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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Compteurs de concentration de monoxyde de carbone. Encyclopédie de la radioélectronique et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Technique de mesure Comme vous le savez, le monoxyde de carbone (monoxyde de carbone, CO) est très toxique et toxique. Le dépassement de sa concentration admissible dans l'air peut entraîner la mort d'une personne se trouvant dans une pièce contaminée par des gaz. Ce gaz est inodore et incolore, ce qui le rend particulièrement dangereux et difficile à détecter à temps sans instruments spéciaux, qui utilisent généralement des capteurs semi-conducteurs ou électrochimiques. Les capteurs de monoxyde de carbone à semi-conducteurs sont beaucoup moins chers que les capteurs électrochimiques, mais ils sont généralement utilisés uniquement pour signaler la présence de monoxyde de carbone dans l'air, mais pas pour mesurer avec précision sa concentration, pour laquelle il est nécessaire d'utiliser des capteurs électrochimiques. Si l'on décrit le fonctionnement d'un capteur électrochimique de manière extrêmement simple, on peut dire que lors de son fonctionnement, le gaz détecté pénètre dans la zone où se produit une réaction d'oxydo-réduction sur l'électrode, ce qui conduit à l'apparition d'un signal. Un capteur de gaz électrochimique se compose de deux ou trois électrodes pour une réaction catalytique électrochimique, immergées dans un électrolyte. La tension à l'électrode de travail du capteur est directement proportionnelle à la concentration de gaz, qui peut être déterminée en mesurant cette tension. Une description d'un analyseur de concentration de monoxyde de carbone utilisant un capteur électrochimique à deux électrodes a été publiée dans [1]. Il utilise le capteur TGS5042, relativement peu coûteux, mais de faible sensibilité, ce qui ne permet pas de mesurer de faibles concentrations de CO avec une grande précision. Et le compteur de concentration de monoxyde de carbone, selon les documents réglementaires, doit déterminer avec précision de petites valeurs de sa concentration, à partir d'unités de milligrammes par mètre cube (en Russie, la concentration de polluants dans l'air est généralement mesurée précisément dans ces unités, pour le monoxyde de carbone 1 mg/m3 = 0,86 ppm). Les documents [2, 3] exigent que la concentration de monoxyde de carbone à l'air libre ne dépasse pas 3 mg/m3 (moyenne quotidienne) et 5 mg/m3 (culminer). Dans l'air intérieur, la concentration ne doit pas dépasser 20 mg/m3 tout au long de la journée de travail, 50 mg/m3 - en une heure, 100 mg/m3 - dans les 30 minutes ou 200 mg/m3 dans les 15 minutes. Le tableau montre la sensibilité et les concentrations maximales mesurables de monoxyde de carbone pour certains capteurs électrochimiques à deux et trois électrodes. Таблица
Parmi les capteurs à deux électrodes présentés dans ce tableau, le capteur CO/SF-2E a la sensibilité la plus élevée [4]. Le schéma d'un indicateur de niveau de concentration de monoxyde de carbone doté d'un tel capteur est illustré à la Fig. 1.
