일산화탄소 농도 측정기. 계획, 설명

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일산화탄소 농도계. 무선 전자 및 전기 공학 백과사전

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아시다시피 일산화탄소(일산화탄소, CO)는 독성이 매우 강하고 유독합니다. 공기 중 허용 농도를 초과하면 가스로 오염된 방에 있는 사람이 사망할 수 있습니다. 이 가스는 무취, 무색이어서 특히 위험하며, 일반적으로 반도체나 전기화학 센서를 사용하는 특수 장비 없이는 적시에 감지하기 어렵습니다.

반도체 일산화탄소 센서는 전기화학 센서보다 훨씬 저렴하지만 일반적으로 공기 중 일산화탄소의 존재를 알리는 데만 사용되며 농도를 정확하게 측정하는 데는 사용되지 않으므로 전기화학 센서를 사용해야 합니다.

전기 화학 센서의 작동을 매우 간단한 방법으로 설명하면 작동 중에 감지된 가스가 전극에서 산화 환원 반응이 일어나는 영역으로 침투하여 신호가 나타난다고 말할 수 있습니다. 전기화학적 가스 센서는 전해질에 담긴 전기화학적 촉매 반응을 위한 XNUMX개 또는 XNUMX개의 전극으로 구성됩니다. 센서 작동 전극의 전압은 가스 농도에 정비례하며, 이는 이 전압을 측정하여 확인할 수 있습니다.

1전극 전기화학 센서를 이용한 일산화탄소 농도 분석기에 대한 설명은 [5042]에 발표되었습니다. 상대적으로 가격이 저렴하지만 감도가 낮아 낮은 CO 농도를 높은 정확도로 측정할 수 없는 TGS1 센서를 사용합니다. 그리고 규제 문서에 따르면 일산화탄소 농도 측정기는 입방 미터당 밀리그램 단위부터 시작하여 정확하게 작은 농도 값을 결정해야 합니다(러시아에서는 공기 중 오염 물질 농도가 일반적으로 이러한 단위로 정확하게 측정됩니다. 일산화탄소 XNUMXmg/m의 경우³ = 0,86ppm).

문서 [2, 3]에서는 야외의 일산화탄소 농도가 3mg/mXNUMX를 초과하지 않을 것을 요구합니다.³ (일일 평균) 및 5 mg/m³ (정점). 실내 공기 중 농도는 20mg/mXNUMX를 초과해서는 안 됩니다.³ 근무일 내내 50 mg/m³ - 100시간 이내, XNUMX mg/m³ - 30분 이내 또는 200mg/m³ 15분 이내. 표는 일부 XNUMX전극 및 XNUMX전극 전기화학 센서의 감도와 측정 가능한 최대 일산화탄소 농도를 보여줍니다.

테이블

센서	전극 수	감도, nA/ppm	최대 측정 농도, ppm
TGS 5042	2	1,2 ... 2,4	10000
TGS 5342	2	0,7 ... 1,4	10000
에코슈어(2차)	2	30 ... 60	1000
CO/SF-2E	2	80 ... 120	500
2FS-90L	3	100	500
MFS -95	3	200	100
슈어셀-CO(H)	3	90 ... 130	500

이 표에 제시된 2전극 센서 중에서 CO/SF-4E 센서가 가장 높은 감도를 갖습니다[1]. 이러한 센서를 갖춘 일산화탄소 농도 측정기의 다이어그램이 그림 XNUMX에 나와 있습니다. XNUMX.

쌀. 1. 일산화탄소 농도 측정기의 다이어그램(확대하려면 클릭)

[1]에서 설명한 미터와 비교하면 요소 베이스만 변경되었습니다. 1개의 정밀 연산 증폭기로 구성된 TSZ122IDT 마이크로 회로[5]를 DA1로 사용하여 더 높은 정확도로 일산화탄소 농도를 측정할 수 있습니다. 이 연산 증폭기의 일반적인 입력 오프셋 전압은 50μV이고 입력 전류는 1.1pA입니다. 연산 증폭기 DAXNUMX은 센서 출력 전류를 전압(U_O=I_дR4). 저항 R4의 값은 10mg/m당 1mV의 변환 계수를 제공하도록 선택됩니다.³. 표시기는 측정 한계가 3mV인 디지털 전압계 SM2D-DV1(PV1999)가 내장되어 있어 최대 199,9mg/m의 일산화탄소 농도를 측정할 수 있습니다.³ 0,1 mg/m의 분해능으로³.

