Электрохимические датчики газа SPEC Sensors

SPEC – семейство электрохимических датчиков газа от компании Spec Sensors. По принципу действия они не отличаются от классических электрохимических датчиков, выходной ток которых пропорционален концентрации измеряемого газа (CO, NO, озона и т.д.).

Типовой электрохимический сенсор состоит из корпуса и набора электродов, помещенных в жидкий электролит (Рис. 1). Газ, проникая через капиллярный барьер (и фильтр), попадает на рабочий электрод. Рабочий электрод изготавливается из каталитического металла, который обеспечивает возникновение химического взаимодействия между газом и электролитом. Для каждого вида газа используется конкретный тип каталитического материала. Электроны, появляющиеся в результате электрохимической реакции, обеспечивают протекание тока между рабочим и счетным электродами. При этом величина тока оказывается пропорциональна концентрации газа.

Рис. 1.	Конструкция типового электрохимического датчика газа.

Для повышения стабильности и быстродействия датчика, а также для улучшения соотношения сигнал-шум, в рассмотренную выше конструкцию добавляют еще один электрод – референсный (эталонный). Он обеспечивает стабильность электрохимического потенциала электролита. При этом очень важно поддерживать постоянство потенциала самого референсного электрода. Для этого необходимо, чтобы через него не протекал ток.

Для получения оптимальных результатов при измерении концентрации газов, электромеханическому датчику может потребоваться некоторое начальное напряжение смещения между рабочим и референсным электродом. Величина смещения зависит от типа датчика.

Важным преимуществом электрохимических датчиков является их минимальное потребление. По своей конструкции они напоминают конденсаторы, и при отсутствии смещения их потребление равно нулю. При приложении смещения происходит выход датчика на рабочий режим, который сопровождается начальным броском тока (Рис. 2). Однако ток убывает с течением времени до субмикроамперного диапазона, а потребление составляет единицы-десятки мкВт. Именно по этой причине рекомендуется всегда держать электрохимический датчик при постоянном смещении – это гарантирует высокую точность измерений и минимальное потребление.

Рис. 2.	Выход электрохимического датчика на рабочий режим.

Одним из главных недостатков электрохимических датчиков является относительная сложность конструкции. Их серийное производство оказывается не самым простым. Кроме того, современная электроника стремится к миниатюризации, а представленная структура оказывается достаточно громоздкой. Тем не менее, эти проблемы постепенно решаются. Например, компания Spec Sensors предлагает использовать комбинацию технологии печатной электроники и ламинирования для создания высокоэффективных электрохимических газовых датчиков в тонкой и дешевой упаковке.

В датчиках SPEC корпус как таковой отсутствует (Рис. 3). Конструктивной основой датчиков становится печатная плата, которая сверху закрывается мембраной с клеевым покрытием.

Рис. 3.	Особенности производства датчиков SPEC.

По заверениям компании Spec Sensors, такой подход позволяет значительно уменьшить стоимость сенсоров, повысить их технологичность при крупносерийном производстве, сохранить хорошие метрологические характеристики и низкое потребление. Последний факт особенно подчеркивается, так как производитель имеет огромный интерес к сегменту Интернета вещей и даже выпускает целую линейку законченных цифровых модулей именно для IoT. Подробнее об этом будет сказано ниже.

В настоящий момент Spec Sensors выпускает несколько типов датчиков и модулей:

• Датчики с токовым выходом для различных газов (CO, NO, озон, этанол и т.д.);
• Датчики качества воздуха с токовым выходом;
• Датчики газа с выходом по напряжению, которые кроме датчика газа включают цепи нормирования и усиления. Для них выходным сигналом является напряжение, пропорциональное концентрации газа;
• Цифровые датчики газа для IoT. В них также присутствуют цепи нормирования и усиления, а встроенный контроллер обеспечивает оцифровку измерений и передачу результатов по UART.

Датчики с токовым выходом для различных газов (CO, NO, озон, этанол и т.д.). Датчики SPEC предназначены для измерения концентрации одного конкретного вида газа. Каждый такой сенсор выпускается в двух исполнениях: для монтажа в отверстия и для поверхностного монтажа. Рассмотрим особенности SPEC на примере датчиков угарного газа.

Датчики 110-102 (для монтажа в отверстия) и 110-109 (для поверхностного монтажа) используются для измерения концентрации угарного газа CO в диапазоне 0…1000 ppm. Оба датчика отличаются только способом монтажа и имеют одинаковые габариты 20 × 20 (Рис. 4).

Рис. 4.	Внешний вид датчиков угарного газа CO 110-102 (для монтажа в отверстия) и 110-109 (для поверхностного монтажа).

Разрешающая способность датчиков 110-102 и 110-109 составляет 0.5 ppb, а чувствительность 4.75 ±2.75 нА/ppm.

Предполагаемый срок службы датчиков 110-102 и 110-109 превышает 5 лет, а диапазон рабочих температур –30...+55 °C.

Основными приложениями для моделей 110-102 и 110-109 являются системы пожарной безопасности, промышленные установки, системы вентиляции и т. д.

Кратко обозначим другие модели датчиков SPEC от Spec Sensors:

• 110-202 и 110-205 – электрохимические датчики паров этанола с диапазоном измерения 0…1000 ppm. Ожидаемым приложением для этих сенсоров станут различные виды портативных и стационарных алкотестеров.
• 110-303 и 110-304 – электрохимические датчики сероводорода H₂S с диапазоном измерения 0…50 ppm. Основной областью применения для этих сенсоров являются промышленные установки в химической промышленности.
• 110-407 – электрохимические датчики озона с диапазоном измерений 0…5 ppm.
• 110-507 и 110-508 – электрохимические датчики диоксида азота с диапазоном измерения 0…5 ppm. Наибольший интерес они представляют для систем безопасности и контроля воздуха в химической и металлургической отраслях.
• 110-601 – электрохимические датчики диоксида серы SO₂ с диапазонам измерения 0…20 ppm. Они также наиболее интересны для химической отрасли, в частности, для предприятий, производящих серную кислоту.

