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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Medidores de concentración de monóxido de carbono. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Tecnología de medición Como saben, el monóxido de carbono (monóxido de carbono, CO) es muy tóxico y venenoso. Exceder su concentración permisible en el aire puede provocar la muerte de una persona en una habitación gaseada. Este gas es inodoro e incoloro, lo que lo hace especialmente peligroso, dificultando su detección a tiempo sin instrumentos especiales, que suelen utilizar sensores semiconductores o electroquímicos. Los sensores de monóxido de carbono de semiconductores son mucho más baratos que los electroquímicos, pero se usan, por regla general, solo para señalar la presencia de monóxido de carbono en el aire, pero no para medir con precisión su concentración, para lo cual es necesario usar sensores electroquímicos. Si es extremadamente simple describir el funcionamiento de un sensor electroquímico, podemos decir que durante su funcionamiento, el gas detectado penetra en la zona donde se produce una reacción redox en el electrodo, lo que da lugar a la aparición de una señal. Un sensor de gas electroquímico consta de dos o tres electrodos para una reacción catalítica electroquímica sumergidos en un electrolito. El voltaje en el electrodo de trabajo del sensor es directamente proporcional a la concentración de gas, que se puede determinar midiendo este voltaje. En [1] se publicó una descripción de un analizador de concentración de monóxido de carbono que utiliza un sensor electroquímico de dos electrodos. Utiliza el sensor TGS5042, que es relativamente económico, pero tiene baja sensibilidad, lo que hace imposible medir bajas concentraciones de CO con alta precisión. Y el medidor de concentración de monóxido de carbono, según los documentos reglamentarios, debe determinar con precisión los valores pequeños de su concentración, comenzando con unidades de miligramos por metro cúbico (en Rusia, la concentración de contaminantes en el aire generalmente se mide en tales unidades, para monóxido de carbono 1 mg / m3 = 0,86 ppm). Los documentos [2, 3] exigen que la concentración de monóxido de carbono al aire libre no supere los 3 mg/m3 (promedio diario) y 5 mg/m3 (cima). En el aire interior, la concentración no debe exceder los 20 mg/m3 durante toda la jornada laboral, 50 mg/m3 - dentro de una hora, 100 mg/m3 - dentro de los 30 minutos o 200 mg/m3 dentro de 15 min. La tabla muestra los valores de sensibilidad y la concentración máxima medible de monóxido de carbono para algunos sensores electroquímicos de dos y tres electrodos. Таблица
Entre los sensores de dos electrodos presentados en esta tabla, el sensor de CO/SF-2E tiene la mayor sensibilidad [4]. El esquema del medidor de nivel de concentración de monóxido de carbono con dicho sensor se muestra en la fig. 1.
En comparación con el medidor descrito en [1], solo se ha cambiado la base del elemento. Como DA1, se utilizó un chip TSZ122IDT [5], que consta de dos amplificadores operacionales de precisión, lo que permite medir la concentración de monóxido de carbono con mayor precisión. El valor típico del voltaje de polarización de entrada de estos amplificadores operacionales es de 1 µV y la corriente de entrada es de 50 pA. OU DA1.1 convierte la corriente de salida del sensor en voltaje (UO=IдR4). La resistencia de la resistencia R4 se elige para dar un factor de conversión de 10 mV por 1 mg/m3. El indicador es un voltímetro digital incorporado SM3D-DV2 (PV1) con un límite de medición de 1999 mV, que le permite medir la concentración de monóxido de carbono hasta 199,9 mg/m3 con una resolución de 0,1 mg/m3. El amplificador operacional DA1.2 y el transistor VT2 forman un comparador de voltaje. Su umbral, fijado por las resistencias R5 y R6, es de 200 mV, lo que corresponde a una concentración de monóxido de carbono de 20 mg/m3. La resistencia R7 proporciona una pequeña cantidad de histéresis en la respuesta de conmutación del comparador, lo que evita que el voltaje de salida del comparador rebote cuando se activa. Un comparador disparado enciende el emisor de sonido piezoeléctrico HA1 (con generador incorporado), que emite una señal de alarma audible. A través del optoacoplador U1, la señal de alarma ingresa al dispositivo de control para los elementos del sistema de ventilación de la habitación: abridores de ventanas y ventiladores de escape. Para evitar la polarización del sensor B1, es necesario mantener sus electrodos conectados cuando no hay energía. Para ello se diseña un transistor de efecto de campo VT1 de canal p, el cual se abre en ausencia de alimentación, pero se cierra cuando se le aplica una tensión de +5 V en su compuerta con respecto a la fuente. La dispersión de sensibilidad de los sensores de CO/SF-2E alcanza ±20%. Por lo tanto, es necesario calibrar el instrumento fabricado contra las indicaciones de un medidor de concentración de monóxido de carbono de referencia, preferiblemente verificado en uno de los muchos laboratorios para el mantenimiento de los sistemas de control de gases. Durante el proceso de calibración, la sensibilidad del dispositivo se ajusta seleccionando la resistencia de la resistencia R4. Basta con configurar el umbral del comparador con una precisión de ±5%. Los sensores de tres electrodos, en comparación con los sensores de dos electrodos, tienen características técnicas más altas, lo que aumenta la precisión de las mediciones. Pero el circuito de conmutación de dicho sensor es más complicado. Si se utiliza un sensor electroquímico de tres electrodos de fabricación rusa 2FS-90L [6], el medidor de concentración de monóxido de carbono se puede ensamblar de acuerdo con el circuito que se muestra en la Fig. 2.
