Расстановка точек над датчиками газа серии MQ – глубокое понимание даташита и настройка / Хабр

Что такое датчик газа mq-2?

MQ-2 является одним из наиболее часто используемых датчиков газа из серии датчиков MQ. Это датчик газа типа металл-оксид-полупроводник (МОП, MOS), также известный как химрезистор (химический резистор), поскольку обнаружение основано на изменении сопротивления чувствительного материала, когда газ вступает в контакт с этим материалом. Используя простую цепь делителя напряжения, можно измерить концентрацию газа.

Датчик газа MQ-2 работает при постоянном напряжении 5 В и потребляет около 800 мВт. Он может обнаруживать концентрации LPG (сжиженного нефтяного газа), дыма, алкоголя, пропана, водорода, метана и угарного газа от 200 до 10000 ppm (миллионных долей).

Вот полный список технических характеристик:

Для более подробной информации, пожалуйста, обратитесь техническому описанию.

Что такое сенсор для газоанализаторов?

Внутренняя структура датчика газа mq-2

Датчик фактически заключен в два слоя тонкой сетки из нержавеющей стали, которая называется «антивзрывной сеткой» (anti-explosion network). Она гарантирует, что нагревательный элемент внутри датчика не вызовет взрыва, когда мы ищем легковоспламеняющиеся газы.

Она также обеспечивает защиту датчика и отфильтровывает взвешенные частицы, поэтому внутрь камеры могут проходить только газообразные элементы. Сетка связана с остальной частью корпуса через медное зажимное кольцо.

Так выглядит датчик при удалении внешней сетки. Звездообразная структура образована из чувствительного элемента и шести соединительных ножек, которые выходят за пределы бакелитового основания. Из шести два вывода (H) отвечают за нагрев чувствительного элемента и соединены через катушку из никель-хромовой проволоки, хорошо известного проводящего сплава.

Остальные четыре вывода (A и B), отвечающие за выходные сигналы, подключены с использованием платиновых проводов. Эти провода соединены с корпусом чувствительного элемента и передают небольшие изменения тока, который проходит через чувствительный элемент.

Трубчатый чувствительный элемент изготовлен из керамики на основе оксида алюминия (Al2O3) и покрыт диоксидом олова (SnO2). Диоксид олова здесь является наиболее важным материалом, будучи чувствительным к горючим газам.

Итак, никель-хромовая катушка и керамика на основе оксида алюминия образуют систему подогрева; в то время как платиновые проволоки и покрытие из диоксида олова образуют сенсорную систему.

Использование интегратора

Для усиления сигнала датчика вместо трансимпедансного усилителя можно использовать альтернативную схему на основе интегратора, которая в упрощенном виде показана на рисунке 6. В данном случае условно изображена такая конфигурация, при которой число циклов заряда/разряда конденсатора обратной связи интегратора соответствует току, генерируемому датчиком.

Особенности схемотехники при использовании газовых датчиков

Напряжение смещения датчика (VWE – VRE) и его полярность (направление тока Isense) у разных датчиков могут отличаться.

Несмотря на то, что большинство датчиков может работать при нулевой разности потенциалов между электродами WE и RE, для некоторых типов датчиков эта разность необходима. В частности, датчики хлороводорода (HCl) и оксида азота (NO) требуют наличия положительной разности потенциалов, а датчики кислорода (O2) – отрицательной.

В случае датчиков NO2, Cl2, диоксида хлора (ClO2) и O2 выходной сигнал может иметь отрицательную полярность (при протекании реакции ток Isense отрицателен).

Если посмотреть на схему, приведенную на рисунке 4, в которой напряжение смещения и полярность зависят от величины напряжения питания, то можно заметить, что ОУ U1 может войти в насыщение (например, если ток Isense отрицательный). ОУ U2 также может войти в насыщение, если напряжение, которое необходимо подать на электрод CE, окажется близким или превысит напряжение питания U2 (это напряжение может быть в диапазоне ±1 В относительно Vref).

Один из возможных путей решения указанных проблем – применение двуполярного питания ОУ (например 5 В и -5 В). Однако, несмотря на то что такое решение имеет право на жизнь, особенно в промышленном оборудовании, для портативных устройств оно, как правило, не годится.

В этом случае выходной сигнал будет равен Vref2 RT × Isense (рисунок 7).

В устройствах с низковольтным питанием необходимо применять ОУ с полным размахом входного напряжения («rail-to-rail»), чтобы указанные выше ограничения были не столь критичны.

