У статті розглядаються особливості застосування операційного підсилювача для електрохімічних газових сенсорів для виміру концентрації етанолу і монооксиду вуглецю CO. Також аналізуються параметри підсилювача для точного вимірювання концентрації цих газів з найменшим енергоспоживанням для використання його у портативних пристроях.
Т. Ау-Єнг
Електрохімічні газові сенсори потребують постійного зсуву напруги для надійної та точної роботи, для чого необхідно споживання великої кількості енергії. Як правило, системи керування живленням газових аналізаторів відключають всі їх елементи в режимі очікування чи сну. Однак для стабілізації і виходу на робочий режим електрохімічних сенсорів потрібні десятки хвилин. Отже, електрохімічний сенсор і його схема зсуву повинні постійно перебувати під напругою. Крім того, напруга зсуву електрохімічного сенсора, як правило, нижча за напругу елемента батарейного живлення.
MAX40108 — це малопотужний високоточний операційний підсилювач (ОУ), який працює з напругою джерела живлення від 0.9 до 3.6 В. Він спеціально розроблений для сенсорів такого класу. Крім того, цей підсилювач має вхідний/вихідний діапазони rail-to-rail, споживає не більше 25.5 мкА, дрейф нуля ОУ складає 25 нВ на 1С0, що робить його оптимальним пристроєм для широкого спектру застосувань із низьким споживанням, у тому числі і для газових сенсорів.
На рис. 1 показано структурну схему електрохімічного газового аналізатора на основі сенсора для етанолу або СО. Схема містить операційний підсилювач низької напруги, який може працювати безпосередньо від батареї 1.5 В типу AA/AAA, забезпечуючи необхідний струм зсуву для електрохімічного сенсора, тоді як інші вузли перебувають у режимі сну.
Рис. 1. Структурна схема газового аналізатора на основі електрохімічного сенсора
Перший підсилювач U1 живить електрод порівняння електрохімічного сенсора. Другий підсилювач U2 перетворює вихідний струм сенсора на напругу, яка після підсилення підсилювачем U3 MAX44260 оцифровується мікроконтролером.
У схемі на рис. 1 використано сенсор етанолу SPEC 3SP_Ethanol_1000, показаний на рис. 2.
Рис. 2. Сенсор етанолу SPEC 3SP_Ethanol_1000
Цей сенсор етанолу генерує струм, пропорційний концентрації виявленого газу. Він має три електроди: WE, RE і CE. WE – робочий електрод з зсувом на 0.7 В, використовується для визначення концентрації парів газу. RE – електрод порівняння. Цей електрод забезпечує стабільний електрохімічний потенціал 0.6 В напруги зсуву в електроліті і не піддається впливу парів газу. CE – протиелектрод. Він починає працювати у присутності газу. Рівень його провідності пропорційний концентрації газу, який вимірюється газоаналізатором. У електрохімічному сенсорі пари газу повинні фізично контактувати з електродами. Іншими словами, сенсор етанолу вимірює лише газ, який присутній у самому сенсорі. Тому для точного й ефективного виявлення та виміру концентрації таких газів, як етанол і CO, їх розміщують там, де очікуються витоки цих газів.
Рис. 3. Характеристики роботи газоаналізатора при роботі електрохімічного сенсора при виявленні парів етанолу
При експериментальному випробуванні схеми аналізатора ватний тампон змочували в розчині етанолу і розміщали прямо перед сенсором. На рис. 3 синьою кривою показано захоплення парів етанолу. Зелена крива – це споживання струму всієї системи, включаючи мікроконтролер, типове значення споживання складає 90 мА. Однак споживання струму підсилювача MAX40108 становить лише 25.5 мкА при напрузі живлення VDD = 0.9 В і температурі 25°C, як показано на рис. 4.
Рис. 4. Струм споживання газоаналізатору у залежності від напруги живлення та температури зовнішнього середовища
Мікроконтролер перебуває у режимі очікування і прокидається кожні 10 секунд для моніторингу парів етанолу. Коли є пара, мікроконтролер починає вимірювати її концентрацію, як показано на синій кривій, рис. 4. Червона лінія показує напругу батареї типу АА, яка приблизно дорівнює 1.5 В, а жовта лінія – це напруга на електроді CE. Щоб побачити вплив реакції сенсора на концентрацію парів етанолу, ватний тампон з етанолом було переміщено далі від сенсора. Результат було зафіксовано на рис. 5. Як і очікувалося, амплітуда синьої кривої, тобто концентрації пари була відповідно зменшена.
Рис. 5. Результати випробування газоаналізатора при віддаленні тампона з етанолом від сенсора в порівнянні з дослідом на рис. 4
На відміну від етанолу, CO є потенційно отруйним газом, що утворюється в результаті неповного згоряння бензину, дерева або навіть нешкідливої свічки. Отже, було важливо підтримувати належну вентиляцію, щоб забезпечити здоров’я та безпеку фахівців під час проведення експерименту з газом CO. У цій оцінці свічка використовувалася для отримання газу CO у прихованій банці, і той самий датчик SPEC 3SP_Ethanol_1000 використовувався для визначення концентрації газу CO. На рис. 6 показано захоплення газу CO, (синя крива). Зелена крива – це споживання струму газоаналізатора, включаючи мікроконтролер, яке становило 90 мА.
Як і при оцінці етанолу, у режимі очікування мік-роконтролер прокидається кожні 10 секунд, щоб контролювати вміст CO. Коли газ виявлено, мікро-контролер починає визначати його концентрацію, як показано на синій кривій. Червона лінія показує напругу батареї АА, яка дорівнює приблизно 1.5 В, а жовта лінія – це напругу на електроді CE.
Рис. 6. Результати випробування газоаналізатора при виявленні CO
ВИСНОВКИ
Для точного вимірювання вмісту газів етанолу та CO в споживчому та промисловому застосуванні потрібен малопотужний високоточний операційний підсилювач, який може працювати з напругою джерела живлення не вище 0.9 В. Підсилювач MAX40108 розроблено спеціально для ефективного виявлення та вимірювання поширених газів, таких як етанол і CO, оскільки він має не тільки низьке споживання струму 25.5 мкА, але й мініатюрні розміри 1.22Ч0.92 мм у корпусі WLP із 8 кульковими виводами. Підсилювач має режим відключення від живлення для заощадження енергії, що є обов’язковим для пристроїв, які застосовують у носимих медичних пристроях, а також у промисловому Інтернеті речей (IIoT) для вимірювання крім концентрації газів таких фізичних величин як тиск, швидкість потоку, рівень рідини, температура, прискорення та багато інших.
Лайкнути
Твітнути