати ці обмеження. За словами вчених, розроблений мікроскоп дозволяє створювати зображення з роздільною здатністю до 120 нанометрів, що в 30 разів перевищує дозвіл традиційних метрів. ...>>

Пастка для комах 01.05.2024

Сільське господарство - одна з ключових галузей економіки, і боротьба зі шкідниками є невід'ємною частиною цього процесу. Команда вчених з Індійської ради сільськогосподарських досліджень – Центрального науково-дослідного інституту картоплі (ICAR-CPRI) у Шимлі представила інноваційне вирішення цієї проблеми – повітряну пастку для комах, яка працює від вітру. Цей пристрій адресує недоліки традиційних методів боротьби зі шкідниками, надаючи дані про популяцію комах у реальному часі. Пастка повністю працює за рахунок енергії вітру, що робить її екологічно чистим рішенням, яке не вимагає електроживлення. Її унікальна конструкція дозволяє відстежувати як шкідливі, так і корисні комахи, забезпечуючи повний огляд популяції в будь-якій сільськогосподарській зоні. "Оцінюючи цільових шкідників у потрібний час, ми можемо вживати необхідних заходів для контролю як комах-шкідників, так і хвороб", - зазначає Капіл. ...>>

Випадкова новина з Архіву Бджоли та математика 30.09.2018 Крихітний мозок – не ознака відсутності інтелекту. Такого висновку дійшли вчені з Франції та Австралії, які вивчили математичні здібності бджіл, а саме їхнє вміння розуміти положення нуля в ряді чисел. Для дослідження застосували білі пластини з крапками. На них у порядку розкладали корм. Справжню їжу розміщували на пластинах із найменшою кількістю чорних крапок. На інших містився розчин хініну. У ході експерименту бджоли досить швидко зрозуміли, що найбільша кількість справжніх ласощів, а не хініну, знаходиться на платівці з нульовим показником, тобто там, де взагалі ніяких точок не було. З цього вчені зробили висновки, що бджоли здатні рахувати до п'яти, а також розуміти, що таке нуль. На думку дослідників, "Нуль" - досить складна математична концепція. Дуже довгий час вважалося, що усвідомити її здатна лише людина, бо має абстрактне мислення. Однак у ході більш ранніх експериментів було доведено, що нуль можуть визначити птахи і мавпи.

Інші цікаві новини:

▪ Робот для домашнього господарства

▪ Новий вид космічної кулі для космічних подорожей

▪ Трансформатор на олії

▪ Фотоелемент на основі графену

▪ Чорний ящик Землі

Стрічка новин науки та техніки, новинок електроніки

Цікаві матеріали Безкоштовної технічної бібліотеки:

▪ розділ сайту Мистецтво аудіо. Добірка статей

▪ стаття Основи гармонійного співіснування суспільства та природи. Основи безпечної життєдіяльності

▪ стаття Що таке родимки? Детальна відповідь

▪ стаття Прибиральник службових приміщень. Типова інструкція з охорони праці

▪ стаття Однотактний ламповий підсилювач на тріодах Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

▪ стаття SSB передавач на 2 м. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

Залишіть свій коментар до цієї статті:

All languages ​​of this page

Arabic	Hebrew	Polish
Bengali	Hindi	Portuguese
Chinese	Italian	Spanish
English	Japanese	Turkish
French	Korean	Ukrainian
German	Malay	Vietnamese

Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт

www.diagram.com.ua
2000-2024