Как работает электрохимический датчик?

Электрохимический датчик газа (рисунок 2) содержит мембрану и два или три электрода, контактирующих с электролитом. Сам датчик герметичен для электролита. Газ попадает внутрь датчика через мембрану, которая ограничивает скорость поступления газа, влияя тем самым на чувствительность датчика.

Когда газ попадает на рабочий электрод (Working Electrode, WE) происходит химическая реакция: либо реакция окисления (отдача электронов) для газов CO, H2S, SO2 и NO, либо реакция восстановления (присоединение электронов) для газов O2, NO2 и Cl2. Конкретная реакция зависит от датчика.

Если на поверхности WE происходит реакция окисления, то на поверхности счетного электрода (Counter Electrode, CE) происходит обратная реакция восстановления.

Например, в датчике угарного газа (рисунок 2) на поверхности рабочего электрода WE происходит реакция окисления:

CO H2O → CO2 2H 2e—

Соответственно, на электроде CE происходит реакция восстановления:

½O2 2H 2e— → H2O (поглощение кислорода)

На рисунке 3 изображена конструкция датчика O2.

Часть заряженных частиц мигрирует через электролит, в результате чего на одном из электродов за счет избытка электронов образуется отрицательный заряд, а на другом – положительный. Если между электродами WE и CE включить электрическую цепь, которая в простейшем случае может представлять собой обычный резистор, то по ней начинает течь ток.

В случае датчика CO через электролит от WE к CE мигрируют протоны H , тогда как отрицательно заряженные электроны e— движутся по внешней цепи от WE к CE. По сути, датчик генерирует ток, протекающий от CE к WE. Именно поэтому такие датчики также называются амперометрическими.

Ток, генерируемый в процессе этой химической реакции, пропорционален концентрации газа.

Таким образом, при наличии в воздухе контролируемого газа через электрод CE течет ток, изменяя потенциал на границе «электролит/электрод». Это может оказывать влияние на реакцию датчика.

Для поддержания стабильной разницы потенциалов между электродом WE и электролитом в некоторые датчики добавляют третий электрод, через который ток не течет (то есть, на его поверхности не происходит никаких химических реакций). Этот электрод называется опорным или референсным электродом (Reference Electrode, RE).

Как устроены и работают датчики утечки газа » сайт для электриков – статьи, советы, примеры, схемы

Код arduino

Код очень прост, и, в основном, он просто читает аналоговое напряжение на выводе A0. При обнаружении дыма он выводит сообщение на мониторе последовательного порта. Посмотрите скетч, прежде чем мы начнем его подробный разбор.

#define MQ2pin (0)

float sensorValue;  // переменная для хранения значения датчика

void setup()
{
  Serial.begin(9600); // настроить последовательный порт на скорость 9600
  Serial.println("Gas sensor warming up!");
  delay(20000);       // дать MQ-2 время для прогрева
}

void loop()
{
  sensorValue = analogRead(MQ2pin); // прочитать аналоговый вход 0
  
  Serial.print("Sensor Value: ");
  Serial.print(sensorValue);
  
  if(sensorValue > 300)
  {
    Serial.print(" | Smoke detected!");
  }
  
  Serial.println("");
  delay(2000); // подождать 2 сек до следующего чтения
}

Скетч начинается с определения вывода Arduino, к которому подключен аналоговый вывод датчика газа MQ-2. Переменная под названием sensorValue определена для хранения значения датчика.

#define MQ2pin (0)

float sensorValue;  // переменная для хранения значения датчика

В функции setup() мы инициализируем последовательную связь с ПК и ждем 20 секунд, чтобы дать датчику прогреться.

Serial.begin(9600); // настроить последовательный порт на скорость 9600
Serial.println("Gas sensor warming up!");
delay(20000);       // дать MQ-6 время для прогрева

В функции loop() значение датчика считывается функцией analogRead() и отображается в мониторе последовательного порта.

sensorValue = analogRead(MQ2pin); // прочитать аналоговый вход 0
  
Serial.print("Sensor Value: ");
Serial.print(sensorValue);

Когда концентрация газа достаточно высока, датчик обычно выдает значение, превышающее 300. Мы можем отслеживать это значение с помощью оператора if. И когда значение датчика превысит 300, мы отобразим сообщение «Smoke detected!» (Обнаружен дым!).

if(sensorValue > 300)
{
  Serial.print(" | Smoke detected!");
}

Вывод в мониторе последовательного порта выглядит так:

Конфигурация для гальванических датчиков

Возьмем датчик O2, используемый для определения недостаточной или избыточной концентрации кислорода в среде, пригодной для дыхания. Ток, генерируемый таким датчиком, составляет сотни микроампер. Это достаточно большой ток, поэтому ОУ TSV711 (9 мкА) будет хорошим претендентом на применение в таком устройстве.