연산 증폭기 DA1.2와 트랜지스터 VT2는 전압 비교기를 형성합니다. 저항 R5 및 R6에 의해 설정된 응답 임계값은 200mV이며, 이는 20mg/m의 일산화탄소 농도에 해당합니다.³. 저항 R7은 비교기의 스위칭 특성에 약간의 히스테리시스를 제공하여 작동 시 출력 전압이 튀는 것을 방지합니다. 트리거된 비교기는 가청 경보 신호를 생성하는 피에조 사운드 이미터 HA1(내장 생성기 포함)을 켭니다. 옵토커플러 U1을 통해 경보 신호는 실내 환기 시스템 요소(트랜섬 창 오프너 및 배기 팬)에 대한 제어 장치로 전송됩니다.

센서 B1의 분극을 방지하려면 전원이 꺼진 후에도 전극이 서로 연결된 상태를 유지해야 합니다. 이를 위해 p 채널 전계 효과 트랜지스터 VT1이 설계되어 전원이 없을 때 열리지만 소스를 기준으로 게이트에 +5V의 전압이 가해지면 닫힙니다.

CO/SF-2E 센서의 감도 분포는 ±20%에 이릅니다. 따라서 표준 일산화탄소 농도 측정기의 판독값에 따라 제조된 장치를 교정해야 하며, 바람직하게는 가스 제어 시스템의 유지 관리를 위한 많은 실험실 중 하나에서 검증됩니다. 교정 과정에서 저항 R4의 저항을 선택하여 장치의 감도를 조정합니다. ±5%의 정확도로 비교기 응답 임계값을 설정하는 것으로 충분합니다.

2전극 센서는 90전극 센서에 비해 기술적 특성이 더 높아 측정 정확도가 높아집니다. 그러나 이러한 센서의 연결 다이어그램은 더 복잡합니다. 러시아제 6전극 전기화학 센서인 2FS-XNUMXL[XNUMX]을 사용하면 그림 XNUMX의 회로에 따라 일산화탄소 농도 측정기를 조립할 수 있다. XNUMX.

쌀. 2. 일산화탄소 농도계의 다이어그램(확대하려면 클릭)

이 센서에는 세 개의 전극이 있습니다. W - 측정 또는 작동 전극, C - 기준 전극, R - 보조 전극. 7전극 센서에 전원을 공급하려면 일반적으로 기준 전극에 대한 측정 전극 전위의 제로 변위를 정확하게 보장해야 하는 특수 장치인 전위차계가 사용됩니다. 일반적으로 10전극 센서용 전위차계는 표준 방식에 따라 조립되며, 해당 제조업체에서 발행한 센서 사용 매뉴얼에서 찾을 수 있습니다[XNUMX-XNUMX].

이 미터는 TSZ124lDT와 동일한 연산 증폭기 122개를 포함하는 TSZ1IPT 마이크로 회로를 사용합니다.트랜지스터 VT1은 센서의 분극을 방지하는 역할을 합니다. 저항성 전압 분배기 R2R1.1 및 연산 증폭기 DA1.2은 전위가 장치 공급 전압의 절반에 해당하는 인공 "접지"를 생성합니다. 연산 증폭기 DA1.3 및 DA9은 전위차 소자입니다. 저항 R9는 W-센서 전극 전류의 전압 변환 계수를 설정합니다. 앞의 경우와 마찬가지로 R117 = 1 kOhm이면 일산화탄소 농도는 XNUMX mg/m³ Potentiostat의 출력에서 10mV의 전압에 해당합니다.

