SPEC - сімейство електрохімічних датчиків газу від компанії Spec Sensors. За принципом дії вони не відрізняються від класичних електрохімічних датчиків, вихідний струм яких пропорційний концентрації вимірюваного газу (CO, NO, озону і т.д.).

Типовий електрохімічний сенсор складається з корпусу і набору електродів, поміщених в рідкий електроліт (рис. 1). Газ, проникаючи через капілярний бар'єр (і фільтр), потрапляє на робочий електрод. Робочий електрод виготовляється з каталітичного металу, який забезпечує виникнення хімічної взаємодії між газом і електролітом. Для кожного виду газу використовується конкретний тип каталітичного матеріалу. Електрони, що з'являються в результаті електрохімічної реакції, забезпечують протікання струму між робочим і рахунковим електродами. При цьому величина струму виявляється пропорційна концентрації газу.

Мал. 1. Конструкція типового електрохімічного датчика газу

Для підвищення стабільності і швидкодії датчика, а також для поліпшення співвідношення сигнал-шум, в розглянуту вище конструкцію додають ще один електрод - референсний (еталонний). Він забезпечує стабільність електрохімічного потенціалу електроліту. При цьому дуже важливо підтримувати сталість потенціалу самого референсного електрода. Для цього необхідно, щоб через нього не протікав струм.

Для досягнення оптимального результату при вимірі концентрації газів, електромеханічного датчика може знадобитися деякий початкова напруга зсуву між робочим і референсним електродом. Величина зміщення залежить від типу датчика.

Важливою перевагою електрохімічних датчиків є їх мінімальне споживання. За своєю конструкцією вони нагадують конденсатори, і при відсутності зміщення їх споживання дорівнює нулю. При додатку зміщення відбувається вихід датчика на робочий режим, який супроводжується початковим кидком струму (рис. 2). Однак струм убуває з часом до субмікроамперного діапазону, а споживання становить одиниці-десятки мкВт. Саме з цієї причини рекомендується завжди тримати електрохімічний датчик при постійному зміщенні - це гарантує високу точність вимірювань і мінімальне споживання.

Мал. 2. Вихід електрохімічного датчика на робочий режим

Одним з головних недоліків електрохімічних датчиків є відносна складність конструкції. Їх серійне виробництво виявляється не найпростішим. Крім того, сучасна електроніка прагне до мініатюризації, а представлена ​​структура виявляється досить громіздкою. Проте, ці проблеми поступово вирішуються. Наприклад, компанія Spec Sensors пропонує використовувати комбінацію технології друкованої електроніки і ламінування для створення високоефективних електрохімічних газових датчиків в тонкій і дешевій упаковці.

У датчиках SPEC корпус як такий відсутній (рис. 3). Конструктивною основою датчиків стає друкована плата, яка зверху закривається мембраною з клейовим покриттям.

Мал. 3. Особливості виробництва датчиків SPEC

За запевненням компанії Spec Sensors такий підхід дозволяє значно зменшити вартість сенсорів, підвищити їх технологічність при великосерійному виробництві, зберегти хороші метрологічні характеристики і низьке споживання. Останній факт особливо підкреслюється, так як виробник має величезний інтерес до сегменту Інтернету речей і навіть випускає цілу лінійку закінчених цифрових модулів саме для IoT. Детальніше про це буде сказано нижче.

На даний момент Spec Sensors випускає кілька типів датчиків і модулів:

• Датчики з струмовим виходом для різних газів (CO, NO, озон, етанол і т.д.);
• Датчики якості повітря з струмовим виходом;
• Датчики газу з виходом по напрузі, які крім датчика газу включають ланцюга нормування і посилення. Для них вихідним сигналом є напруга, пропорційне концентрації газу;
• Цифрові датчики газу для IoT. У них також присутні ланцюги нормування і посилення, а вбудований контроллер забезпечує оцифровку вимірювань і передачу результатів по UART.