В качестве альтернативного решения можно использовать падение напряжения на нагрузочном резисторе с последующим усилением этого напряжения подходящим операционным усилителем. В этом случае преобразование тока в напряжение осуществляется резистором RL, а не трансимпедансным усилителем (рисунок 8).

Уровень сигнала, который необходимо усиливать, достаточно мал – RL × Isense выражается в милливольтах. Поэтому для такой конфигурации необходимо использовать прецизионный усилитель, имеющий, помимо всего прочего, малый температурный дрейф напряжения смещения.

В самом деле, если напряжение смещения еще можно как-то скомпенсировать, то реализовать температурную компенсацию – достаточно сложная задача. Лучшим операционным усилителем в данном случае будет ОУ со стабилизацией прерыванием (чопперный ОУ) TSZ121 с максимальным напряжением смещения 5 мкВ и максимальным температурным дрейфом 0,06 мкВ/°C.

Еще одним достоинством такой схемы является тот факт, что даже при отключенном питании датчик остается в смещенном состоянии благодаря RL. Общее потребление устройства можно уменьшить, если подавать питание на датчик циклически (не забывая о том, что конденсаторы должны успевать заряжаться при каждом включении датчика).

Выходной сигнал, поступающий на вход АЦП, высчитывается по формуле 1:

$$-left(1 frac{R_{f}}{R_{g}} right)times I_{sense}times R_{L}qquad{mathrm{(}}{1}{mathrm{)}}$$

Обратите внимание, что ток Isense отрицательный (мы говорим о датчике O2), поэтому напряжение на входе АЦП положительное.

На рисунке 9 изображена принципиальная схема, которая хорошо подходит для использования с гальваническим датчиком O2, выходной ток которого для воздуха составляет около 100 мкА. Данная схема имеет коэффициент усиления 215, поэтому выходное напряжение для чистого воздуха составит примерно 2,15 В.

При этом остается некоторый запас по напряжению для определения более высоких концентраций кислорода или для обеспечения большей чувствительности датчика. Кроме того, используется большая часть диапазона полной шкалы АЦП, что обеспечивает лучшую разрешающую способность.

Обеспечение смещения датчика

Если датчик останется без смещения, он поляризуется. Из-за емкостного характера датчика для последующего выхода в рабочее состояние ему потребуется много времени – от нескольких минут до одного дня. Датчики, работающие при VWE = VRE (трехэлектродные)

и при VWE = VCE (двухэлектродные), могут оставаться смещенными даже при отсутствии питания. Обратите внимание, что состояние отключения питания может возникнуть при замене батареек. В портативных устройствах питание может отключаться между измерениями для уменьшения потребления.

Для того чтобы датчик оставался смещенным при отсутствии питания, используйте P-канальный полевой транзистор (P-JFET), например, J177, подключив его между выводами WE и RE датчика. В случае двухэлектродного датчика транзистор следует подключить между выводами WE и CE, а его затвор – через резистор к линии питания. При отключении питания P-JFET закоротит электроды датчика и тем самым обеспечит необходимое смещение (рисунок 10).

При наличии питания P-JFET находится в области отсечки (то есть ток между стоком и истоком не течет) и не влияет на работу датчика. В этом случае входное напряжение смещения двух ОУ образует напряжение Vds, которое может быть отличным от нуля.

Соответственно, напряжение Vgs должно быть достаточно большим, чтобы исключить протекание тока через транзистор. В противном случае этот ток будет усилен наравне с током датчика, что вызовет ошибку смещения. Особое внимание следует уделить работе при малом напряжении питания.

Однако поскольку обычно стараются использовать как можно большую часть диапазона АЦП, рекомендуется применять ОУ с малым значением Vicm (например, для датчика угарного газа), при использовании которого необходимо обеспечить большое значение Vgs.

Если смещение датчика реализовано при VWE ≠ VRE (трехэлектродный датчик) или VWE ≠ VCE (двухэлектродный датчик), то для смещения датчика при отсутствии напряжения питания можно использовать дополнительный элемент питания.

