一氧化碳浓度计。方案、说明

一氧化碳浓度计。无线电电子电气工程百科全书

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大家知道，一氧化碳（carbon monoxy，CO）的毒性很大，有毒。超过空气中的允许浓度可能会导致气体污染房间内的人员死亡。这种气体无味无色，特别危险，如果没有特殊仪器（通常使用半导体或电化学传感器）很难及时检测到。

半导体一氧化碳传感器比电化学传感器便宜得多，但通常仅用于发出空气中一氧化碳存在的信号，而不是用于精确测量其浓度，为此必须使用电化学传感器。

如果我们非常简单地描述电化学传感器的工作原理，我们可以说，在其工作过程中，被检测的气体渗透到电极上发生氧化还原反应的区域，从而导致信号的出现。电化学气体传感器由两个或三个浸入电解质中的用于电化学催化反应的电极组成。传感器工作电极上的电压与气体浓度成正比，通过测量该电压即可确定气体浓度。

使用两电极电化学传感器的一氧化碳浓度分析仪的描述发表于[1]。它使用TGS5042传感器，该传感器相对便宜，但灵敏度较低，无法高精度测量低CO浓度。根据监管文件，一氧化碳浓度计必须精确测定其浓度的小值，从毫克每立方米开始（在俄罗斯，空气中污染物的浓度通常以这些单位精确测量，一氧化碳 1 mg/mXNUMX³ = 0,86 ppm）。

文件[2、3]要求露天一氧化碳浓度不超过3mg/mXNUMX³ （每天平均）和 5 mg/m³ （顶峰）。室内空气中浓度不超过20mg/mXNUMX³ 全天，50 mg/mXNUMX³ - 一小时内，100 mg/m³ - 30 分钟内或 200 mg/m³ 15 分钟内该表显示了一些两电极和三电极电化学传感器的灵敏度和最大可测量一氧化碳浓度。

表

传感器	电极数量	灵敏度，nA/ppm	最大限度。测量浓度，ppm
TGS 5042	2	1,2 2,4 ...	10000
TGS 5342	2	0,7 1,4 ...	10000
ECO-Sure (2nd)	2	30 60 ...	1000
一氧化碳/SF-2E	2	80 120 ...	500
2FS-90L	3	100	500
MFS -95	3	200	100
SureCell-CO (H)	3	90 130 ...	500

在此表中列出的两电极传感器中，CO/SF-2E 传感器具有最高的灵敏度 [4]。带有这种传感器的一氧化碳浓度计的示意图如图1所示。 XNUMX.

米。 1、一氧化碳浓度计方案（点击放大）

与[1]中描述的仪表相比，仅元素基础发生了变化。 DA1采用由两个精密运算放大器组成的TSZ122IDT微电路[5]，这使得更高精度地测量一氧化碳浓度成为可能。这些运算放大器的典型输入失调电压为 1 µV，输入电流为 50 pA。运算放大器 DA1.1 将传感器输出电流转换为电压（U_Ø=I_дR4）。选择电阻器 R4 的阻值以提供每 10 mg/m 1 mV 的转换系数³。该指示器是内置数字电压表 SM3D-DV2 (PV1)，测量限值为 1999 mV，可测量高达 199,9 mg/mXNUMX 的一氧化碳浓度³ 分辨率为 0,1 mg/m³.

运放DA1.2和晶体管VT2组成电压比较器。其阈值由电阻器 R5 和 R6 设置为 200 mV，对应于 20 mg/mXNUMX 的一氧化碳浓度³。电阻器 R7 在比较器的开关特性中提供轻微的迟滞，防止其输出电压在工作时跳动。触发比较器打开压电声音发射器 HA1（带有内置发生器），从而产生声音报警信号。通过光耦合器 U1，报警信号被发送到房间通风系统元件（气窗开启器和排气扇）的控制装置。

为了防止传感器 B1 极化，必须在断电时保持其电极连接。为此，设计了一个p沟道场效应晶体管VT1，它在没有电源的情况下打开，但当相对于源极的+5V电压施加到其栅极时关闭。

CO/SF-2E传感器的灵敏度分布达到±20%。因此，有必要根据标准一氧化碳浓度计的读数来校准制造的设备，最好在用于气体控制系统维护的众多实验室之一进行验证。在校准过程中，通过选择电阻R4的阻值来调整器件的灵敏度。设置比较器响应阈值的精度为 ±5% 就足够了。

与二电极传感器相比，三电极传感器具有更高的技术特性，从而提高了测量的准确性。但这种传感器的开关电路比较复杂。若采用俄罗斯产三电极电化学传感器2FS-90L[6]，可按图2所示电路组装成一氧化碳浓度计。 XNUMX.

