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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Kohlenmonoxid-Konzentrationsmessgeräte. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Messtechnik Wie Sie wissen, ist Kohlenmonoxid (Kohlenmonoxid, CO) sehr giftig und giftig. Eine Überschreitung der zulässigen Konzentration in der Luft kann zum Tod einer Person in einem vergasten Raum führen. Dieses Gas ist geruchlos und farblos, was es besonders gefährlich macht und es schwierig macht, es ohne spezielle Instrumente, die normalerweise Halbleiter- oder elektrochemische Sensoren verwenden, rechtzeitig zu erkennen. Halbleiter-Kohlenmonoxidsensoren sind viel billiger als elektrochemische, werden aber in der Regel nur zur Signalisierung des Vorhandenseins von Kohlenmonoxid in der Luft verwendet, nicht jedoch zur genauen Messung seiner Konzentration, wofür der Einsatz elektrochemischer Sensoren erforderlich ist. Um die Funktionsweise eines elektrochemischen Sensors ganz einfach zu beschreiben, können wir sagen, dass das detektierte Gas während seines Betriebs in die Zone eindringt, in der an der Elektrode eine Redoxreaktion stattfindet, die zum Auftreten eines Signals führt. Ein elektrochemischer Gassensor besteht aus zwei oder drei Elektroden für eine elektrochemische katalytische Reaktion, die in einen Elektrolyten eingetaucht sind. Die Spannung an der Arbeitselektrode des Sensors ist direkt proportional zur Gaskonzentration, die durch Messung dieser Spannung ermittelt werden kann. Eine Beschreibung eines Kohlenmonoxid-Konzentrationsanalysators, der einen elektrochemischen Sensor mit zwei Elektroden verwendet, wurde in [1] veröffentlicht. Es verwendet den TGS5042-Sensor, der relativ kostengünstig ist, aber eine geringe Empfindlichkeit aufweist, was es unmöglich macht, niedrige CO-Konzentrationen mit hoher Genauigkeit zu messen. Und ein Kohlenmonoxid-Konzentrationsmesser sollte laut behördlichen Dokumenten die kleinen Werte seiner Konzentration genau bestimmen, beginnend mit der Einheit Milligramm pro Kubikmeter (in Russland wird die Konzentration von Schadstoffen in der Luft normalerweise gemessen). solche Einheiten, für Kohlenmonoxid 1 mg/m3 = 0,86 ppm). In den Dokumenten [2, 3] wird gefordert, dass die Konzentration von Kohlenmonoxid in der Außenluft 3 mg/m nicht überschreitet3 (durchschnittlich täglich) und 5 mg/m3 (Gipfel). In der Raumluft sollte die Konzentration 20 mg/mXNUMX nicht überschreiten3 über den gesamten Arbeitstag hinweg 50 mg/m3 - innerhalb einer Stunde 100 mg/m3 - innerhalb von 30 Minuten oder 200 mg/m3 innerhalb von 15 Min. Die Tabelle zeigt die Empfindlichkeitswerte und die maximal messbare Kohlenmonoxidkonzentration für einige elektrochemische Sensoren mit zwei und drei Elektroden. Tabelle
Unter den in dieser Tabelle vorgestellten Zwei-Elektroden-Sensoren weist der CO/SF-2E-Sensor die höchste Empfindlichkeit auf [4]. Das Schema des Kohlenmonoxid-Konzentrationspegelmessers mit einem solchen Sensor ist in Abb. 1 dargestellt. XNUMX.
