Анализ существующих производителей датчиков токсичного газа оксид углерода

Э.В. Рощупкин
Тульский государственный университет,
г. Тула

---

Контроль состояния окружающего воздуха целесообразно осуществлять с помощью системы непрерывного мониторинга окружающей среды [1].

При выборе датчиков анализируемых параметров для автоматизированной системы сбора и обработки экологической информации, необходимо учитывать несколько факторов:

1) диапазон рабочих температур;

2) принцип действия датчиков;

3) срок службы датчиков;

4) линейность характеристик измеряемых параметров;

5) стоимость обслуживания;

6) возможность работы в подвижном состоянии.

При построении мобильных постов требуются малогабаритные датчики различных токсичных газов, способные работать в подвижном положении.

В последнее время на рынке указанных выше датчиков появились весьма заманчивые предложения. География производителей обширна, это от Великобритании и США до Китая.

Фирма City Technology Ltd (Великобритания), выпускает электрохимические датчики оксида углерода представленные в таблице1.

Таблица 1

Параметры датчиков оксида углерода фирмы City Technology Ltd (Великобритания)

Принцип действия датчиков основан на явлении протекания специфичной химической реакции (электрохимической реакции) в электрохимической ячейке, представляющей собой емкость с раствором электролита с электродами (анодом и катодом).

Рисунок 1 – Устройство электрохимического датчика

Анализируемый газ вступает в химическую реакцию с электролитом, заполняющим ячейку. В результате в растворе возникают заряженные ионы, между электродами начинает протекать электрический ток, пропорциональный концентрации анализируемого компонента в пробе. Электрический датчик обрабатывает возникающий электрический сигнал.

Датчики имеют линейный выход. Выпускаются модификации датчиков со встроенными усилителями с типом выходного сигнала – ток 4-20 мА или напряжение в мВ. Срок службы указанных датчиков составляет несколько лет, как правило 2-3 года, у некоторых до 6 лет например Eco-Sure(2e).

На рисунке 2 представлен внешний вид датчика A3CO.

Рисунок 2 – Внешний вид датчика A3CO фирмы City Technology Ltd (Великобритания)

Фирма Hanwei Electronics Co., Ltd. (Китай) выпускает широкий ассортимент датчиков и модулей. На рисунке 3 показан внешний вид датчиков фирмы Hanwei Electronics Co., Ltd. (Китай).

Рисунок 3 – Внешний вид датчиков фирмы Hanwei Electronics Co., Ltd. (Китай)

Указанные датчики имеют нелинейную характеристику и могут быть использованы только в качестве детекторов с фиксированным порогом для индикации превышения например уровня предельно допустимой концентрации.

Фирма также выпускает готовые модули для измерения токсичных газов. На рисунке 4 показан модуль М411.

Рисунок 4 – Внешний вид модуля М411 фирмы Hanwei Electronics Co., Ltd. (Китай)

В таблице 2 приведены характеристики модуля М411.

Таблица 2

Характеристики модуля М411 фирмы Hanwei Electronics Co., Ltd. (Китай)

Фирма Parallax, Inc. (Rocklin, California США) выпускает модуль газового датчика СО на базе сенсора MQ-7 фирмы Hanwei Electronics Co., Ltd. (Китай) (см. Рисунок 5).

Рисунок 5 – Внешний вид модуля СО фирмы Parallax, Inc. (Rocklin, California США)

Данные тип датчиков содержит нагревательный элемент из сплава Ni-Cr и чувствительный элемент из SnO₂ который меняет свое сопротивление в зависимости от концентрации анализируемого газа.

Процесс измерения концентрации анализируемого газа представлен на циклограмме (см. Рисунок 6).

Рисунок 6 – Циклограмма работы датчиков семейства MQ фирмы Hanwei Electronics Co., Ltd. (Китай)

На нагревательные элемент подается напряжение 5 В в течении 60 секунд, далее напряжение нагревателя уменьшается скачком до значени1,4 В в течении 90 секунд. В момент времени равный последней секунде 90 секундного цикла считывают значение с чувствительного элемента датчика.

Зависимость сопротивления датчика от концентрации восстанавливающего газа может быть выражена уравнением:

,

где R – электрическое сопротивление сенсора, и - константы, С – концентрация газа. Согласно данному выражению зависимость сопротивления датчика от концентрации носит экспоненциальный характер (линейна в логарифмическом масштабе) в пределах рабочего диапазона концентраций газа. Датчик обладает чувствительностью к различным газам, реагирующим с ионами кислорода на его поверхности. Селективность реакции датчика на заданный газ обеспечивается введением специальных добавок в оксид, а также выбором оптимальной рабочей температуры, что достигается подачей на нагревательный элемент определенного постоянного напряжения.

На рисунке 7 приведена зависимость отношения R_s/R_o (R_s – сопротивление датчика при определении им концентрации газа в окружающей среде, R_o – сопротивление датчика, измеренное при определенной концентрации детектируемого газа).

Рисунок 7 – Характеристика датчика MQ-7 фирмы Hanwei Electronics Co., Ltd. (Китай)

Наиболее перспективным направлением построения современных газоанализаторов является применение современных полупроводниковых, сенсоров (датчиков), необслуживаемых в течении всего срока службы.

Линейные датчики целесообразно использовать при измерении концентрации в широком диапазоне и с достаточной точность. Датчик семейств а MQ можно использовать в качестве настроенных детекторов на фиксированный порог концентрации токсичного газа. Например можно построить портативные газовые детекторы по принципу светофора (см. Рисунок 8). Данные детекторы могут найти применение в быту а также в общественном транспорте.

Рисунок 8 – Построение детекторов газа по принципу светофора

Мобильные посты это малогабаритные многофункциональные мобильные устройства, с автономным питанием и малым током потребления на дешевых и одновременно надежных микроконтроллеров, которые легко объединятся в локальные и GSM сети которые можно контролировать через сеть Интернет или по радиоканалу, с использованием радиомодемов, в тех местах, где не предоставляется возможным использование локальной сети, а также с помощью SMS сообщений и через GPRS-Интернет. Также посты содержат память для хранения измеренных данных в моменты отсутствия связи с диспетчером для обмена информацией.

Список литературы

1. Рощупкин Э.В. Применение GSM связи для организации системы передачи информации при автоматизированном мониторинге состава воздуха // Вестник ТулГУ. Серия «Экология и безопасность жизнедеятельности». Вып.1. – Тула: Изд-во ТулГУ, – 2008. – С. 221 – 224.

---

Назад к списку