米。 2. 一氧化碳浓度计示意图（点击放大）

该传感器具有三个电极：W - 测量或工作电极，C - 参比电极，R - 辅助电极。为了给三电极传感器供电，通常使用一个特殊的单元——恒电位仪，它必须准确地确保测量电极相对于参比电极的电位零位移。通常，三电极传感器的恒电位仪是根据标准方案组装的，该方案可以在制造商发布的传感器使用手册中找到[7-10]。

该仪表使用 TSZ124IPT 芯片，其中包含四个与 TSZ122lDT 相同的运算放大器。晶体管 VT1 用于防止传感器极化。电阻分压器 R1R2 和运算放大器 DA1.1 创建一个人工“接地”，其电势等于器件电源电压的一半。运算放大器 DA1.2 和 DA1.3 是恒电位仪元件。电阻器 R9 设置将 W 传感器电极电流转换为电压的系数。与前面的情况一样，如果 R9 = 117 kOhm，一氧化碳浓度为 1 mg/mXNUMX³ 对应于恒电位仪输出端的 10 mV 电压。

2FS-90L传感器的制造商保证其灵敏度为100 nA/ppm，偏差不超过10%。如果这样的测量精度足够，您可以无需校准设备，尽管根据标准仪表的读数进行检查不会有什么坏处。

要测量以 ppm（百万分之一）为单位的一氧化碳浓度，在这两种仪表中，只需减小电阻器的电阻即可，该电阻器将传感器电流到电压的转换系数设置为 100 kOhm（基于比率为 1 毫克/立方米³= 0,86 ppm）。如果需要，可以通过在设备中引入两位电阻开关来提供两种测量刻度。

要为这两个设备供电，您可以使用根据图 3 所示电路组装的不间断电源。 230. 它可以在 1,5 V 的电源和电压为 XNUMX V 的原电池上工作。这使您不仅可以在固定状态下使用仪表，还可以在现场使用仪表。

米。 3. 不间断电源示意图（点击放大）

交直流电压转换器U1（可以是普通的网络适配器）连接到网络后，在输出端产生5V的直流电压，晶体管VT1和肖特基二极管VD1构成电池到电源的自动电源切换。主电源和背部。当转换器U1工作并且其输出端的电压高于原电池G1的电压时，场效应晶体管VT1闭合，因为其栅极和源极之间的电压具有闭合p沟道晶体管的极性。然后通过开路二极管 VD5 提供 1 V 电压。当转换器U1与网络断开时，晶体管VT1的栅极电压相对于公共线变为零。当电容C2通过场效应管内部二极管充电至超过晶体管VT1阈值电压后，其漏源沟道打开。从此时起，元件G1的负载电流将流过极低的明沟电阻。

接下来，升压转换器 DA5 (HT1A) 产生为仪表供电的 7750 V 电压。 LED HL1 指示输出端是否存在电压。

电源中应安装低直流电阻、高Q值的L1电感。它的设计电流必须高达 2 A，具有铁氧体棒形式的磁路，并用直径至少为 0,5 mm 的铜线缠绕。氧化物电容器C1-C3是钽电容器，电容器C4是陶瓷电容器。

一氧化碳仪表中可以使用零失调电压和输入电流可能较低的其他精密运算放大器来代替 TSZ12x 系列运算放大器。电阻器R4-R6（见图1）和R1-R5、R9-R11（见图2）与标称值的偏差必须不大于1%。

注。为了使自动电源开关可靠工作，晶体管 VT1 的栅极必须连接到具有 1...10 kOhm 电阻的公共线（减去元件 G100）。 KP507A 晶体管的阈值栅源电压可以在 0,8...2 V 范围内。如果所应用的晶体管的绝对值大于元件 G1 的电压，则当从后者运行时，晶体管沟道将不开路，电压仅通过晶体管的内置保护二极管提供给负载。该二极管两端的压降（约 0,6V）将显着降低转换器的效率。这种情况，最好将三极管换成肖特基二极管，与VD1类似，阳极接G1的正极，阴极接电容C2的连接点，二极管VD1的阴极和电感器L1。

文学

Kornev A. 一氧化碳浓度分析仪。 - 广播，2014 年，第 5 期，第 36 页37、XNUMX。
人口稠密地区大气中污染物的最大允许浓度 (MPC)。卫生标准 GN 2.1.6.1338-03（25 年 2003 月 42 日俄罗斯联邦国家首席卫生医师批准）。 - 网址：ohranatruda.ru/ot_biblio/normative/data_normativ/4/2030-XNUMX/index/php。
工作区域空气中有害物质最高允许浓度（MAC）。卫生标准 GN 2.2.5。 1313-03（俄罗斯联邦首席国家卫生医生于27年2003月1日批准）。 - URL：norm-load.ru/SNiP/Data42/42033/XNUMX/index.htm。
MEMBRAPOR 电化学气体传感器。 CO/SF-2E-S 型 CO 传感器规格表。 - 网址：membrapor.ch/sheet/CO-SF-2E-S.pdf。
TSZ121、TSZ122、TSZ124 超高精度 (5 pV) 零漂移微功耗 5 V 运算放大器。 - 网址：mouser.com/ds/2/389/tsz1-21.pdf。
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电路笔记 CN-0357。 - URL：模拟。 com/media/en/reference-design-documentation/reference-designs/CN0357.pdf。
AN4348 应用笔记。电化学传感器的信号调理。 - URL：st.com/content/ccc/resource/technical/document/application_note/b7-/3a/2b/63/6c/10/46/27/DM00093722.pdf。

作者：A. Kornev

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