В случае применения двухэлектродного гальванического датчика с усилительным каскадом, аналогичном показанному на рисунке 9, нагрузочный резистор, преобразующий ток Isense в напряжение, обеспечивает смещение датчика даже при отсутствии напряжения питания.

Следует отметить, что номиналы резисторов и конденсаторов обвязки ОУ IC1B могут изменяться для обеспечения стабильности в зависимости от типа датчика. Однако тестирование ОУ TSU102 с различными датчиками показало, что хорошие характеристики обеспечиваются даже при прямом подключении (R = 0 Ом, C = 0 Ф).

При напряжении питания 3,3 В напряжение смещения задается равным 300 мВ.

Если датчику необходимо смещение (например, датчику кислорода), то для независимого управления входным синфазным напряжением обоих ОУ можно использовать второй делитель. Полевой транзистор также можно будет убрать.

В случае использования двухэлектродного датчика ОУ IC1B должен быть включен по схеме повторителя, чтобы подавать на электрод CE фиксированное напряжение (R5 отсутствует, R6 и C2 закорочены).

Преобразование сигнала трехэлектродного датчика

Для использования трехэлектродного датчика между электродами WE и RE необходимо обеспечить разность потенциалов, определяемую спецификацией датчика. Ток, протекающий через электрод WE, должен уравновешиваться схемой, подключенной к электроду CE. Через электрод RE ток течь не должен.

Для преобразования генерируемого тока в напряжение, которое можно будет считать с помощью АЦП микроконтроллера, используется трансимпедансный усилитель. В целом получившаяся схема носит название «потенциостат». Как правило, датчики рассчитаны на конкретное сопротивление нагрузки, которое указывается в их спецификации. Это значение обычно лежит в диапазоне 10…100 Ом.

На рисунке 4 изображены основные узлы потенциостата. Операционный усилитель U1 благодаря наличию резистора RT преобразует ток, формируемый датчиком, в напряжение. Таким образом, выходное напряжение, измеряемое АЦП, равно RT × Isense.

В зависимости от типа датчика (контролируемого газа) этот ток может быть как положительным, так и отрицательным (рисунки 2 и 3).

Операционный усилитель U1 также обеспечивает требуемое сопротивление нагрузки датчика (RL) и стабилизирует потенциал рабочего электрода. Операционный усилитель U2 стабилизирует на фиксированном уровне потенциал опорного электрода (VWE – VRE = -Vref).

Далее микроконтроллер на основе результата АЦП вычисляет концентрацию газа, исходя из того, что она пропорциональна Isense.

Прочие важные параметры операционных усилителей

Наиболее важным параметром устройств с батарейным питанием является их потребление. Однако если устройство должно иметь хорошие точностные характеристики, то при выборе ОУ необходимо обращать внимание на такой параметр как напряжение смещения нуля (Vio) даже при использовании схемы потенциостата.

Фактически в схеме потенциостата напряжение Vio вычитается из выходного сигнала. Так, если мы возьмем датчик NO2 с чувствительностью 100 нА/ppm, нагружаемый на RT сопротивлением 100 кОм, то величина Vio = 3 мВ вызовет ошибку в 0,3 ppm.

Кроме того, величина Vio влияет на время запуска устройства. Большинство датчиков имеет довольно значительную емкость в районе 100 мкФ. Соответственно, при включении питания, пока выход не вошел в насыщение, датчик смещает заряд к уровню Vio с постоянной времени RTC (десятки секунд).

Для корректной работы схемы потенциостата требуется, чтобы входной ток смещения (Iib) операционного усилителя был небольшим, чтобы предотвратить втекание тока в опорный электрод (ОУ U2 на рисунке 7), а также чтобы исключить дополнительное смещение, вызванное RT.

Как Vio, так и Iib можно компенсировать при помощи калибровки. При линейной характеристике системы выходной сигнал, поступающий на АЦП, равен Req × Isense Voffset. Он зависит от чувствительности датчика, точности RT, Vref, Vref2, Iib, а также от Vio усилителя U2.

Однако даже если скомпенсировать Vio и Iib, то их изменения, связанные с изменением температуры, скомпенсировать уже не получится. Поэтому для устройств, которые должны обеспечивать очень высокую точность, лучше всего подойдет ОУ TSZ121, который имеет температурный дрейф всего 0,06 мкВ/°C.

