Zaloguj się
Wszystkie
15 lipca 2024
650
Narażenie już przez jedną godzinę dziennie na wdychanie tlenku węgla (CO) o stężeniu 1 ppm wiąże się ze wzrostem o 0,96% ryzyka hospitalizacji z powodu chorób układu krążenia (wśród osób w wieku powyżej 65 lat). Przy stężeniu 3...7 ppm następuje 6% wzrost wskaźnika przyjęć do szpitali osób starszych – z powodu astmy. Stężenie 9 ppm w wielu regulacjach krajowych i międzynarodowych uznaje się za maksymalny dopuszczalny poziom w pomieszczeniach i na zewnątrz. W przypadku wyższych stężeń CO jest dużo gorzej [8].
Urządzenia do gotowania na gazie ziemnym, z których korzysta wiele gospodarstw domowych, mogą przyczyniać się do złej jakości powietrza w pomieszczeniach, zwłaszcza jeśli są używane bez okapu. Kuchenki gazowe emitują dwutlenek azotu (NO2), tlenek węgla (CO) i formaldehyd (HCHO), z których każdy może zaostrzać różne dolegliwości układu oddechowego i inne dolegliwości zdrowotne [7].
W badaniach przeprowadzonych w Kalifornii oszacowano, że palniki gazowe dodają 25...33% do średniego tygodniowego stężenia NO2 w pomieszczeniach latem i 35...39% zimą. Zmienność między porami roku prawdopodobnie odzwierciedla fakt, że wymiana powietrza jest mniejsza w zimie. W przypadku CO oszacowano, że kuchenki gazowe przyczyniają się odpowiednio do 30% i 21% zwiększenia stężenia tego gazu w pomieszczeniach latem i zimą. W tym przypadku urządzenia emitowały stosunkowo więcej CO w okresie letnim, ponieważ stężenie na zewnątrz zwykle jest wtedy niższe. Wspomniane urządzenia w niewielkim stopniu podwyższały także stężenie HCHO w pomieszczeniach – w porównaniu z innymi źródłami, takimi jak meble czy materiały budowlane [7].
Działanie czujnika elektrochemicznego
Popularność elektrochemicznych czujników gazów można przypisać liniowości ich sygnału wyjściowego, niskiemu zapotrzebowaniu na energię i dobrej rozdzielczości. Co więcej, po skalibrowaniu na znane stężenie gazu docelowego powtarzalność oraz dokładność pomiaru są również doskonałe. Dzięki ewolucji technologii na przestrzeni dziesięcioleci czujniki te mogą zapewnić bardzo dobrą selektywność w stosunku do określonego rodzaju gazu. Chociaż sama technologia wykrywania detekcji stale się rozwija, jej podstawowa zasada działania – ani też powiązane z nią wady – nie zmieniły się od początków elektrochemicznej detekcji substancji gazowych.
SPEC Sensor to amperometryczne czujniki gazu, czyli sensory elektrochemiczne, które generują prąd o natężeniu proporcjonalnym do objętościowego udziału gazu w powietrzu. Na rysunku 1 typowy czujnik elektrochemiczny pokazano z dwiema elektrodami stykającymi się z ciekłym elektrolitem.
![Rysunek 1. Typowy elektrochemiczny czujnik dwuelektrodowy [1]](/i/2024/07/16/21009-3681-959x0_mwa-r1.jpg)
Gaz mierzy się na elektrodzie roboczej WE (Working Electrode), nazywanej też czujnikową (SE, od ang. sensing). Zwykle jest to metal katalityczny wybrany w celu optymalizacji efektywności reakcji gazu docelowego. Mierzony gaz przechodzi przez kapilarną barierę dyfuzyjną i reaguje z elektrodą. Elektrony powstałe w wyniku reakcji elektrochemicznej przepływają do lub z elektrody roboczej przez obwód zewnętrzny, w zależności od ilości reagującego gazu. Sygnałem wyjściowym czujnika jest prąd elektrody roboczej. Zależność pomiędzy jej prądem a stężeniem gazu ma charakter liniowy.
