В журнале «РадиоЛоцман» за март-апрель 2024 г. была опубликована схема сигнализатора утечки бытового газа, основной компонент которого метан (CH4) [1], с применением термокаталитического датчика пеллисторного типа. Да, датчики пеллисторного типа недороги и просты в применении, но обладают рядом недостатков, а именно:
- При большой концентрации газа происходит перенасыщение датчика, и он выходит из строя.
- Катализатор со временем истощается, что приводит к снижению чувствительности датчика.
- Для происходящей в датчике химической реакции необходим кислород, поэтому недостаток кислорода сильно занижает показания датчика.
- Датчик может быть «отравлен», например, силикатами и сероводородом.
- Термокаталитические датчики требовательны к обслуживанию, для чего необходимы их периодические проверки.
- Датчики пеллисторного типа имеют небольшое время жизни, максимум 1 – 3 года.
Всех этих недостатков лишены инфракрасные датчики горючих газов, так называемые NDIR датчики (недиспергирующий инфракрасный анализатор). Они высоконадежны и практически безотказны. Основными преимуществами датчиков NDIR являются длительное время работы, долговременная стабильность и высокая точность. Инфракрасные датчики горючих газов работают по принципу оценки поглощения газом инфракрасного излучения с применением измерительного и нормирующего детекторов. Проще говоря, детекторы используют две длины волны, одна из которых поглощается газом, а вторая, опорная – нет. Для активной длины волны измеряется уровень сигнала, который затем сравнивается с эталонным значением. Эта информация обрабатывается с использованием современных и довольно сложных алгоритмов; практически в каждом инфракрасном датчике имеется встроенный микропроцессор. Основными преимуществами датчиков NDIR являются длительное время работы, долговременная стабильность и высокая точность.
На Рисунке 1 изображена схема сигнализатора утечки бытового газа с применением NDIR датчика MH-441D (КЛС26-МХ-441Д). Это миниатюрный универсальный интеллектуальный датчик, который используется для определения концентрации метана (CH4) в воздухе. Датчик имеет хорошую селективность, длительный срок службы и стабилен в работе, а также не зависит от уровня кислорода в воздухе и обладает температурной компенсацией. Датчик имеет аналоговый выход с уровнем 0.4 – 2 вольта для дальнейшего преобразования этого уровня напряжения в ток так называемой токовой петли для передачи данных датчика по достаточно длинной витой паре проводов.
 |
|
| Рисунок 1. | Схема инфракрасного сигнализатора утечки бытового газа. |
Также этот датчик имеет интерфейс UART (выводы RxD, TxD) для передачи данных датчика по радиоканалу. В схеме применяется NDIR датчик MH-441D с диапазоном измерения 0 – 10% объёмных процентов (об. %). То есть нулю процентов содержания метана в воздухе помещения будет соответствовать выходное напряжение датчика 0.4 В, а десяти процентам – 2 В.
Этот датчик в предлагаемой схеме непосредственно встраивается в плату измерителя уровня метана, поэтому нет необходимости использовать длинную пару витых проводов. Для этого в схеме используется простой аналоговый интерфейс для преобразования выходного уровня датчика 0.4 – 2 В в уровень 0 – 1 В. Дифференциальный усилитель DA2 (INA132) вычитает 0.4 В из выходного сигнала датчика В1 (MH-441D). В итоге, на выходе датчика нулю объёмных процентов содержания метана в воздухе помещения будет соответствовать ноль вольт на выходе датчика, а для десяти процентов содержания метана выходное напряжение составит 1.6 В. Опорное напряжение 400 мВ для вычитания формируется резистивным делителем R1, R2 из эталонного напряжения 1 В, сформированного ИОН VD2 (ADR510). Делитель напряжения R3, R4 масштабирует выходное напряжение датчика. После масштабирования диапазону содержанию метана 0 – 10 об. % будет соответствовать выходное напряжение 0 – 1000 мВ, которое измеряется цифровым милливольтметром PV1 (PM428).
Согласно нормативным документам, безопасный предел концентрации метана в воздухе закрытых жилых и производственных помещений должен быть не более 1.05 об. %, то есть, это будет соответствовать выходному напряжению датчика примерно 100 мВ. Это напряжение и будет порогом срабатывания компаратора DA4 (LM311). Пороговое напряжение компаратора 100 мВ формируется резистивным делителем R6, R7. Цепочка R9, R10, С13 и триггер Шмитта DD1 (К561ТЛ2) устраняет дребезг фронтов выходного импульса компаратора DA4. Выходной импульс компаратора управляет системой вентиляции помещения – включает вытяжные вентиляторы или фрамужные открыватели окон и включает электромагнитный клапан для прекращения подача газа. Повторитель напряжения DA3 (AD711JN) необходим для исключения шунтирующего действия сопротивление делителя напряжения R3, R4 на входное сопротивление милливольтметра PV1.
Питание сигнализатора осуществляется от двух пальчиковых батареек или аккумуляторов GB1. Напряжение батареи повышается до +5 В импульсным DC/DC преобразователем DA1 (BL8530-50). Зарядовый насос VD2 (BAV99), C7, C9 формирует напряжение –5 В для обеспечения двуполярным питанием дифференциального усилителя DA2, повторителя напряжения DA3 и компаратора DA4. Зарядовый насос VD1 (BAV99), C6, C8 – удвоитель напряжения, формирует напряжение +10 В для обеспечением питания встраиваемого цифрового милливольтметра PV1.
О деталях. При использовании резисторов R1 – R4, R6, R7 с допуском по номиналу менее 1% прибор не требует наладки. Остальные резисторы, используемые в приборе – обычные с допуском по номиналу ±5%. Применяемые в сигнализаторе оксидные конденсаторы – танталовые, остальные – керамические.
В заключение следует отметить, что большинство инфракрасных датчиков концентрации газов имеют аналоговый выход 0.4 – 2.0 В, поэтому предложенный интерфейс можно использовать и для других инфракрасных сенсоров различных газов. Хотя, например, компания Clairair предлагает чисто пеллисторные цифровые NDIR-датчики серии PrimePell, которые могут работать в цепях обычных пеллисторных анализаторов концентрации газа.