ОУ TSU111 тоже имеет намного меньший температурный дрейф смещения по сравнению с TSU101.

Любые изменения напряжения Vref2 можно отслеживать, используя дополнительный канал АЦП.

Как можно увидеть из таблицы 1, CMOS-усилители TSU111, TSU10x, TSV71x, TSZ12x и TSV73x представляют собой очень хорошие ОУ, параметры которых в полной мере удовлетворяют требованиям приложений, использующих электрохимические датчики.

Таблица 1. Спецификации ряда ОУ при напряжении питания 3,3 В

Рекомендуется не использовать операционные усилители при входном синфазном напряжении, близком к точке переключения входных дифференциальных каскадов. Это значение составляет около Vcc -0,7 В для TSU10x и Vcc -0,9 В для TSV71x и TSV73x.

Многие бытовые датчики угарного газа являются, по сути, одноразовыми. В них часто используются литиевые элементы питания, напряжение которых уменьшается с течением времени. Применение в таких датчиках операционных усилителей с малым значением минимального напряжения питания позволяет увеличить срок службы устройства.

Тестирование готового устройства

Для проверки функционирования готового устройства могут выполняться разные тесты.

Тест 1.

• удалите датчик (обычно датчики не припаиваются во избежание повреждения);
• закоротите точки подключения RE и CE на печатной плате;
• проверьте, наличие опорного напряжения в этой точке (обратите внимание, что ОУ сейчас работает как повторитель);
• не подключая датчик, проконтролируйте напряжение на выходе второго ОУ. Оно должно быть равно напряжению WE, так как этот ОУ тоже работает как повторитель, поскольку один из выводов резистора R_load «висит в воздухе»;
• на этом этапе можно точно подстроить значения напряжений RE и WE.

Тест 2.

• подключите к R_load источник тока и проверьте корректную работу трансимпедансного усилителя (V_out должно быть равно V_WE R_T × I);
• установите датчик в устройство и включите его (перед этим не забудьте устранить короткое замыкание и отключить источник тока).

При отсутствии контролируемого газа Vout = VWE. При воздействии газа выходной сигнал изменяется в соответствии с чувствительностью датчика. Обратите внимание, что если до этого датчик был без смещения, то прежде чем он начнет корректно работать, может пройти от нескольких минут до нескольких часов.

Поскольку при изготовлении датчиков точное значение их чувствительности не очень легко контролировать, необходимо выполнять калибровку устройства при различных концентрациях газа.

В качестве альтернативы можно использовать ударный тест, который заключается в моментальной подаче газа. Для датчика СO2, например, это может быть измерение в момент выдоха.

На рисунке 12 приведены результаты, полученные при ударном тестировании трехэлектродного датчика CO, реализованного с использованием ОУ TSU101.

Топ 5 беспроводных датчиков

Этот вид приборов н требует подключения к сети. Беспроводной монтаж упрощает эксплуатацию. Особенно удобны эти приборы, когда нужно обнаружить утечку в труднодоступных местах.

1. Rubetek KR-GD13. Опознает превышение загазованности метаном бутаном, аммиаком. Работает в температурном диапазоне от -10 до 50 градусов и влажности от 10 до 95%. Распознает утечку на расстоянии до 30 м, издавая при этом громкий сигнал в 85 дБ. Для срабатывания достаточно превышение концентрации угарного газа на 10%. Совместим с системой «Умный дом».
2. СЕМ GD-3300. Реагирует на 16 видов вредных примесей, не требуя специальной настройки. Оснащен зондом для поиска источника утечки газа. Работает при температуре от – 10 до 50 градусов.
3. Xiaomi Mi Honeywell. Произведен брендом Xiaomi совместно с предприятием Honeywell которое специализируется на выпуске устройств противопожарной безопасности, в том числе сигнализаторов и датчиков. Может подключаться к системе «Умный дом Xiaomi Mi Home». После обнаружения неполадки прибор высылает сообщение на смартфон.
4. Testo 317-2. Высокотехнологичный прибор с тонкими настройками. Настроен на выявление метана и пропана от 20% допустимой концентрации. Подает громкий звуковой сигнал, который усиливается при сближении с местом утечки.
5. Мегеон 08002 к0000017420. Детектор горючего газа. Признан лучшим по соотношению цены и качества. Несмотря на китайскую сборку, в датчике используется импортный сенсор от европейского производителя, что обеспечивает точное определение состава газа.