Przeciwelektroda CE (Counter Electrode) służy do zamknięcia obwodu ogniwa elektrochemicznego. Działa ona wyłącznie jako drugie półogniwo i umożliwia elektronom wnikanie do elektrolitu, a także opuszczanie go w równych ilościach i w przeciwnym kierunku niż elektrony biorące udział w reakcji elektrody roboczej.
Aby zapewnić optymalną wydajność, często wymagane jest przyłożenie ciągłego lub pulsującego napięcia polaryzacji do elektrod czujnika. Dodanie trzeciego wyprowadzenia, zwanego elektrodą odniesienia RE (Reference Electrode), poprawia stabilność, stosunek sygnału do szumu oraz czas reakcji konstrukcji 2-elektrodowej, zapewniając stabilny potencjał elektrochemiczny w elektrolicie. Napięcie polaryzacji jest przykładane pomiędzy RE i WE [1].
Układ pomiarowy czujnika elektrochemicznego
Elektrochemiczny czujnik gazu generuje na wyjściu prąd (w zakresie nanoamperów), który należy przekształcić w napięcie i wzmocnić za pomocą wzmacniacza transimpedancyjnego. Niezbędna jest również funkcja filtrowania, aby ograniczyć szerokość pasma szumu systemu. Filtracja ogranicza ponadto reakcję układu na szybkie zmiany stężenia gazu.
Dostępnych jest wiele topologii obwodów umożliwiających wdrożenie bloku TIA. Wybór ostatecznie zależy od wymagań wydajnościowych całego systemu. Ze względu na powolną reakcję czujnika CO na zmiany stężenia gazu nie jest wymagana duża szerokość pasma; pozwala to na zastosowanie wzmacniacza operacyjnego o niskim GBW z polaryzacją 0 V. Innym kluczowym aspektem w tym zastosowaniu pozostaje niskie wejściowe napięcie niezrównoważenia wzmacniacza operacyjnego mające zapobiegać offsetom napięciowym ze względu na wewnętrzną rezystancję czujnika CO.
Obwód kontrolujący potencjał elektrody roboczej i przekształcający jej prąd na napięcie nosi nazwę potencjostatu. Uproszczony schemat czujnika i potencjostatu zaprezentowano na rysunku 2. Potencjał elektrody odniesienia RE ustalany jest przez stabilne napięcie na wyprowadzeniu 2 układu U1, natomiast potencjał elektrody roboczej WE – przez (również odpowiednio ustabilizowany) potencjał na pinie 5 układu U2. Różnica napięcia pomiędzy elektrodą WE oraz RE określana jest jako napięcie polaryzacji czujnika. Kiedy sensor gazu zostanie wystawiony na działanie gazowego CO, prąd przepływa od elektrody roboczej do przeciwelektrody. Prąd elektrody roboczej WE jest przekształcany na napięcie za pomocą wzmacniacza operacyjnego U2. Z kolei wzmacniacz operacyjny U1 generuje napięcie na przeciwelektrodzie CE, które wystarcza, by dostarczyć prąd o wartości równej prądowi elektrody roboczej, ale o przeciwnym kierunku [1].
Dodatnie napięcie polaryzacji czujnika elektrochemicznego ustala się poprzez ustawienie napięcia na wyprowadzeniu 5 układu U2 – w stosunku do wyprowadzenia 3 układu U1. Wzmocnienie wzmacniacza transimpedancyjnego ustawia się, dobierając rezystor R6. Kondensatory C1 i C2 oraz rezystor R5 można dostosować do charakterystyki czujnika elektrochemicznego. Możliwe jest zastosowanie filtrowania analogowego i cyfrowego w celu poprawy charakterystyki szumowej układu.
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
