Перейти к содержанию

Электрохимический датчик газа

Сигнализаторы угарного газа и модули вроде ZE07-CO измеряют CO не нагретым слоем оксида, а электрохимической ячейкой: газ реагирует на электроде, и во внешней цепи течёт ток, пропорциональный концентрации.

Обновлено Редакция GAW

Электрохимический датчик газа — ячейка, в которой определяемый газ вступает в реакцию на электроде, и во внешней цепи течёт ток, пропорциональный концентрации. Так устроены, например, модуль угарного газа Winsen ZE07-CO и датчики CO Figaro серии TGS5xxx.

Как он работает

По описанию Figaro для датчиков TGS5xxx ячейка состоит из рабочего электрода, противоэлектрода и протонпроводящей мембраны между ними. На рабочем электроде CO окисляется:

CO+H2O→CO2+2H++2e−,\text{CO} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{CO}_2 + 2\text{H}^+ + 2e^-,

а избыточные протоны проходят через мембрану к противоэлектроду, где расходуются на восстановление кислорода. Доступ газа к электроду ограничивает диффузионная плёнка, поэтому ток определяется диффузией и линейно растёт с концентрацией:

I=F⋅Aσ⋅D⋅C⋅n,I = F \cdot \frac{A}{\sigma} \cdot D \cdot C \cdot n,

где F — постоянная Фарадея, A — площадь отверстия плёнки, σ — её толщина, D — коэффициент диффузии газа, C — концентрация, n — число электронов в реакции. В чистом воздухе ток не течёт.

Свойства

  • Линейность. Ток пропорционален концентрации, а не её логарифму, как у потенциометрических датчиков. Одна точка калибровки по известной смеси задаёт крутизну.
  • Без нагрева. Ячейка сама вырабатывает ток, нагреватель не нужен — в отличие от металлооксидного датчика.
  • Избирательность выше, чем у металлооксидных, но не идеальна: у ZE07-CO в документе названы мешающие газы — спирт и другие (см. избирательность датчика газа).
  • Ресурс. У ZE07-CO — 3–5 лет на воздухе.

Ток ячейки превращают в напряжение трансимпедансным усилителем. Готовый модуль делает это сам: ZE07-CO выдаёт 0–500 ppm с разрешением 0,1 ppm по UART или напряжением 0,4–2 В. Подключение и сравнение с MQ и NDIR — в статье «Датчики газа».

Частые вопросы

Почему электрохимическому датчику CO не нужен нагреватель?

Реакция окисления CO на электроде идёт при комнатной температуре, и ток генерирует сама ячейка. Figaro подчёркивает, что поэтому такие датчики подходят для приборов на батарейках. Металлооксидному датчику, наоборот, для работы нужен нагреватель.

Как подключить электрохимическую ячейку к микроконтроллеру?

Голую ячейку подключают через трансимпедансный усилитель, который превращает её ток в напряжение для АЦП. Проще взять готовый модуль, например ZE07-CO: он уже откалиброван, компенсирует температуру и выдаёт концентрацию по UART или напряжением 0,4–2 В.

Сколько служит электрохимический датчик газа?

Ограниченно: у модуля ZE07-CO производитель указывает 3–5 лет на воздухе. Чувствительность со временем падает, поэтому прибор периодически сверяют с поверенным газоанализатором, а ячейку меняют по окончании срока службы.

Источники

  1. Figaro Engineering. Operating principle — Electrochemical type (Short-circuit current type proton conductor CO sensor, TGS5xxx) — датчики TGS5xxx: рабочий электрод, противоэлектрод и протонпроводящая мембрана между ними; в присутствии CO на рабочем электроде идут окисление CO (CO + H₂O → CO₂ + 2H⁺ + 2e⁻) и восстановление кислорода; доступ CO к электроду ограничен диффузионной плёнкой, что даёт диффузионный предельный ток, линейно пропорциональный концентрации; при коротком замыкании электродов ток во внешней цепи пропорционален концентрации CO: I = F · (A/σ) · D · C · n (F — постоянная Фарадея, A — площадь отверстия, σ — толщина плёнки, D — коэффициент диффузии, C — концентрация, n — число электронов реакции); в чистом воздухе тока нет, отклик обратимый; ток линеен по концентрации, тогда как сигнал потенциометрических датчиков пропорционален логарифму; для количественных измерений ток калибруют по известной концентрации; без нагревателя, ток генерируется самим датчиком — подходит для батарейных приборов
  2. Zhengzhou Winsen Electronics. Electrochemical CO Module (Model: ZE07-CO) User's Manual, Version 1.7, valid from 2020-10-19 — модуль использует электрохимический принцип, отсюда высокая избирательность и стабильность; встроенный датчик температуры для компенсации; мешающие газы — спирт и другие; выход ЦАП 0,4–2 В на полную шкалу и UART с уровнями 3 В; питание 5–12 В без защиты от переполюсовки; прогрев не больше 3 мин, отклик и восстановление не больше 60 с; 0–500 ppm, разрешение 0,1 ppm; −10…+55 °C, 15–90 % без конденсации; срок службы 3–5 лет на воздухе

Нашли ошибку?

Смотрите также