Топ 5 проводных сигнализаторов

Работающие от сети приборы удобны, поскольку не нужно следить за уровнем заряда аккумуляторов. Они экономичны и устанавливаются недалеко от газового оборудования. Некоторые модели идут в комплекте с клапаном отсекателем.

По отзывам пользователей, лучшими считаются следующие приборы:

1. Кенарь GD100-CN. Предназначен для определения превышения концентрации СО(от 150 pmm) и метана от 10%. После устранения опасности возвращается в рабочий режим самостоятельно. Устанавливается на вертикальных поверхностях. Диапазон рабочих температур от 0 до 50 градусов.
2. Sapsan Газ-Контроль Клапан. Прибор для обнаружения утечки природного, сжиженного топлива и метана. Устанавливается в помещениях с температурой не ниже -10 и не выше 50 градусов и с влажностью не выше 95%. После обнаружения загазованности детектор передает электрический импульс на клапан. Происходит перекрытие газа. Возобновить подачу можно только вручную после устранения аварийной ситуации. С сигнализацией громкостью 85 дБ включается и световая индикация.
3. Seitron RGDME5MP1 с клапаном NA25. Итальянский прибор для обнаружения утечки природного газа. Работает при температуре от 0 до 40 градусов. Определяет загазованность при концентрации метана от 10%. Срабатывает оптическая и акустическая сигнализация. Датчик запускает принудительную вентиляцию (если в помещении предусмотрена такая опция) и подает сигнал на электромагнитный клапан.
4. ALFA GAS 12. Недорогой прибор, реагирующий на метан, бутан, пропан, сжиженный. Реагирует на превышение концентрации веществ от 10%. При обнаружении опасности дает сигнал в 85 дБ в сопровождении световой индикации. Монтируется в помещении, где с температурой от 0 до 50 градусов.
5. СТРАЖ Bradex TD 0371. Модель со световой и звуковой индикацией и самым чувствительным катализатором, реагирует на превышение концентрации газа от 0,1-0,5%.

Устройство и принцип работы датчиков

Датчик утечки газа – небольшой прибор, реагирующий на изменение состава воздуха в помещении и подающий сигнал. Многие модели оснащены запорным элементом – клапаном. Он останавливает подачу газа, если его избыток в воздухе превышает допустимые нормы и создается опасность взрыва или отравления.

Современные модели могут включать принудительную вентиляцию, а также отправлять сообщения об утечке владельцу помещения и в аварийные службы. Такие устройства интегрируются в системы «Умный дом».

Конструкция датчиков состоит из следующих узлов:

1. Первичный преобразователь – датчик, улавливающий и фиксирующий концентрацию газа.
2. Измеритель – считывает информацию первичного преобразователя и сравнивает с допустимыми величинами.
3. Исполнительный узел – перекрывающий подачу газа клапан.
4. Элемент питания – блок, подающий энергию.

Фильтрация

Сигналы, формируемые электрохимическими датчиками, изменяются очень медленно. Поэтому для снижения уровня шумов рекомендуется их фильтровать. В качестве фильтра можно использовать простой пассивный НЧ-фильтр (RC-цепочку) или активный фильтр, реализованный на дополнительном операционном усилителе либо на незадействованном канале ОУ, если таковой имеется.

Частота среза такого фильтра может быть очень маленькой, вплоть до 1 Гц, поскольку она должна быть сопоставима со временем реакции датчика. Это время реакции обычно составляет десятки секунд и в документации на датчик обозначается как t90.

В случае гальванометрической схемы (рисунок 9) параллельно Rf ставят конденсатор, чтобы предотвратить усиление сигналов, например, шумов, частота которых выше частоты интересующего нас полезного сигнала. Частота среза такой цепочки равна 1/2×π×Rf×Cf.

Те же соображения, связанные с шириной полосы пропускания, применимы и для схемы потенциостата.