Датчики з струмовим виходом для різних газів (CO, NO, озон, етанол і т.д.). Датчики SPEC призначені для вимірювання концентрації одного конкретного виду газу. Кожен такий сенсор випускається в двох виконаннях: для монтажу в отвори і для поверхневого монтажу. Розглянемо особливості SPEC на прикладі датчиків чадного газу.

датчики 110-102 (Для монтажу в отвори) і 110-109 (Для поверхневого монтажу) використовуються для вимірювання концентрації чадного газу CO в діапазоні 0 ... 1000 ppm. Обидва датчика відрізняються тільки способом монтажу і мають однакові габарити 20 x 20 (рис. 4).

Мал. 4. Зовнішній вигляд датчиків чадного газу CO 110-102 (для монтажу в отвори) і 110-109 (для поверхневого монтажу)

Роздільна здатність датчиків 110-102 і 110-109 становить 0,5 ppb, а чутливість 4,75 ± 2,75 нА / ppm.

Передбачуваний термін служби датчиків 110-102 і 110-109 перевищує 5 років, а діапазон робочих температур -30 ... + 55 ° C.

Основними програмами для моделей 110-102 і 110-109 є системи пожежної безпеки, промислові установки, системи вентиляції і т. Д.

Коротко позначимо інші моделі датчиків SPEC від Spec Sensors:

• 110-202 і 110-205 - електрохімічні датчики парів етанолу з діапазоном вимірювання 0 ... 1000 ppm. Очікуваним додатком для цих сенсорів стануть різні види портативних і стаціонарних алкотестерів.
• 110-303 і 110-304 - електрохімічні датчики сірководню H2S з діапазоном вимірювання 0 ... 50 ppm. Основною областю застосування для цих сенсорів є промислові установки в хімічній промисловості.
• 110-407 - електрохімічні датчики озону з діапазоном вимірювань 0 ... 5 ppm.
• 110-507 і 110-508 - електрохімічні датчики діоксиду азоту з діапазоном вимірювання 0 ... 5 ppm. Найбільший інтерес вони представляють для систем безпеки і контролю повітря в хімічній і металургійній галузях.
• 110-601 - електрохімічні датчики діоксиду сірки SO2 з діапазонами вимірювання 0 ... 20 ppm. Вони також найбільш цікаві для хімічної галузі, зокрема для підприємств, які виробляють сірчану кислоту.

Датчики якості повітря з струмовим виходом. Крім датчиків для конкретних типів газів компанія Spec Sensors випускає і датчики якості повітря, які призначені для контролю концентрації відразу декількох типів домішок: ЛОВ, діоксиду азоту, діоксиду сірки, озону, сірководню. Вони можуть застосовуватися як на промислових підприємствах, так і в побутових системах вентиляції.

Всього Spec Sensors пропонує два типи датчиків якості повітря, для кожного з яких існує два виконання (для монтажу в отвори і для поверхневого монтажу):

• 110-901 і 110-902 - електрохімічні датчики якості повітря з діапазоном вимірювання 0 ... 20 ppm;
• 110-801 і 110-802 - електрохімічні датчики якості повітря з діапазоном вимірювання 0 ... 100 ppm.

Датчики газу з виходом по напрузі. Як уже було відзначено вище, для досягнення оптимального результату при вимірі концентрації газів, до електромеханічного датчика необхідно прикладати деяке початкове зміщення, що призводить до ускладнення схеми включення. Величина напруги зсуву залежить від типу датчика. Наприклад, як було сказано вище, для датчиків чадного газу зміщення становить 0 ... 5 мВ, для датчиків озону потрібно негативне зміщення -200 мВ і т. Д.

Крім того, при наявності референсного (еталонного) електрода, важливо забезпечити його постійний потенціал, що так само потребують додаткових зусиль. Як приклад можна привести типову схему потенціостата для трьохелектродної електромеханічного датчика від Spec Sensors (рис. 5).