Gegenüber dem in [1] beschriebenen Messgerät wurde lediglich die Elementbasis geändert. Als DA1 wurde ein TSZ122IDT-Chip [5] verwendet, der aus zwei Präzisions-Operationsverstärkern besteht, was eine Messung der Kohlenmonoxidkonzentration mit höherer Genauigkeit ermöglicht. Der typische Wert der Eingangsvorspannung dieser Operationsverstärker beträgt 1 µV und der Eingangsstrom beträgt 50 pA. OU DA1.1 wandelt den Ausgangsstrom des Sensors in Spannung (UO=IдR4). Der Widerstandswert des Widerstands R4 ist so gewählt, dass sich ein Umrechnungsfaktor von 10 mV pro 1 mg/m ergibt3. Der Indikator ist ein eingebautes digitales Voltmeter SM3D-DV2 (PV1) mit einer Messgrenze von 1999 mV, mit dem Sie die Kohlenmonoxidkonzentration bis zu 199,9 mg/m messen können3 mit einer Auflösung von 0,1 mg/m3. Operationsverstärker DA1.2 und Transistor VT2 bilden einen Spannungskomparator. Sein durch die Widerstände R5 und R6 eingestellter Schwellenwert liegt bei 200 mV, was einer Kohlenmonoxidkonzentration von 20 mg/m entspricht3. Der Widerstand R7 sorgt für eine kleine Hysterese im Schaltverhalten des Komparators und verhindert so, dass die Ausgangsspannung des Komparators beim Auslösen springt. Ein ausgelöster Komparator schaltet den Piezo-Schallgeber HA1 (mit eingebautem Generator) ein, der ein akustisches Alarmsignal abgibt. Über den Optokoppler U1 gelangt das Alarmsignal in das Steuergerät für die Elemente des Lüftungssystems des Raumes – Oberlichtfensteröffner und Abluftventilatoren. Um eine Polarisierung des Sensors B1 zu verhindern, müssen die Elektroden im ausgeschalteten Zustand angeschlossen bleiben. Hierzu ist ein p-Kanal-Feldeffekttransistor VT1 konzipiert, der bei fehlender Stromversorgung geöffnet ist, sich jedoch schließt, wenn an seinem Gate eine Spannung von +5 V relativ zur Source angelegt wird. Die Empfindlichkeitsspanne der CO/SF-2E-Sensoren beträgt ±20 %. Daher ist es notwendig, das hergestellte Instrument anhand der Anzeigen eines Referenzmessgeräts für die Kohlenmonoxidkonzentration zu kalibrieren, das vorzugsweise in einem der vielen Labore für die Wartung von Gaskontrollsystemen überprüft wird. Während des Kalibrierungsprozesses wird die Empfindlichkeit des Geräts durch Auswahl des Widerstandswerts des Widerstands R4 angepasst. Es reicht aus, die Ansprechschwelle des Komparators mit einer Genauigkeit von ±5 % einzustellen. Drei-Elektroden-Sensoren weisen im Vergleich zu Zwei-Elektroden-Sensoren höhere technische Eigenschaften auf, was die Messgenauigkeit erhöht. Der Schaltkreis eines solchen Sensors ist jedoch komplizierter. Wenn ein in Russland hergestellter elektrochemischer Drei-Elektroden-Sensor 2FS-90L [6] verwendet wird, kann das Kohlenmonoxid-Konzentrationsmessgerät gemäß der in Abb. gezeigten Schaltung zusammengebaut werden. 2.
Dieser Sensor verfügt über drei Elektroden: W – Mess- oder Arbeitselektrode, C – Referenzelektrode, R – Hilfselektrode. Um einen Drei-Elektroden-Sensor mit Strom zu versorgen, wird üblicherweise eine spezielle Einheit verwendet – ein Potentiostat, der mit hoher Genauigkeit für einen Null-Offset des Potentials der Messelektrode relativ zur Referenzelektrode sorgen muss. In der Regel wird ein Potentiostat für einen Drei-Elektroden-Sensor nach einem Standardschema zusammengebaut, das in den von den Herstellern veröffentlichten Handbüchern für den Einsatz von Sensoren zu finden ist [7-10]. Das Messgerät verwendet einen TSZ124IPT-Chip, der vier der gleichen Operationsverstärker wie im TSZ122lDT enthält. Der Transistor VT1 dient dazu, eine Sensorpolarisierung zu verhindern. Der Widerstandsspannungsteiler R1R2 und der Operationsverstärker DA1.1 erzeugen eine künstliche „Masse“, deren Potenzial der halben Versorgungsspannung des Geräts entspricht. Shelter DA1.2 und DA1.3 - Elemente des Potentiostaten. Der Widerstand R9 legt den Koeffizienten zur Umwandlung des W-Sensor-Elektrodenstroms in Spannung fest. Wie im vorherigen Fall beträgt die Kohlenmonoxidkonzentration 9 mg/m, wenn R117=1 kΩ3 entspricht einer Spannung von 10 mV am Ausgang des Potentiostaten. Der Hersteller des 2FS-90L-Sensors garantiert eine Empfindlichkeit von 100 nA/ppm mit einer Abweichung von nicht mehr als 10 %. Wenn diese Messgenauigkeit ausreichend ist, kann auf die Kalibrierung des Geräts verzichtet werden, eine Überprüfung anhand der Messwerte eines Standardmessgeräts schadet jedoch nicht. Um die Kohlenmonoxidkonzentration in ppm (ppm) zu messen, reicht es bei beiden Versionen des Messgeräts aus, den Widerstand des Widerstands zu reduzieren, der den Strom-Spannungs-Umwandlungsfaktor des Sensors auf 100 kOhm einstellt (basierend auf einem Verhältnis von 1 mg/m3 = 0,86 ppm). Bei Bedarf können zwei Messskalen bereitgestellt werden, indem ein Zwei-Positions-Widerstandsschalter in das Gerät eingebaut wird. Um beide Geräte mit Strom zu versorgen, können Sie eine unterbrechungsfreie Stromversorgung verwenden, die gemäß der in Abb. gezeigten Schaltung aufgebaut ist. 3. Es funktioniert sowohl mit dem Netz ~ 230 V als auch mit einer galvanischen Zelle mit einer Spannung von 1,5 V. Dadurch können Sie das Messgerät nicht nur stationär, sondern auch im Feld einsetzen.
