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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Misuratori di concentrazione di monossido di carbonio. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Tecnologia di misurazione Come sapete, il monossido di carbonio (monossido di carbonio, CO) è molto tossico e velenoso. Il superamento della concentrazione consentita nell'aria può portare alla morte di una persona in una stanza contaminata da gas. Questo gas è inodore e incolore, il che lo rende particolarmente pericoloso, rendendolo difficile da rilevare in modo tempestivo senza strumenti speciali, che tipicamente utilizzano sensori a semiconduttore o elettrochimici. I sensori di monossido di carbonio a semiconduttore sono molto più economici di quelli elettrochimici, ma vengono solitamente utilizzati solo per segnalare la presenza di monossido di carbonio nell'aria, ma non per misurarne con precisione la concentrazione, per la quale è necessario utilizzare sensori elettrochimici. Se descriviamo il funzionamento di un sensore elettrochimico in modo estremamente semplice, possiamo dire che durante il suo funzionamento, il gas rilevato penetra nella zona dove avviene una reazione di ossido-riduzione sull'elettrodo, che porta alla comparsa di un segnale. Un sensore di gas elettrochimico è costituito da due o tre elettrodi per una reazione catalitica elettrochimica, immersi in un elettrolita. La tensione sull'elettrodo di lavoro del sensore è direttamente proporzionale alla concentrazione del gas, che può essere determinata misurando questa tensione. Una descrizione di un analizzatore di concentrazione di monossido di carbonio che utilizza un sensore elettrochimico a due elettrodi è stata pubblicata in [1]. Utilizza il sensore TGS5042, che è relativamente economico, ma ha una bassa sensibilità, che non consente di misurare basse concentrazioni di CO con elevata precisione. E il misuratore di concentrazione di monossido di carbonio, secondo i documenti normativi, deve determinare valori precisamente piccoli della sua concentrazione, a partire da unità di milligrammi per metro cubo (in Russia, la concentrazione di inquinanti nell'aria viene solitamente misurata proprio in queste unità, per il monossido di carbonio 1 mg/m3 = 0,86 ppm). I documenti [2, 3] richiedono che la concentrazione di monossido di carbonio nell'aria aperta non superi 3 mg/m3 (media giornaliera) e 5 mg/mXNUMX3 (picco). Nell'aria interna la concentrazione non deve superare i 20 mg/m3 durante tutta la giornata lavorativa, 50 mg/m3 - entro un'ora, 100 mg/mXNUMX3 - entro 30 minuti o 200 mg/mXNUMX3 entro 15 minuti La tabella mostra la sensibilità e le concentrazioni massime di monossido di carbonio misurabili per alcuni sensori elettrochimici a due e tre elettrodi. tavolo
Tra i sensori a due elettrodi presentati in questa tabella, il sensore CO/SF-2E ha la sensibilità più alta [4]. Lo schema di un misuratore di livello di concentrazione di monossido di carbonio con tale sensore è mostrato in Fig. 1.
Rispetto al contatore descritto in [1] è stata modificata solo la base dell'elemento. Come DA1 è stato utilizzato il microcircuito TSZ122IDT [5], costituito da due amplificatori operazionali di precisione, che consente di misurare la concentrazione di monossido di carbonio con maggiore precisione. La tipica tensione di offset in ingresso di questi amplificatori operazionali è 1 µV e la corrente in ingresso è 50 pA. L'amplificatore operazionale DA1.1 converte la corrente di uscita del sensore in tensione (UO=IдR4). Il valore del resistore R4 viene scelto per fornire un fattore di conversione di 10 mV per 1 mg/m3. L'indicatore è un voltmetro digitale incorporato SM3D-DV2 (PV1) con limite di misura di 1999 mV, che consente di misurare concentrazioni di monossido di carbonio fino a 199,9 mg/m3 con una risoluzione di 0,1 mg/mXNUMX3. L'amplificatore operazionale DA1.2 e il transistor VT2 formano un comparatore di tensione. La sua soglia di risposta, fissata dai resistori R5 e R6, è di 200 mV, che corrisponde ad una concentrazione di monossido di carbonio di 20 mg/m3. Il resistore R7 fornisce una leggera isteresi nella caratteristica di commutazione del comparatore, impedendo che la sua tensione di uscita rimbalzi al momento del funzionamento. Un comparatore attivato accende l'emettitore sonoro piezoelettrico HA1 (con un generatore integrato), che genera un segnale di allarme acustico. Attraverso il fotoaccoppiatore U1, il segnale di allarme viene inviato al dispositivo di controllo per gli elementi del sistema di ventilazione della stanza - vasistas e aspiratori. Per evitare la polarizzazione del sensore B1, è necessario mantenere i suoi elettrodi collegati tra loro quando l'alimentazione è spenta. A tale scopo, è progettato il transistor ad effetto di campo a canale P VT1, aperto in assenza di alimentazione, ma chiuso quando viene applicata una tensione di +5 V al suo gate rispetto alla sorgente. L'intervallo di sensibilità dei sensori CO/SF-2E raggiunge ±20%. Pertanto, è necessario calibrare il dispositivo prodotto in base alle letture di un misuratore di concentrazione di monossido di carbonio standard, preferibilmente verificato in uno dei tanti laboratori per la manutenzione dei sistemi di controllo del gas. Durante il processo di calibrazione, la sensibilità del dispositivo viene regolata selezionando la resistenza del resistore R4. È sufficiente impostare la soglia di risposta del comparatore con una precisione del ±5%. I sensori a tre elettrodi, rispetto a quelli a due elettrodi, hanno caratteristiche tecniche più elevate, che aumentano la precisione delle misurazioni. Ma lo schema di collegamento di un tale sensore è più complicato. Se si utilizza un sensore elettrochimico a tre elettrodi di fabbricazione russa 2FS-90L [6], un misuratore di concentrazione di monossido di carbonio può essere assemblato secondo il circuito mostrato in Fig. 2.
