Прибор-приставка к мультиметру для контроля содержания углекислого газа

Для приборов контроля содержания углекислого газа в помещениях несколько крупных зарубежных фирм, в частности японские фирмы, выпускают датчики. Справочные листки этих датчиков размещены в сети Интернет, но сами датчики достать в Украине, России и Беларуси практически невозможно. Исключение составляют датчики фирмы FIGARO. Один из них и был приобретен для экспериментов.

Рис. 1. Габаритный чертеж TGS4161

Внешний вид датчика TGS 4161 показан на фото в начале статьи, габаритные размеры - на рис.1. Принцип работы датчика основан на изменении ЭДС встроенного в него микроминиатюрного гальванического источника напряжения при колебаниях содержания углекислого газа в окружающей среде. Для повышения эффективности работы датчика, внутри корпуса установлен также электрический подогреватель Если учесть, что все компоненты датчика размещены на стеклянной пластинке размерами 1,5x1,5 мм, то можно догадаться, почему стоимость датчика при его заказе весьма высока и достигает $50.

 
Пока одна из киевских фирм выполняла заказ на поставку датчика из-за границы, можно было начать макетировать схему контроля. При этом было обращено внимание на тот факт, что при таких микроскопических размерах источника ЭДС датчика его можно нагружать только на очень высокоомный вход операционного усилителя (ОУ). Конечно, для этой цели непригодны широко распространенные бытовые ОУ, например, типа LM358N и аналогичные. Их входное сопротивление не превышает 200 кОм. Более рационально использовать ОУ с полевыми транзисторами во входных каскадах. Весьма недорогим и распространенным таким ОУ является CA3140EZ. Его входное сопротивление доходит до нескольких ГОм (гигаом).

Второй задачей при построении бытового измерителя С0₂ с датчиком TGS4161 является линеаризация его выходной характеристики. Кстати, эта проблема характерна и для датчиков других фирм. Действительно, в тексте справочного листка датчика лишь одним кратким предложением отмечено, что его выходная характеристика логарифмическая. Пользоваться такой шкалой бытового прибора (измерителя концентрации С0₂ в помещении) обывателю крайне неудобно. Значит, надо линеаризовать передаточную характеристику прибора.

Именно на эти вышеуказанные особенности проектируемого бытового измерителя концентрации СО₂ и было обращено внимание при его построении.

 
До получения заказанного датчика С0₂ вместо него для макетирования схемы использовался его имитатор, схема которого показана на рис.2, а внешний вид - на фото 1 Напряжение (3 В) малогабаритной часовой батареи CR2023 понижается делителем имитатора примерно до 0,30...0,36 В. Конкретная величина выходного напряжения имитатора зависит от положения червячного микрометрического винта подстроечного резистора R3 и сопротивлении резисторов R1, R4, R5, R6.

Резистор R7 является выходным токоограничивающим.

 Рис. 3. Принципиальная схема датчика газа CO₂

 
Принципиальная схема усилителя ЭДС датчика газа СО₂ показана на рис.3. Напряжение датчика подается на неинвертирующий вход ОУ DA1. Резисторы цепи обратной связи R1 и R2 задают небольшой коэффициент усиления каскада на ОУ. К выходу этого усилителя, как показано на рис.3, подключают цифровой мультиметр, например, DT-830B, подготовленный для измерения напряжений на пределе 200 мВ.

 
Первоначально при нулевом значении сопротивления между движком R3 и нижним по схеме рис.2 выводом этого резистора выставляют подстроечными резисторами имитатора его выходное напряжение 300 мВ. Далее выставляют величину подстроенного резистора R2 в схеме рис.3 порядка 9,1 кОм. Регулировкой положения движка подстроенного резистора R5 добиваются минимальных, практически нулевых, показаний мультиметра DT-830B, подключенного к контактам колодки XS2. Это оказывается возможным при включении (по схеме) измерительного милливольтметра между выходом ОУ DA1 и движком подстроечного резистора R5. Далее выставляют выходное напряжение имитатора порядка 350 мВ. Это должно имитировать подачу на вход устройства сигнала датчика газа при давлении СО₂ 2000 ppm.

 
Диод VD1 совместно с резистором R3 линеаризуют выходную характеристику всей схемы измерителя С0₂ на ОУ DA1. В качестве VD3 использован диод Шотки с относительно небольшим пороговым напряжением (порядка 0,3 В). При больших напряжениях (примерно с 0,4 В) диод Шотки резко переходит в насыщение Это явление и использовано для линеаризации показаний прибора для измерения процентного содержания углекислого газа в воздухе. Дело в том, что согласно справочному листку фирмы FIGARO для датчика TGS4161, линейные приращения выходного напряжения датчика происходят при изменениях давления СО₂ по логарифмическому закону (рис.6). Фактически, датчик имеет отклик при изменении парциального давления С02 от 350 до 10000 ppm. По санитарным нормам допускается 10% содержание СО₂ в воздухе жилых помещений. поэтому для бытовых целей достаточно ограничить диапазон парциального давления этого газа в воздухе 1000 ppm Даже с двукратным превышением С0₂ в контролируемом воздухе диапазон изменений этого газа описанным прибором составляет 350...2000 ppm.

 
На рис.4 показана топография печатной платы макета, на рис.5 - расположение радиокомпонентов на плате, а на фото 2 - внешний вид макета.

В заключение этой статьи хотелось бы поделиться с читателями своими сомнениями в правильности фирменной информации FIGARO в части рисунка активногоэлемента датчика TGS4161 (рис.7). Согласно этому рисунку электроды активного элемента датчика (Sensing electrode и Counter electrode) разделены между собой не только слоем электролита (Solid electrolyte), но и слоем стекла (Glass). Стекло - практически идеальный диэлектрик, через него «не проходят» электрические заряды (ток). Как же он «не мешает» работе гальванического элемента датчика С0₂? Может быть, стекло на заводе-изготовителе датчиков TGS4161 было легировано специальными примесями, которые и придали ему возможность проводить электрические заряды. Об этом остается только догадываться. Фактически, конструкция датчика С0₂ - объективная реальность. Датчик TGS4161 работоспособен и используется во многих странах мира, поэтому вопрос его «детальной» конструкции - риторический и в него, пожалуй, не стоит углубляться. Лучше обратить внимание читателей, что фирма FIGARO разработала и серийно выпускает аналогичный датчик С0₂ - TGS4160. В его корпусе дополнительно установлен терморезистор, что позволяет производить контроль температуры в «структуре» датчика. Поддержание температуры на постоянном уровне независимо от колебаний внешней температуры в помещении делает работу датчика С0₂ более стабильной. Правда, стоит такой датчик на 10 дол. больше.

Рис. 6

Рис. 7

 Е.Л. Яковлев, г. Ужгород  Журнал Радиоаматор, №10 2012г