Der an das Netzwerk angeschlossene AC-DC-Wandler U1 (dies kann ein normaler Netzwerkadapter sein) erzeugt am Ausgang eine konstante Spannung von 5 V. Der Transistor VT1 und die Schottky-Diode VD1 bilden einen automatischen Batterie-Leistungsschalter ans Stromnetz und umgekehrt. Wenn der Wandler U1 in Betrieb ist und die Spannung an seinem Ausgang höher ist als die Spannung der galvanischen Zelle G1, ist der Feldeffekttransistor VT1 geschlossen, da die Spannung zwischen seinem Gate und seiner Source eine für den p-Kanal-Transistor schließende Polarität aufweist . Über eine offene Diode VD5 wird weiterhin eine Spannung von 1 V zugeführt. Wenn der Wandler U1 vom Netzwerk getrennt wird, wird die Gate-Spannung des Transistors VT1 relativ zum gemeinsamen Draht Null. Nachdem der Kondensator C2 über die interne Diode des Feldeffekttransistors auf eine Spannung aufgeladen wurde, die die Schwellenspannung des Transistors VT1 überschreitet, öffnet sich sein Drain-Source-Kanal. Ab diesem Zeitpunkt fließt der Laststrom des Elements G1 durch den extrem niedrigen Widerstand des offenen Kanals. Darüber hinaus bildet ein Aufwärtsspannungswandler DA5 (HT1A) eine Spannung von 7750 V zur Versorgung des Messgeräts. Das Vorhandensein von Spannung an seinem Ausgang wird durch die LED HL1 signalisiert. Im Netzteil sollte eine L1-Induktivität mit niedrigem Gleichstromwiderstand und hohem Q-Faktor verbaut werden. Es muss für Stromstärken bis 2 A ausgelegt sein, über einen Magnetkreis in Form eines Ferritstabs verfügen und mit Kupferdraht mit einem Durchmesser von mindestens 0,5 mm umwickelt sein. Oxidkondensatoren C1 - C3 - Tantal, Kondensator C4 - Keramik. Anstelle des Operationsverstärkers der TSZ12x-Serie können in Kohlenmonoxidmessgeräten auch andere Präzisionsoperationsverstärker mit möglicherweise niedrigerer Nullpunktspannung und niedrigem Eingangsstrom verwendet werden. Die Widerstände R4-R6 (siehe Abb. 1) und R1-R5, R9-R11 (siehe Abb. 2) dürfen eine Abweichung vom Nennwert von nicht mehr als 1 % aufweisen. Hinweis. Für einen zuverlässigen Betrieb des automatischen Netzschalters muss das Gate des Transistors VT1 mit einem Widerstand von 1 ... 10 kOhm an eine gemeinsame Leitung (Minuselement G100) angeschlossen werden. Die Schwellen-Gate-Source-Spannung des KP507A-Transistors kann im Bereich von 0,8 ... 2 V liegen. Wenn sie für die angelegte Instanz des Transistors im Absolutwert größer ist als die Spannung des G1-Elements, dann beim Betrieb von Letzteres öffnet den Transistorkanal nicht und die Spannung wird der Last nur über die eingebaute Schutzdiode des Transistors zugeführt. Ein Spannungsabfall an dieser Diode (ca. 0,6 V) verschlechtert den Wirkungsgrad des Wandlers erheblich. In einer solchen Situation ist es besser, den Transistor durch eine Schottky-Diode ähnlich VD1 zu ersetzen und ihn mit der Anode mit dem Plus von G1 und mit der Kathode mit dem Verbindungspunkt des Kondensators C2, der Kathode der VD1-Diode, zu verbinden und der Induktor L1. Literatur
Autor: A. Kornew
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