Este sensor tiene tres electrodos: W - electrodo de medición o de trabajo, C - electrodo de referencia, R - electrodo auxiliar. Para alimentar un sensor de tres electrodos, generalmente se usa una unidad especial: un potenciostato, que debe proporcionar una compensación cero del potencial del electrodo de medición en relación con el electrodo de referencia con alta precisión. Como regla general, un potenciostato para un sensor de tres electrodos se ensambla de acuerdo con un esquema estándar, que se puede encontrar en los manuales para el uso de sensores publicados por sus fabricantes [7-10]. El medidor utiliza un chip TSZ124IPT que contiene cuatro de los mismos amplificadores operacionales que el TSZ122lDT El transistor VT1 sirve para evitar la polarización del sensor. El divisor de voltaje resistivo R1R2 y el amplificador operacional DA1.1 crean una "tierra" artificial, cuyo potencial es igual a la mitad del voltaje de suministro del dispositivo. Refugio DA1.2 y DA1.3 - elementos del potenciostato. La resistencia R9 establece el coeficiente para convertir la corriente del electrodo del sensor W en voltaje. Como en el caso anterior, si R9=117kΩ, la concentración de monóxido de carbono es de 1mg/m3 corresponde a una tensión de 10 mV a la salida del potenciostato. El fabricante del sensor 2FS-90L garantiza su sensibilidad de 100 nA/ppm con una desviación no superior al 10%. Si dicha precisión de medición es suficiente, es posible prescindir de la calibración del instrumento, aunque su verificación de acuerdo con las lecturas de un medidor estándar no hará daño. Para medir la concentración de monóxido de carbono en ppm (ppm), en ambas versiones del medidor, basta con reducir la resistencia del resistor que establece el factor de conversión de corriente en voltaje del sensor en 100 kOhm (basado en una relación de 1 mg / m3 = 0,86 ppm). Si es necesario, se pueden proporcionar dos escalas de medición introduciendo un interruptor de resistencia de dos posiciones en el dispositivo. Para alimentar ambos dispositivos, puede usar una fuente de alimentación ininterrumpida, ensamblada de acuerdo con el circuito que se muestra en la Fig. 3. Funciona tanto desde una red de ~ 230 V como desde una celda galvánica con un voltaje de 1,5 V. Esto le permite usar el medidor no solo en condiciones estacionarias, sino también en el campo.
El convertidor de CA a CC U1 (puede ser un adaptador de red normal), al estar conectado a la red, genera en la salida un voltaje constante de 5 V. El transistor VT1 y el diodo Schottky VD1 forman un interruptor de alimentación automático de la batería a la red eléctrica y viceversa. Cuando el convertidor U1 está operando y el voltaje en su salida es mayor que el voltaje de la celda galvánica G1, el transistor de efecto de campo VT1 está cerrado, porque el voltaje entre su puerta y fuente tiene un cierre de polaridad para el transistor de canal p. Además, se suministra un voltaje de 5 V a través de un diodo abierto VD1. Cuando el convertidor U1 se desconecta de la red, el voltaje de puerta del transistor VT1 se vuelve cero en relación con el cable común. Después de cargar el capacitor C2 a través del diodo interno del transistor de efecto de campo a un voltaje que excede el voltaje de umbral del transistor VT1, se abrirá su canal de fuente de drenaje. A partir de este momento, la corriente de carga del elemento G1 fluirá a través de la resistencia extremadamente baja del canal abierto. Además, un voltaje de 5 V para alimentar el medidor forma un convertidor de voltaje elevador DA1 (HT7750A). La presencia de tensión en su salida es señalizada por el LED HL1. En la fuente de alimentación se debe instalar un inductor L1 con baja resistencia DC y alto factor Q. Debe estar diseñado para corriente de hasta 2 A, tener un circuito magnético en forma de varilla de ferrita y estar enrollado con alambre de cobre con un diámetro de al menos 0,5 mm. Condensadores de óxido C1 - C3 - tantalio, condensador C4 - cerámica. En lugar del amplificador operacional de la serie TSZ12x, en los medidores de monóxido de carbono se pueden usar otros amplificadores operacionales de precisión con un voltaje de compensación cero posiblemente más bajo y una corriente de entrada baja. Las resistencias R4-R6 (ver Fig. 1) y R1-R5, R9-R11 (ver Fig. 2) deben tener una desviación del valor nominal de no más del 1%. Nota. Para un funcionamiento confiable del interruptor de alimentación automático, la puerta del transistor VT1 debe estar conectada a un cable común (elemento negativo G1) con una resistencia de 10 ... 100 kOhm. El voltaje umbral de la fuente de la puerta del transistor KP507A puede estar en el rango de 0,8 ... 2 V. Si la instancia aplicada del transistor tiene un valor absoluto mayor que el voltaje del elemento G1, entonces, cuando trabaje desde este último, el canal del transistor no se abrirá y el voltaje se suministrará a la carga solo a través del diodo protector incorporado del transistor. Una caída de tensión en este diodo (alrededor de 0,6 V) degradará significativamente la eficiencia del convertidor. En tal situación, es mejor reemplazar el transistor con un diodo Schottky similar a VD1, conectándolo con el ánodo al más de G1, y con el cátodo al punto de conexión del capacitor C2, el cátodo del diodo VD1 y el inductor L1. Literatura
Autor: A. Kornev
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