Par rapport au compteur décrit dans [1], seule la base de l'élément a été modifiée. Le microcircuit TSZ1IDT [122], composé de deux amplificateurs opérationnels de précision, a été utilisé comme DA5, ce qui permet de mesurer la concentration de monoxyde de carbone avec une plus grande précision. La tension de décalage d'entrée typique de ces amplificateurs opérationnels est de 1 µV et le courant d'entrée est de 50 pA. L'ampli-op DA1.1 convertit le courant de sortie du capteur en tension (UO=IдR4). La valeur de la résistance R4 est choisie pour donner un facteur de conversion de 10 mV pour 1 mg/m3. L'indicateur est un voltmètre numérique intégré SM3D-DV2 (PV1) avec une limite de mesure de 1999 mV, qui vous permet de mesurer des concentrations de monoxyde de carbone jusqu'à 199,9 mg/m.3 avec une résolution de 0,1 mg/m3. L'ampli opérationnel DA1.2 et le transistor VT2 forment un comparateur de tension. Son seuil de réponse, fixé par les résistances R5 et R6, est de 200 mV, ce qui correspond à une concentration de monoxyde de carbone de 20 mg/m.3. La résistance R7 fournit une légère hystérésis dans la caractéristique de commutation du comparateur, empêchant sa tension de sortie de rebondir au moment du fonctionnement. Un comparateur déclenché allume l'émetteur sonore piézo-électrique HA1 (avec générateur intégré), qui génère un signal d'alarme sonore. Grâce à l'optocoupleur U1, le signal d'alarme est envoyé au dispositif de commande des éléments du système de ventilation de la pièce - ouvre-fenêtres à imposte et ventilateurs d'extraction. Pour éviter la polarisation du capteur B1, il est nécessaire de garder ses électrodes connectées entre elles lorsque l'alimentation est coupée. A cet effet, le transistor à effet de champ à canal P VT1 est conçu, ouvert en l'absence de puissance, mais fermé lorsqu'une tension de +5 V est appliquée à sa grille par rapport à la source. La plage de sensibilité des capteurs CO/SF-2E atteint ±20 %. Par conséquent, il est nécessaire de calibrer l'appareil fabriqué selon les lectures d'un compteur de concentration de monoxyde de carbone standard, de préférence vérifié dans l'un des nombreux laboratoires de maintenance des systèmes de contrôle des gaz. Pendant le processus d'étalonnage, la sensibilité de l'appareil est ajustée en sélectionnant la résistance de la résistance R4. Il suffit de régler le seuil de réponse du comparateur avec une précision de ±5 %. Les capteurs à trois électrodes, par rapport aux capteurs à deux électrodes, ont des caractéristiques techniques plus élevées, ce qui augmente la précision des mesures. Mais le schéma de connexion d'un tel capteur est plus compliqué. Si vous utilisez un capteur électrochimique à trois électrodes de fabrication russe 2FS-90L [6], un compteur de concentration de monoxyde de carbone peut être assemblé selon le circuit illustré à la Fig. 2.
Ce capteur comporte trois électrodes : W - électrode de mesure ou de travail, C - électrode de référence, R - électrode auxiliaire. Pour alimenter un capteur à trois électrodes, une unité spéciale est généralement utilisée - un potentiostat, qui doit assurer avec précision un déplacement nul du potentiel de l'électrode de mesure par rapport à l'électrode de référence. En règle générale, un potentiostat pour capteur à trois électrodes est assemblé selon un schéma standard, que l'on peut trouver dans les manuels d'utilisation des capteurs publiés par leurs fabricants [7-10]. Le compteur utilise un microcircuit TSZ124IPT contenant quatre amplificateurs opérationnels identiques à ceux du TSZ122lDT. Le transistor VT1 sert à empêcher la polarisation du capteur. Le diviseur de tension résistif R1R2 et l'ampli-op DA1.1 créent une « masse » artificielle dont le potentiel est égal à la moitié de la tension d'alimentation de l'appareil. Les amplificateurs opérationnels DA1.2 et DA1.3 sont des éléments potentiostat. La résistance R9 définit le coefficient de conversion du courant de l'électrode du capteur W en tension. Comme dans le cas précédent, si R9 = 117 kOhm, la concentration en monoxyde de carbone est de 1 mg/m3 correspond à une tension de 10 mV à la sortie du potentiostat. Le fabricant du capteur 2FS-90L garantit sa sensibilité de 100 nA/ppm avec un écart ne dépassant pas 10 %. Si une telle précision de mesure est suffisante, vous pouvez vous passer de calibrer l'appareil, même si le comparer aux lectures d'un compteur standard ne fera pas de mal. Pour mesurer la concentration de monoxyde de carbone en ppm (parties par million), dans les deux versions du compteur, il suffit de réduire la résistance de la résistance qui fixe le coefficient de conversion du courant du capteur en tension à 100 kOhm (sur la base du rapport de 1 mg/m3 = 0,86 ppm). Si nécessaire, vous pouvez prévoir deux échelles de mesure en introduisant un interrupteur à résistance à deux positions dans l'appareil. Pour alimenter les deux appareils, vous pouvez utiliser une alimentation sans interruption, assemblée selon le circuit illustré à la Fig. 3. Il fonctionne à la fois à partir d'un réseau ~230 V et à partir d'une cellule galvanique d'une tension de 1,5 V. Cela vous permet d'utiliser le compteur non seulement dans des conditions stationnaires, mais également sur le terrain.