Мал. 5. Схема потенціостата для трьохелектродної електрохімічного датчика

Пропонована схема управляє потенціалом робочого і рахункового електродів і перетворює струм робочого електрода в напругу. Потенціал еталонного електрода постійний і визначається напругою на вході інвертується підсилювача U1. Потенціал робочого електрода стабілізується за допомогою операційного підсилювача U2. Різниця потенціалів між робочим і еталонним електродами визначає зміщення датчика. Струм робочого електрода перетворюється в напругу операційним підсилювачем U2. Операційний підсилювач U1 генерує напруга на рахунковому електроді, яке є достатнім для забезпечення струму, який дорівнює і протилежний току робочого електрода.

Щоб спростити життя розробникам, компанія Spec Sensors пропонує закінчені модулі, в яких реалізовані всі необхідні схемні рішення (рис. 6). На виході такого датчика користувач отримує готове аналогове напруга, пропорційне концентрації газу.

Мал. 6. Зовнішній вигляд цифрового датчика і датчика з виходом по напрузі

Цифрові датчики газу для IoT. Датчики, розглянуті вище, можуть вільно використовуватися в нескладних автономних системах. Якщо ж мова йде про IoT-додатках, то більш зручними є цифрові датчики з послідовним інтерфейсом. Такий варіант також пропонується компанією Spec Sensors (рис. 6).

В якості комунікаційного інтерфейсу в цифрових моделях використовується UART.

Налагодження і оціночні набори для датчиків газу SPEC. Для максимально швидкого ознайомлення з особливостями і можливостями електрохімічних датчиків SPEC пропонується використовувати налагоджувальні та оціночні набори. На даний момент у кожного датчика SPEC є свій оцінний набір. Як приклад можна розглянути набір 968-020 Carbon Monoxide Analog Sensor Developer Kit.

Даний набір включає: базову плату з ланцюгами зсуву і перетворення струм-напруга, плату адаптера для зручного підключення в лабораторних умовах, п'ять датчиків CO (рис. 7).

Мал. 7. Приклад оцінного набору для датчика CO

На закінчення хотілося б відзначити, що при роботі з газоаналізаторами потрібно облік величезної кількості тонкощів (саморозігрів, калібрування, перехресна чутливість, старіння і т.д.), з цієї причини компанія Spec Sensors пропонує свої послуги з розробки датчиків і модулів за технічним завданням замовника .

Характеристики датчика CO 110-102:

• Діапазон вимірювання: 0 ... 1000 ppm;
• Максимальна роздільна здатність: 0,5 ppb;
• Максимальний час відгуку: 30 с;
• Типове час відгуку: 15 с;
• Чутливість: 4,75 ± 2,75 нА / ppm;
• Зміщення: 0 ... 5 мВ;
• Споживання: 0 ... 50 мВт;
• Термін служби: більше 5 років;
• Діапазон робочих температур: -30 ... + 55 ° C;
• Корпусне виконання і габарити: 20 x 20 x 3,8 мм.

Характеристики цифрового датчика чадного газу GS-CO 968-034:

• Діапазон вимірювання: 0 ... 1000 ppm;
• Дозвіл: 0,1 ppm;
• Зміщення: ± 1 ppm;
• Максимальний час відгуку: 30 с;
• Типове час відгуку: 15 с;
• Типове споживання: 12 мВт при періоді опитування 5/10/30/60 с;
• Комунікаційний інтерфейс: UART;
• Термін служби: більше 5 років;
• Напруга живлення: 3 В;
• Діапазон робочих температур: -20 ... + 40 ° C;
• Корпусне виконання і габарити: 44,5 x 20,8 x 8,9 мм.

Про компанію:

Spec Sensors - американська компанія, що спеціалізується на розробці і виробництві електрохімічних датчиків газу і закінчених модулів для побутових і промислових додатків, а також для IoT-пристроїв.