Questo sensore ha tre elettrodi: W - elettrodo di misurazione o di lavoro, C - elettrodo di riferimento, R - elettrodo ausiliario. Per alimentare un sensore a tre elettrodi, viene solitamente utilizzata un'unità speciale: un potenziostato, che deve garantire con precisione uno spostamento pari a zero del potenziale dell'elettrodo di misurazione rispetto all'elettrodo di riferimento. Di norma, un potenziostato per un sensore a tre elettrodi è assemblato secondo uno schema standard, che può essere trovato nei manuali per l'uso dei sensori pubblicati dai rispettivi produttori [7-10]. Lo strumento utilizza un microcircuito TSZ124IPT contenente quattro degli stessi amplificatori operazionali del TSZ122lDT.Il transistor VT1 serve a prevenire la polarizzazione del sensore. Il partitore di tensione resistivo R1R2 e l'amplificatore operazionale DA1.1 creano una "terra" artificiale, il cui potenziale è pari alla metà della tensione di alimentazione del dispositivo. Gli amplificatori operazionali DA1.2 e DA1.3 sono elementi potenziostati. Il resistore R9 imposta il coefficiente di conversione della corrente dell'elettrodo del sensore W in tensione. Come nel caso precedente, se R9 = 117 kOhm, la concentrazione di monossido di carbonio è 1 mg/m3 corrisponde ad una tensione di 10 mV all'uscita del potenziostato. Il produttore del sensore 2FS-90L garantisce la sua sensibilità di 100 nA/ppm con una deviazione non superiore al 10%. Se tale precisione di misurazione è sufficiente, puoi fare a meno di calibrare il dispositivo, anche se confrontarlo con le letture di un contatore standard non farà male. Per misurare la concentrazione di monossido di carbonio in ppm (parti per milione), in entrambe le versioni del misuratore è sufficiente ridurre la resistenza del resistore che fissa a 100 kOhm il coefficiente di conversione della corrente del sensore in tensione (in base alla rapporto di 1 mg/m3 = 0,86 ppm). Se necessario è possibile prevedere due scale di misura inserendo nel dispositivo un interruttore resistivo a due posizioni. Per alimentare entrambi i dispositivi è possibile utilizzare un gruppo di continuità, assemblato secondo lo schema mostrato in Fig. 3. Funziona sia da una rete di ~230 V che da una cella galvanica con una tensione di 1,5 V. Ciò consente di utilizzare il contatore non solo in condizioni stazionarie, ma anche sul campo.
Il convertitore di tensione CA-CC U1 (può essere un normale adattatore di rete), quando collegato alla rete, genera in uscita una tensione CC di 5 V. Il transistor VT1 e il diodo Schottky VD1 formano un interruttore automatico di alimentazione dalla batteria a alimentazione e ritorno. Quando il convertitore U1 è in funzione e la tensione alla sua uscita è superiore alla tensione dell'elemento galvanico G1, il transistor ad effetto di campo VT1 è chiuso, poiché la tensione tra gate e source ha una polarità che chiude il transistor a canale p . La tensione di 5 V viene quindi fornita attraverso il diodo aperto VD1. Quando il convertitore U1 è disconnesso dalla rete, la tensione al gate del transistor VT1 diventa zero rispetto al filo comune. Dopo aver caricato il condensatore C2 attraverso il diodo interno del transistor ad effetto di campo ad una tensione superiore alla tensione di soglia del transistor VT1, il suo canale drain-source si aprirà. Da questo punto in poi, la corrente di carico dell'elemento G1 scorrerà attraverso la resistenza estremamente bassa del canale aperto. Successivamente, una tensione di 5 V per alimentare il contatore viene generata da un convertitore di tensione step-up DA1 (HT7750A). La presenza di tensione alla sua uscita è segnalata dal LED HL1. L'alimentatore deve essere dotato di induttore L1 con bassa resistenza CC e fattore di alta qualità. Deve essere progettato per una corrente fino a 2 A, avere un nucleo magnetico sotto forma di barra di ferrite ed essere avvolto con filo di rame con un diametro di almeno 0,5 mm. I condensatori all'ossido C1 - C3 sono al tantalio, il condensatore C4 è ceramico. Invece dell'amplificatore operazionale della serie TSZ12x, nei misuratori di concentrazione di monossido di carbonio è possibile utilizzare altri amplificatori operazionali di precisione con la tensione di offset più bassa possibile e una corrente di ingresso bassa. I resistori R4-R6 (vedi Fig. 1) e R1-R5, R9-R11 (vedi Fig. 2) devono avere una deviazione dal valore nominale non superiore all'1%. Nota. Per un funzionamento affidabile dell'interruttore automatico, il gate del transistor VT1 deve essere collegato al filo comune (meno dell'elemento G1) con un resistore con una resistenza di 10...100 kOhm. La tensione di soglia gate-source del transistor KP507A può essere compresa tra 0,8 e 2 V. Se il transistor applicato ha un valore assoluto maggiore della tensione dell'elemento G1, quando si opera da quest'ultimo, il canale del transistor lo farà non aperto e la tensione verrà fornita al carico solo attraverso il diodo di protezione integrato nel transistor. La caduta di tensione su questo diodo (circa 0,6 V) degraderà in modo significativo l'efficienza del convertitore. In una situazione del genere, è meglio sostituire il transistor con un diodo Schottky, simile a VD1, collegandolo con l'anodo al positivo di G1 e il catodo al punto di connessione del condensatore C2, il catodo del diodo VD1 e l'induttore L1. Letteratura
Autore: A. Kornev
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