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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Medidores de concentração de monóxido de carbono. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Tecnologia de medição Como você sabe, o monóxido de carbono (monóxido de carbono, CO) é muito tóxico e venenoso. Exceder sua concentração permitida no ar pode levar à morte de uma pessoa em uma sala gaseada. Esse gás é inodoro e incolor, o que o torna especialmente perigoso, dificultando sua detecção a tempo sem instrumentos especiais, que costumam usar sensores semicondutores ou eletroquímicos. Os sensores semicondutores de monóxido de carbono são muito mais baratos que os eletroquímicos, mas são utilizados, via de regra, apenas para sinalizar a presença de monóxido de carbono no ar, mas não para medir com precisão sua concentração, para a qual é necessário o uso de sensores eletroquímicos. Se é extremamente simples descrever o funcionamento de um sensor eletroquímico, podemos dizer que durante seu funcionamento, o gás detectado penetra na zona onde ocorre uma reação redox no eletrodo, o que leva ao aparecimento de um sinal. Um sensor de gás eletroquímico consiste em dois ou três eletrodos para uma reação catalítica eletroquímica imersa em um eletrólito. A tensão no eletrodo de trabalho do sensor é diretamente proporcional à concentração de gás, que pode ser determinada pela medição dessa tensão. Uma descrição de um analisador de concentração de monóxido de carbono usando um sensor eletroquímico de dois eletrodos foi publicada em [1]. Ele usa o sensor TGS5042, que é relativamente barato, mas tem baixa sensibilidade, o que impossibilita a medição de baixas concentrações de CO com alta precisão. E o medidor de concentração de monóxido de carbono, de acordo com documentos regulamentares, deve determinar com precisão os pequenos valores de sua concentração, começando com unidades de miligramas por metro cúbico (na Rússia, a concentração de poluentes no ar geralmente é medida em tais unidades, para monóxido de carbono 1 mg / m3 = 0,86 ppm). Os documentos [2, 3] exigem que a concentração de monóxido de carbono ao ar livre não exceda 3 mg/m3 (média diária) e 5 mg/m3 (pico). No ar interno, a concentração não deve exceder 20 mg/m3 durante todo o dia de trabalho, 50 mg/m3 - dentro de uma hora, 100 mg/m3 - dentro de 30 minutos ou 200 mg/m3 dentro de 15 min. A tabela mostra os valores de sensibilidade e a concentração máxima mensurável de monóxido de carbono para alguns sensores eletroquímicos de dois e três eletrodos. mesa
Dentre os sensores de dois eletrodos apresentados nesta tabela, o sensor CO/SF-2E possui a maior sensibilidade [4]. O esquema do medidor de nível de concentração de monóxido de carbono com tal sensor é mostrado na fig. 1.
Em comparação com o medidor descrito em [1], apenas a base do elemento foi alterada. Como DA1, foi utilizado um chip TSZ122IDT [5], que consiste em dois amplificadores operacionais de precisão, o que possibilita medir a concentração de monóxido de carbono com maior precisão. O valor típico da tensão de polarização de entrada desses amplificadores operacionais é de 1 µV e a corrente de entrada é de 50 pA. OU DA1.1 converte a corrente de saída do sensor em tensão (UO=IдR4). A resistência do resistor R4 é escolhida para dar um fator de conversão de 10 mV por 1 mg/m3. O indicador é um voltímetro digital embutido SM3D-DV2 (PV1) com um limite de medição de 1999 mV, que permite medir a concentração de monóxido de carbono até 199,9 mg/m3 com resolução de 0,1 mg/m3. Op-amp DA1.2 e transistor VT2 formam um comparador de tensão. Seu limite, definido pelos resistores R5 e R6, é de 200 mV, o que corresponde a uma concentração de monóxido de carbono de 20 mg/m3. O resistor R7 fornece uma pequena quantidade de histerese na resposta de comutação do comparador, evitando que a tensão de saída do comparador salte quando acionada. Um comparador acionado liga o emissor de som piezo HA1 (com gerador embutido), que emite um sinal de alarme audível. Através do optoacoplador U1, o sinal de alarme entra no dispositivo de controle dos elementos do sistema de ventilação da sala - abridores de janelas e exaustores. Para evitar a polarização do sensor B1, é necessário manter seus eletrodos conectados quando a energia estiver desligada. Para isso, é projetado um transistor de efeito de campo de canal p VT1, que é aberto na ausência de energia, mas fecha quando uma tensão de +5 V é aplicada em sua porta em relação à fonte. A propagação da sensibilidade dos sensores CO/SF-2E atinge ±20%. Portanto, é necessário calibrar o instrumento fabricado contra as indicações de um medidor de concentração de monóxido de carbono de referência, preferencialmente verificado em um dos muitos laboratórios de manutenção de sistemas de controle de gás. Durante o processo de calibração, a sensibilidade do dispositivo é ajustada selecionando a resistência do resistor R4. Basta definir o limiar do comparador com uma precisão de ±5%. Os sensores de três eletrodos, em comparação com os sensores de dois eletrodos, possuem características técnicas superiores, o que aumenta a precisão das medições. Mas o circuito de comutação de tal sensor é mais complicado. Se um sensor eletroquímico de três eletrodos fabricado na Rússia 2FS-90L [6] for usado, o medidor de concentração de monóxido de carbono pode ser montado de acordo com o circuito mostrado na Fig. 2.