2FS-90L 센서 제조업체는 100% 이하의 편차로 10nA/ppm의 감도를 보장합니다. 이러한 측정 정확도가 충분하면 장치를 교정하지 않고도 수행할 수 있지만 표준 측정기의 판독값과 비교해 확인해도 문제가 되지 않습니다.

일산화탄소 농도를ppm(백만분율) 단위로 측정하려면 두 버전의 계측기 모두 센서 전류를 전압으로 변환하는 계수를 100kOhm으로 설정하는 저항의 저항을 줄이는 것으로 충분합니다. 1 mg/m의 비율³= 0,86ppm). 필요한 경우 장치에 XNUMX위치 저항 스위치를 도입하여 두 가지 측정 스케일을 제공할 수 있습니다.

두 장치에 전원을 공급하려면 그림 3에 표시된 회로에 따라 조립된 무정전 전원 공급 장치를 사용할 수 있습니다. 230. ~1,5V 네트워크와 XNUMXV 전압의 갈바니 전지에서 모두 작동합니다. 이를 통해 고정 조건뿐만 아니라 현장에서도 미터를 사용할 수 있습니다.

쌀. 3. 무정전 전원 공급 장치 다이어그램(확대하려면 클릭)

AC-DC 전압 변환기 U1(일반 네트워크 어댑터일 수 있음)은 네트워크에 연결되면 출력에서 5V의 DC 전압을 생성합니다. 트랜지스터 VT1과 쇼트키 다이오드 VD1은 배터리에서 배터리로 자동 전원 스위치를 형성합니다. 메인과 뒷면. 변환기 U1이 작동 중이고 출력 전압이 갈바니 소자 G1의 전압보다 높으면 전계 효과 트랜지스터 VT1이 닫힙니다. 게이트와 소스 사이의 전압이 p 채널 트랜지스터를 닫는 극성을 갖기 때문입니다. . 그런 다음 개방형 다이오드 VD5을 통해 1V 전압이 공급됩니다. 변환기 U1이 네트워크에서 연결이 끊어지면 트랜지스터 VT1의 게이트 전압은 공통 와이어에 비해 2이 됩니다. 전계 효과 트랜지스터의 내부 다이오드를 통해 커패시터 C1를 트랜지스터 VT1의 임계 전압을 초과하는 전압으로 충전하면 드레인-소스 채널이 열립니다. 이 시점부터 소자 GXNUMX의 부하 전류는 매우 낮은 개방 채널 저항을 통해 흐르게 됩니다.

다음으로, 계기에 전력을 공급하는 5V 전압은 승압 전압 변환기 DA1(HT7750A)에 의해 생성됩니다. 출력에 전압이 존재하는지 여부는 LED HL1로 표시됩니다.

전원 공급 장치에는 DC 저항이 낮고 품질 계수가 높은 인덕터 L1이 장착되어야 합니다. 최대 2A의 전류에 맞게 설계되어야 하며, 페라이트 막대 형태의 자기 코어가 있어야 하며 직경이 0,5mm 이상인 구리선으로 감겨 있어야 합니다. 산화물 커패시터 C1 - C3은 탄탈륨이고 커패시터 C4는 세라믹입니다.

TSZ12x 시리즈 연산 증폭기 대신 오프셋 전압이 가장 낮고 입력 전류가 낮은 다른 정밀 연산 증폭기를 일산화탄소 농도계에 사용할 수 있습니다. 저항 R4-R6(그림 1 참조) 및 R1-R5, R9-R11(그림 2 참조)은 공칭 값과의 편차가 1% 이하여야 합니다.

