Угарный газ (оксид углерода, CO) - один из наиболее токсичных продуктов горения. Он входит в состав дыма и выделяется при тлении и горении всех органических и углеродосодержащих веществ. Это очень ядовитый газ. У него нет ни цвета, ни запаха, что делает его особенно опасным, затрудняя своевременное обнаружение. Человек может почувствовать наличие угарного газа в воздухе лишь по первым симптомам отравления им, а это очень плохо. Интоксикация происходит незаметно и нарастает стремительно. Иногда предпринимать какие-либо попытки к спасению бывает слишком поздно, так как угарный газ способен "отключить " сознание человека за считанные секунды.
Основное воздействие оксида углерода на организм человека заключается в связывании им гемоглобина в красных кровяных тельцах. Этим он перекрывает путь кислороду к клеткам, организм просто не может дальше функционировать. К сожалению, с этим опасным ядом приходится сталкиваться постоянно в повседневной жизни, причём не только в большом городе (на оживлённых дорогах, около газовых плит и колонок), но и в сельской местности (вблизи больших автострад, в банях и в домах с печным отоплением). Поэтому иметь дома индикатор опасной концентрации оксида углерода в воздухе очень желательно.
Фирма Figaro Engineering выпускает недорогой и надёжный электрохимический датчик этого газа с жидким электролитом TGS5042 [1-3]. По размерам и внешнему виду он похож на обычный гальванический элемент типоразмера AA и работает в интервале температуры от -40 до 70 оС при концентрации CO от 0 до 10000 ppm. По сравнению с другими подобными датчиками TGS5042 имеет ряд преимуществ. В нём использован слабощелочной электролит, удовлетворяющий всем требованиям экологической безопасности, отсутствуют утечки электролита из корпуса, износ электродов и расход химических материалов датчика в процессе работы. Он имеет низкую чувствительность к другим газам, невысокую стоимость, длительный срок эксплуатации и отличается простотой калибровки.
Этот датчик и использован в описываемом приборе, схема которого приведена на рисунке. Прибор определяет наличие оксида углерода в воздухе и измеряет его концентрацию в интервале 1-999 миллионных долей (ppm). Результат измерения прибор отображает на трёхразрядном семиэлементном светодиодном индикаторе HG1, о превышении концентрации газа 100 ppm вырабатывается сигнал, подаваемый излучателем звука HA1.
Предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ в воздухе установлены в РФ в миллиграммах на кубический метр [4, 5]. Согласно указанным документам, концентрация оксида углерода в открытом воздухе не должна превышать 3 мг/м3 (среднесуточная) и 5 мг/м3 (пиковая), а в воздухе закрытого помещения - 20 мг/м3 в течение всего рабочего дня, 50 мг/м3 - в течение часа, 100 мг/м3 - в течение 30 мин или 200 мг/м3 в течение 15 мин. Для оксида углерода 1 мг/м3 эквивалентен 0,86 ppm.
Выходной ток датчика B1 прямо пропорционален концентрации оксида углерода в окружающем воздухе с коэффициентом преобразования
1,2...2,4 нА/ppm. С помощью ОУ, входящего в состав микросхемы DA1 (MAX9001ESD), ток датчика преобразуется в напряжение, которое измеряет цифровой вольтметр, построенный на микросхемах DA2 и DD1. При коэффициенте преобразования датчика 2 нА/ppm и R1=500 кОм концентрации оксида углерода 1000 ppm соответствует напряжение 1 В на выходе ОУ.
В микросхеме DA1 кроме ОУ имеются прецизионный источник образцового напряжения 1,23 В и компаратор напряжения с шириной зоны гистерезиса 2 мВ. На один из входов компаратора в приборе подано напряжение с выхода ОУ, а на второй - полученное с помощью резистивного делителя R2R3 образцовое напряжение 100 мВ, что соответствует концентрации оксида углерода 100 ppm. При превышении напряжением с выхода ОУ этого значения логический уровень на выходе компаратора станет низким, полевой транзистор VT2 откроется и через него на излучатель звука HA1 поступит напряжение питания. Частота встроенного в излучатель генератора задана конденсатором C4.
Микросхема DA2 (CA3162E) представляет собой цифровой вольтметр с интервалом измерения 0-999 мВ, оснащённый узлом динамической индикации результата. Для его работы с трёхразрядным семиэлементным светодиодным индикатором требуется добавить лишь преобразователь кода DD1 (CA3161E) и три транзисторных ключа VT3-VT5.
Чтобы предотвратить поляризацию датчика, при выключенном питании необходимо соединять его выводы между собой. Для этого предназначен р-канальный полевой транзистор VT1 (J177), открытый в отсутствие питания, но закрывающийся при подаче на его затвор напряжения +5 В относительно истока. Источник питания должен быть стабилизированным и рассчитанным на ток нагрузки не менее 200 мА.
Налаживание прибора начинают с калибровки вольтметра. Вначале вход микросхемы DA2 (выв. 11) временно отключают от выводов 3 и 10 микросхемы DA1 и соединяют его с общим проводом (минусом питания). Подстроечным резистором R4 добиваются нулевых показаний индикатора. Затем подают на выв. 11 постоянное напряжение +999 мВ и подстроечным резистором R5 устанавливают на индикаторе число 999. После этого соединение выводов 3 и 10 микросхемы DA1 с выводом 11 микросхемы DA2 восстанавливают.
Информация об индивидуальном коэффициенте преобразования датчика TGS5042 имеется на корпусе каждого его экземпляра. Если он отличается от 2 нА/ppm, то сопротивление резистора R1 необходимо изменить обратно пропорционально этому коэффициенту. Образцовое напряжение на входе компаратора (выв. 11 DA1), соответствующее необходимому порогу включения звукового сигнала, устанавливают подборкой резисторов R2 и R3. Резисторы R1-R3 желательно использовать с предельным отклонением сопротивления от номинала не хуже ±1 %.
Литература
1. Крашевский Р. Новая серия датчиков угарного газа TGS5042 от компании Figaro Engineering. - CHIP NEWS Украина, № 4 (114), май, 2012, с. 44-46.
2. Романова И. Высокочувствительные датчики газа, новинки от FIGARO ENGINEERING. - "Электроника: НТБ”, 2011, №1 (00107), с. 64-70.
3. TGS 5042 - for the detection of Carbon Monoxide. - URL: http://www.figarosensor.com/products/5042pdf.pdf.
4. "Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населённых мест". Гигиенические нормативы ГН 2.1.6.1338-03 (утв. Главным государственным санитарным врачом РФ 25 июня 2003 г.). - URL: http://ohranatruda.ru/ot_biblio/normativ/data_normativ/42/42030/index.php.
5. "Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны". Гигиенические нормативы ГН 2.2.5.1313-03 (утв. Главным государственным санитарным врачом РФ 27 апреля 2003 г.).- URL: http://www.norm-load.ru/SNiP/Data1/42/42033/index.htm.
Автор: А. Корнев, г. Одесса, Украина