Дополнительно к выходу операционного усилителя можно подключить простую RC-цепочку, чтобы получить фильтр второго порядка. Если мы подключим эквивалентный источник белого шума (e0) с уровнем (G) к входу НЧ-фильтра первого порядка с частотой среза fc, то уровень шума в бесконечной полосе частот будет равен (формула 2):

$$e_{o}Gsqrt{int_{0}^{infty}{frac{df}{1 left(frac{f}{f_{c}} right)^2}}}=e_{o}Gsqrt{left[f_{c}Atanleft(frac{f}{f_{c}} right) right]_{0}^{infty}}=e_{o}Gsqrt{frac{f_{c}pi }{2}}=e_{o}Gsqrt{1.57f_{c}}qquad{mathrm{(}}{2}{mathrm{)}}$$

При использовании фильтра второго порядка с такой же частотой среза на уровне -3 дБ уровень шума в бесконечной полосе частот составит (формула 3):

$$e_{o}Gsqrt{int_{0}^{infty}{frac{df}{left(1 left(frac{fsqrt{sqrt{2}-1}}{f_{c}} right)^2 right)^2}}}=e_{o}Gsqrt{left[ frac{f_{c}}{fsqrt{sqrt{2}-1}}Atanleft(frac{fsqrt{sqrt{2}-1}}{f_{c}} right) 2left(1 left(frac{fsqrt{sqrt{2}-1}}{f_{c}} right)^2 right)

Таким образом, при той же полосе пропускания фильтр второго порядка позволяет уменьшить уровень выходных помех на 13% по сравнению с фильтром первого порядка.

Несмотря на то что порядок НЧ-фильтра непосредственно влияет на уровень помех, вычисление реального уровня помех на выходе – намного более сложная задача. В общей сложности шум зависит от параметров операционного усилителя (таких как полоса пропускания и эквивалентная плотность шумов, приведенная ко входу) и датчика (математическая модель которого, как правило, недоступна).

Для операционных усилителей обычно указывают значение 1/f-шума (среднеквадратичное значение в диапазоне 0,1…10 Гц) и плотность белого шума (при 1 кГц). Первый из этих параметров более критичен, поскольку белый шум мы можем отфильтровать (так как усиливаемый сигнал имеет очень низкую частоту).

Обратите внимание: выходной шум в диапазоне 0,1…10 Гц нельзя выразить простой формулой 4:

$$left(1 frac{R_{T}}{R_{g}} right)times Noise_{rms}^{0.1:Hz…10:Hz}qquad{mathrm{(}}{4}{mathrm{)}}$$

Это связано с особенностями модели датчика и ограниченной полосой пропускания операционного усилителя.

В первом приближении шумы, вызываемые операционным усилителем, определяются собственными шумами ОУ в полосе частот 0,1…10 Гц (формула 5):

$$Noise_{rms}^{0.1:Hz…10:Hz}qquad{mathrm{(}}{5}{mathrm{)}}$$

При очень малом уровне сигнала (большой коэффициент усиления, низкая концентрация газа) требуется использовать малошумящий ОУ. Для таких приложений подойдет ОУ TSZ121. Он отличается очень низким уровнем шума на низких частотах (всего 1,8 мкВppв  полосе частот 0,1…10 Гц). Кроме того, он обладает крайне низким уровнем 1/f-шума благодаря своей архитектуре (чопперный ОУ).

Однако для других применений, в которых на первом месте стоит вопрос малого потребления, ОУ TSU111 будет предпочтительнее – уровень собственного шума этого ОУ в той же полосе частот составляет 3,7 мкВpp при токе потребления в 30 раз меньшем.

Заключение

Электрохимические датчики имеют широкое применение. Для управления этими датчиками и для усиления формируемого ими сигнала (тока), который пропорционален концентрации контролируемого газа, требуются специальные операционные усилители. В качестве таких усилителей лучше всего подходят микромощные КМОП ОУ с малым напряжением питания и выходом «rail-to-rail».

Из всей линейки продукции компании ST самым лучшим ОУ для построения одноразовых детекторов CO по совокупности параметров является ОУ TSU111, однако если вам нужно меньшее потребление, можно выбрать TSU101 (600 нА тип. при 3,3 В); для определенных приложений также подойдет TSV611(A) с током потребления 10 мкА.

В таблице 2 указаны основные преимущества различных операционных усилителей, имеющие значение при использовании этих ОУ с электрохимическими датчиками.

Таблица 2. Преимущества различных ОУ

Все ОУ, приведенные в таблице 2, выполнены по технологии КМОП. Они выпускаются в миниатюрных корпусах и с разным числом каналов, что обеспечивает большую гибкость и позволяет экономить место на печатной плате.

Если вы собираетесь разрабатывать устройство с токовым выходом 4…20 мА, компания STMicroelectronics также может предложить вам высоковольтные ОУ, отвечающие вашим требованиям.

Оригинал статьи

Перевел Андрей Евстифеев по заказу АО КОМПЭЛ

•••