있습니다. 자동 전원 스위치의 안정적인 작동을 위해 트랜지스터 VT1의 게이트는 저항이 1...10kOhm인 저항을 사용하여 공통 와이어(요소 G100 제외)에 연결되어야 합니다. KP507A 트랜지스터의 임계 게이트-소스 전압은 0,8...2V 범위에 있을 수 있습니다. 적용된 트랜지스터가 요소 G1의 전압보다 큰 절대값을 갖는 경우 후자에서 작동할 때 트랜지스터 채널은 개방되지 않으며 트랜지스터에 내장된 보호 다이오드를 통해서만 부하에 전압이 공급됩니다. 이 다이오드의 전압 강하(약 0,6V)는 컨버터의 효율을 크게 저하시킵니다. 이러한 상황에서는 트랜지스터를 VD1과 유사한 쇼트키 다이오드로 교체하여 양극을 G1의 플러스에 연결하고 음극을 다이오드 VD2의 음극인 커패시터 C1의 연결 지점에 연결하는 것이 좋습니다. 그리고 인덕터 L1.

문학

Kornev A. 일산화탄소 농도 분석기. - 라디오, 2014, No. 5, p. 36, 37.
인구 밀집 지역의 대기 중 오염 물질의 최대 허용 농도(MPC)입니다. 위생 표준 GN 2.1.6.1338-03(25년 2003월 42일 러시아 연방 최고 위생 의사의 승인). - URL: ohranatruda.ru/ot_ biblio/normative/data_normativ/4/2030-XNUMX/index/php.
작업 영역 공기 중 유해 물질의 최대 허용 농도(MPC)입니다. 위생 표준 GN 2.2.5. 1313-03 (27년 2003월 1일 러시아 연방 최고 위생 의사의 승인). - URL: nor-load.ru/SNiP/Data42 / 42033/XNUMX/index.htm.
MEMBRAPOR 전기화학 가스 센서. CO 센서 유형 CO/SF-2E-S용 사양 시트. - URL: membrapor.ch/sheet/CO-SF-2E-S.pdf.
TSZ121, TSZ122, TSZ124 매우 높은 정확도(5pV) 제로 드리프트 마이크로전력 5V 연산 증폭기입니다. - URL: mouser.com/ds/2/389/tsz1 21 -957398.pdf.
전기화학전지 2FS-90L. - URL: deltainfo.ru/content/elektrokhimicheskie-yacheiki-2fs-90l.
전기화학 센서 애플리케이션 노트 2 전기화학 가스 센서용 전자 장치 설계. - URL: sgxsensortech. com/content/uploads/2014/08/AN2-Design-of-Electronics-for-Electrochemical-Cells.pdf.
애플리케이션 노트 MEM1 전기화학 가스 센서. - URL: 멤브레인. ch/sheet/Application_Note_MEM1.pdf.
회로 노트 CN-0357. - URL: 아날로그. com/media/en/reference-design-documentation/reference-designs/CN0357.pdf.
AN4348 애플리케이션 노트. 전기화학 센서용 신호 컨디셔닝. - URL: st.com/content/ccc/resource/technical/document/application_note/b7-/3a/2b/63/6c/10/46/27/DM00093722.pdf.

저자: A. Kornev

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Lian Bing Hu(Liangbing Hu)가 이끄는 메릴랜드 대학의 과학자들은 보다 저렴한 재료인 목재로 이온 선택성 막을 만드는 데 성공했습니다. 목재는 더 단단한 리그닌 폴리머의 매트릭스에 셀룰로오스 섬유로 구성된 복합 재료입니다. 목재는 다공성 구조를 가지고 있으며 표면의 음전하로 인해 일부 이온 선택 특성도 있습니다. 주로 양전하를 띤 이온을 통과시킵니다. 그러나 나무의 기공은 너무 커서 나무의 이온 선택도는 인공 재료의 이온 선택도보다 낮습니다. 또한 목재는 방향에 따라 성질이 크게 달라지는 등방성 물질이다. 전도성은 다공성 단면의 경우 더 높고 강도는 세로 절단의 경우 더 높습니다(또한 가로 절단의 면적은 나무의 직경에 의해 제한되는 반면 세로 절단은 훨씬 더 큰 면적을 가질 수 있음) . 그리고 마지막으로 나무는 충분히 안정적이지 않습니다. 물과 장기간 접촉하면 섬유가 점차 부풀어 오르고 재료의 구조가 깨집니다. 과학자들은 폴리머 하이드로겔 코팅으로 목재의 특성을 개선하기 위해 노력했습니다.

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