Датчики качества воздуха с токовым выходом. Кроме датчиков для конкретных типов газов компания Spec Sensors выпускает и датчики качества воздуха, которые предназначены для контроля концентрации сразу нескольких типов примесей: ЛОВ, диоксида азота, диоксида серы, озона, сероводорода. Они могут применяться как на промышленных предприятиях, так и в бытовых системах вентиляции.

Всего Spec Sensors предлагает два типа датчиков качества воздуха, для каждого из которых существует два исполнения (для монтажа в отверстия и для поверхностного монтажа):

• 110-901 и 110-902 – электрохимические датчики качества воздуха с диапазоном измерения 0…20 ppm;
• 110-801 и 110-802 – электрохимические датчики качества воздуха с диапазоном измерения 0…100 ppm.

Датчики газа с выходом по напряжению. Как уже было отмечено выше, для получения оптимальных результатов при измерении концентрации газов к электромеханическому датчику необходимо прикладывать некоторое начальное смещение, что приводит к усложнению схемы включения. Величина напряжения смещения зависит от типа датчика. Например, как было сказано выше, для датчиков угарного газа смещение составляет 0…5 мВ, для датчиков озона требуется отрицательное смещение –200 мВ и т. д.

Кроме того, при наличии референсного (эталонного) электрода важно обеспечить его постоянный потенциал, что так же потребует дополнительных усилий. В качестве примера можно привести типовую схему потенциостата для трехэлектродного электромеханического датчика от Spec Sensors (Рис. 5).

Рис. 5.	Схема потенциостата для трехэлектродного электрохимического датчика.

Предлагаемая схема управляет потенциалом рабочего и счетного электродов и преобразует ток рабочего электрода в напряжение. Потенциал эталонного электрода постоянен и определяется напряжением на инвертирующем входе усилителя U1. Потенциал рабочего электрода стабилизируется с помощью операционного усилителя U2. Разница потенциалов между рабочим и эталонным электродами определяет смещение датчика. Ток рабочего электрода преобразуется в напряжение операционным усилителем U2. Операционный усилитель U1 генерирует напряжение на счетном электроде, которое является достаточным для обеспечения тока, который равен и противоположен току рабочего электрода.

Чтобы упростить жизнь разработчикам, компания Spec Sensors предлагает законченные модули, в которых реализованы все необходимые схемные решения (Рис. 6). На выходе такого датчика пользователь получает готовое аналоговое напряжение, пропорциональное концентрации газа.

Рис. 6.	Внешний вид цифрового датчика и датчика с выходом по напряжению.

Цифровые датчики газа для IoT. Датчики, рассмотренные выше, могут свободно использоваться в несложных автономных системах. Если же речь идет об IoT-приложениях, то более удобными являются цифровые датчики с последовательным интерфейсом. Такой вариант также предлагается компанией Spec Sensors (Рис. 6).

В качестве коммуникационного интерфейса в цифровых моделях используется UART.

Отладочные и оценочные наборы для датчиков газа SPEC. Для максимально быстрого ознакомления с особенностями и возможностями электрохимических датчиков SPEC предлагается использовать отладочные и оценочные наборы. В настоящий момент у каждого датчика SPEC есть свой оценочный набор. В качестве примера можно рассмотреть набор 968-020 Carbon Monoxide Analog Sensor Developer Kit.

Данный набор включает базовую плату с цепями смещения и преобразования ток-напряжение, плату адаптера для удобного подключения в лабораторных условиях, пять датчиков CO (Рис. 7).

Рис. 7.	Пример оценочного набора для датчика CO.

В заключение хотелось бы отметить, что при работе с газоанализаторами требуется учет огромного количества тонкостей (саморазогрев, калибровка, перекрестная чувствительность, старение и т.д.), по этой причине компания Spec Sensors предлагает свои услуги по разработке датчиков и модулей по техническому заданию заказчика.

Характеристики датчика CO 110-102:

• Диапазон измерения: 0…1000 ppm;
• Максимальное разрешение: 0.5 ppb;
• Максимальное время отклика: 30 с;
• Типовое время отклика: 15 с;
• Чувствительность: 4.75 ± 2.75 нА/ppm;
• Смещение: 0…5 мВ;
• Потребление: 0…50 мВт;
• Срок службы: более 5 лет;
• Диапазон рабочих температур: –30...+55 °C;
• Корпусное исполнение и габариты: 20 × 20 × 3.8 мм.

Характеристики цифрового датчика угарного газа GS-CO 968-034:

• Диапазон измерения: 0…1000 ppm;
• Разрешение: 0.1 ppm;
• Смещение: ±1 ppm;
• Максимальное время отклика: 30 с;
• Типовое время отклика: 15 с;
• Типовое потребление: 12 мВт при периоде опроса 5/ 10/ 30/ 60 с;
• Коммуникационный интерфейс: UART;
• Срок службы: более 5 лет;
• Напряжение питания: 3 В;
• Диапазон рабочих температур: –20...+40 °C;
• Корпусное исполнение и габариты: 44.5 × 20.8 × 8.9 мм.

О компании

Spec Sensors – американская компания, специализирующаяся на разработке и производстве электрохимических датчиков газа и законченных модулей для бытовых и промышленных приложений, а также для IoT-устройств.

Посмотреть технические характеристики электрохимических датчиков газа от SPEC Sensors