Le convertisseur de tension AC-DC U1 (il peut s'agir d'un adaptateur réseau ordinaire), lorsqu'il est connecté au réseau, génère en sortie une tension DC de 5 V. Le transistor VT1 et la diode Schottky VD1 forment un interrupteur d'alimentation automatique de la batterie à secteur et retour. Lorsque le convertisseur U1 fonctionne et que la tension à sa sortie est supérieure à la tension de l'élément galvanique G1, le transistor à effet de champ VT1 est fermé, car la tension entre sa grille et sa source a une polarité qui ferme le transistor à canal P. . La tension de 5 V est ensuite fournie via la diode ouverte VD1. Lorsque le convertisseur U1 est déconnecté du réseau, la tension à la grille du transistor VT1 devient nulle par rapport au fil commun. Après avoir chargé le condensateur C2 à travers la diode interne du transistor à effet de champ à une tension dépassant la tension de seuil du transistor VT1, son canal drain-source s'ouvrira. À partir de ce moment, le courant de charge de l’élément G1 circulera à travers la résistance extrêmement faible du canal ouvert. Ensuite, une tension de 5 V pour alimenter le compteur est générée par un convertisseur élévateur de tension DA1 (HT7750A). La présence de tension à sa sortie est signalée par la LED HL1. L'alimentation doit être équipée d'un inducteur L1 avec une faible résistance CC et un facteur de qualité élevé. Il doit être conçu pour un courant allant jusqu'à 2 A, avoir un noyau magnétique en forme de tige de ferrite et être enroulé avec un fil de cuivre d'un diamètre d'au moins 0,5 mm. Les condensateurs à oxyde C1 - C3 sont au tantale, le condensateur C4 est en céramique. Au lieu de l'ampli opérationnel de la série TSZ12x, d'autres amplis opérationnels de précision avec la tension de décalage la plus basse possible et un faible courant d'entrée peuvent être utilisés dans les compteurs de concentration de monoxyde de carbone. Les résistances R4-R6 (voir Fig. 1) et R1-R5, R9-R11 (voir Fig. 2) doivent présenter un écart par rapport à la valeur nominale ne dépassant pas 1 %. Note. Pour un fonctionnement fiable de l'interrupteur automatique, la grille du transistor VT1 doit être connectée au fil commun (moins de l'élément G1) avec une résistance d'une résistance de 10...100 kOhm. La tension grille-source de seuil du transistor KP507A peut être comprise entre 0,8 et 2 V. Si le transistor appliqué a une valeur absolue supérieure à la tension de l'élément G1, alors lorsqu'il fonctionne à partir de ce dernier, le canal du transistor pas ouvert et la tension sera fournie à la charge uniquement via la diode de protection intégrée du transistor. La chute de tension aux bornes de cette diode (environ 0,6 V) dégradera considérablement le rendement du convertisseur. Dans une telle situation, il est préférable de remplacer le transistor par une diode Schottky, similaire à VD1, en le connectant avec l'anode au plus de G1, et la cathode au point de connexion du condensateur C2, la cathode de la diode VD1 et l'inducteur L1. littérature
Auteur : A. Kornev
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