Este sensor possui três eletrodos: W - eletrodo de medição ou trabalho, C - eletrodo de referência, R - eletrodo auxiliar. Para alimentar um sensor de três eletrodos, geralmente é usada uma unidade especial - um potenciostato, que deve fornecer um deslocamento zero do potencial do eletrodo de medição em relação ao eletrodo de referência com alta precisão. Via de regra, um potenciostato para sensor de três eletrodos é montado de acordo com um esquema padrão, que pode ser encontrado nos manuais de uso de sensores publicados por seus fabricantes [7-10]. O medidor usa um chip TSZ124IPT contendo quatro dos mesmos amplificadores operacionais do TSZ122lDT. O transistor VT1 serve para evitar a polarização do sensor. O divisor de tensão resistivo R1R2 e o amplificador operacional DA1.1 criam um "terra" artificial, cujo potencial é igual à metade da tensão de alimentação do dispositivo. Abrigo DA1.2 e DA1.3 - elementos do potenciostato. O resistor R9 define o coeficiente para converter a corrente do eletrodo do sensor W em tensão. Como no caso anterior, se R9=117kΩ, a concentração de monóxido de carbono é 1mg/m3 corresponde a uma tensão de 10 mV na saída do potenciostato. O fabricante do sensor 2FS-90L garante sua sensibilidade de 100 nA/ppm com desvio não superior a 10%. Se tal precisão de medição for suficiente, é possível dispensar a calibração do instrumento, embora sua verificação de acordo com as leituras de um medidor padrão não prejudique. Para medir a concentração de monóxido de carbono em ppm (ppm), em ambas as versões do medidor, basta reduzir a resistência do resistor que define o fator de conversão corrente-tensão do sensor para 100 kOhm (baseado em uma relação de 1mg/m3 = 0,86 ppm). Se necessário, duas escalas de medição podem ser fornecidas introduzindo uma chave de resistência de duas posições no dispositivo. Para alimentar ambos os dispositivos, pode-se utilizar uma fonte de alimentação ininterrupta, montada conforme o circuito mostrado na Fig. 3. Funciona tanto em uma rede de ~ 230 V quanto em uma célula galvânica com tensão de 1,5 V. Isso permite que você use o medidor não apenas em condições estacionárias, mas também em campo.
O conversor AC-DC U1 (pode ser um adaptador de rede comum), sendo conectado à rede, gera uma tensão constante de 5 V na saída. O transistor VT1 e o diodo Schottky VD1 formam um interruptor automático da bateria à rede elétrica e vice-versa. Quando o conversor U1 está operando e a tensão em sua saída é maior que a tensão da célula galvânica G1, o transistor de efeito de campo VT1 é fechado, pois a tensão entre sua porta e fonte tem um fechamento de polaridade para o transistor de canal p . Uma tensão de 5 V é fornecida ainda através de um diodo aberto VD1. Quando o conversor U1 é desconectado da rede, a tensão da porta do transistor VT1 torna-se zero em relação ao fio comum. Depois de carregar o capacitor C2 através do diodo interno do transistor de efeito de campo para uma tensão superior à tensão limite do transistor VT1, seu canal de fonte de dreno será aberto. A partir deste ponto, a corrente de carga do elemento G1 fluirá pela baixíssima resistência do canal aberto. Além disso, uma tensão de 5 V para alimentar o medidor forma um conversor de tensão elevador DA1 (HT7750A). A presença de tensão em sua saída é sinalizada pelo LED HL1. Na fonte de alimentação deve ser instalado um indutor L1 com baixa resistência CC e alto fator Q. Deve ser projetado para corrente de até 2 A, possuir circuito magnético em forma de haste de ferrite e ser enrolado com fio de cobre com diâmetro mínimo de 0,5 mm. Capacitores de óxido C1 - C3 - tântalo, capacitor C4 - cerâmica. Em vez do amplificador operacional da série TSZ12x, outros amplificadores operacionais de precisão com tensão de deslocamento zero possivelmente mais baixa e baixa corrente de entrada podem ser usados em medidores de monóxido de carbono. Os resistores R4-R6 (ver Fig. 1) e R1-R5, R9-R11 (ver Fig. 2) devem ter um desvio do valor nominal não superior a 1%. Nota. Para uma operação confiável do interruptor de alimentação automático, o portão do transistor VT1 deve ser conectado a um fio comum (menos o elemento G1) com um resistor de 10 ... 100 kOhm. A tensão limite da fonte de porta do transistor KP507A pode estar na faixa de 0,8 ... 2 V. Se para a instância aplicada do transistor for maior em valor absoluto do que a tensão do elemento G1, então, ao trabalhar a partir do último, o canal do transistor não abrirá e a tensão será fornecida para carregar apenas através do diodo de proteção embutido no transistor. Uma queda de tensão neste diodo (cerca de 0,6 V) degradará significativamente a eficiência do conversor. Em tal situação, é melhor substituir o transistor por um diodo Schottky semelhante ao VD1, conectando-o com o ânodo ao plus de G1 e com o cátodo ao ponto de conexão do capacitor C2, o cátodo do diodo VD1 e o indutor L1. Literatura
Autor: A. Kornev
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