Разработка электрической схемы потенциостата

Схемы / Прочие схемы
Alexsandrs
2 273
15-09-2017, 23:04
0

Рабочие принципы электрохимических датчиков газа Рабочий электрод (W) откликается на измеряемый целевой газ, окисляя или восстанавливая этот газ, создавая ток, пропорциональный газовой концентрации. Этот ток поступает через вспомогательный электрод.

Электрод сравнения (R) используется схемой потенциостата для поддержания заданного потенциала на рабочем электроде (W). Потенциал рабочего электрода (W) должен поддерживаться таким же, как и потенциал электрода сравнения (R) для датчиков без смещения или с заданным отклонением для датчиков со смещением.

Вспомогательный электрод (С) расположен в цепи с рабочим электродом и восстанавливает некоторые химические вещества (обычно кислород), если рабочий электрод окисляет измеряемый газ, или окисляет, если рабочий электрод восстанавливает целевой газ. Потенциал вспомогательного электрода - плавающий и изменяется с увеличением газовой концентрации. Потенциал на вспомогательном электроде не важен, поскольку схема потенциостата может обеспечить достаточное напряжение и ток, чтобы обеспечить потенциал рабочего электрода таким же, как и потенциал электрода сравнения.

Все три электрода связаны внутренне через электролит. Электролит можно представить как резистор. Каждый электрод может быть рассмотрен как конденсатор большой емкости. Электроды содержат малые резистивные компоненты, которые можно считать как часть сопротивления электролита.

Электрическая схема для электрохимических датчиков, работающих без смещения

Схема потенциостата на рис.1 выдает положительное напряжение для газов, которые окисляются, к ним относятся: СО, H₂S, S0₂, Н₂, HCl, NH₃. В то же время эта схема будет выдавать отрицательное напряжение для газов: N0₂, С1₂ о₃.

ОУ IC2 выдает ток на вспомогательный электрод балансируя ток, требуемый для рабочего электрода. ОУ IC2 должен иметь либо очень низкое, либо нулевое напряжение смещения. При подаче питания на схему потенциостата JFET-транзистор Q1, работающий в обедненном режиме, переходит в высокоимпедансное состояние между истоком (S) и стоком (D), и IC2 генерирует ток, обеспечивающий рабочий электрод тем же потенциалом, что и электрод сравнения. Инвертирующий вход ОУ IC2 соединен с электродом сравнения и не должен потреблять значительный ток от этого электрода. В качестве IC2 можно использовать ОУ типа OP-07, ОР-90 от Intersil, а также LT1078 Linear Technology и другие подобные.

ОУ ICI как преобразователь тока в напряжение и его напряжение смещения являются менее критичными, чем для IC2. ОР-07 или подобный - это подходящий выбор для ICI. Резистор Rload должен иметь низкое сопротивление, например 10... 100 Ом. Коэффициент усиления ICI может изменяться резистором R4.

Все электрохимические датчики, работающие в режиме без смещения, снабжены перемычкой, закорачивающей электроды (W) и (R). При установке этих датчиков в схему перемычка должна быть удалена, и ее функцию будет выполнять JFET-транзистор Q1, замыкая сток (D) и исток (S) в обесточенном состоянии. Это гарантирует, что рабочий электрод будет иметь тот же потенциал, что и электрод сравнения, когда схема потенциостата выключена.

Датчики, работающие со смещением по напряжению

Обычно, электрохимические датчики газа работают в режиме с нулевым смещением, однако, некоторые датчики, типа NO, требуют напряжения смещения +300 мВ.

Если вы собираетесь ввести в схему напряжение смещения, убедитесь, что это напряжение стабильно. Изменение напряжения смещения даже на несколько милливольт может воздействовать на чувствительность к газам, а быстрые изменения напряжения смещения всего лишь на один милливольт произведут переходные процессы с длительностью до часа на выходе датчика. Простой метод, смещать датчик по напряжению, показан на рис.2. Резистор нагрузки 10 кОм, соединенный с «землей», может быть удален, чтобы уменьшить ток, выходящий с вывода Vbias.

Напряжение смещения должно быть обеспечено, даже когда потенциостат отключен от электропитания. Обычно это достигается использованием батарейки, которая остается в схеме на все время эксплуатации потенциостата. В этом случае, входное смещение ОУ IC2 не является критичным, однако его дрейф от температуры и других параметров должны быть по возможности минимальными.

Шумы

Желательно располагать ОУ IC2 и ICI непосредственно под датчиком газа, чтобы обеспечить минимальную длину, а следовательно, и малое сопротивление соединяющих проводников, что в итоге позволяет достичь минимальный уровень выходных шумов и помех потенциостата.

Калибровка датчика

Обратите внимание, что электрохимические датчики газа имеют разброс по чувствительности около ±15%. Так что необходима калибровка, чтобы скорректировать изменения по чувствительности от датчика к датчику. Кроме того, чувствительность дрейфует вниз со временем, обычно, от 0,5% до 2% в месяц и изменяется в зависимости от окружающей температуры. При необходимости, МеппЬгарог предлагает возможность покупателю заказать калиброванный или некалиб- рованный потенциостат в комплекте с любым из производимых электрохимических датчиков газа этой компании. Специалисты ООО «СЭА Электронике» помогут вам подобрать оптимальный потенциостат.

Пример пересчета концентрации газа из мг/м³ в ppm

Многие начинающие разработчики детекторов газа часто сталкиваются с проблемой пересчета массовой концентрации газа (что требуют наши ГОСТы), выраженную в единицах мг/м³, в объемную концентрацию (что предлагают использовать зарубежные производители датчиков газа), выраженную в единицах ppm (миллионная доля объемной концентрации).

Согласно полученному результату пересчета для объемной концентрации 0,311 1 1 ppm, оцениваем, какой датчик наиболее подходит для этой задачи по измерительному диапазону, точности, чувствительности, селективности к интерференционным газам, времени наработки на отказ, стоимости, времени отклика, габаритным размерам, энергопотреблению, надежности и др.

Из возможных вариантов оптимальным оказался датчик С1₂/М-20 компании MEMBRAPOR, который и был заложен в проект.

Отметим основные достоинства и недостатки современных конденсаторов мощности.

Главное достоинство современных конденсаторов мощности: сравнительно низкая цена, малые габариты, простой и удобный механический и электрический монтаж, простота обслуживания, очень низкие потери - менее 0,4 Вт /кВАр.

Главный и весьма существенный недостаток конденсаторов мощности — очень высокая чувствительность к температуре полипропиленовой пленки, используемой в конденсаторах в качестве диэлектрика.

Охарактеризуем этот недостаток подробнее, обратив внимание на факторы, вызывающие высокую температуру, которая воздействует на диэлектрическую пленку конденсатора.

Основными источниками повышения температуры конденсаторов являются:

1) Слишком высокая температура окружающей среды, в которой работает конденсатор. Для снижения этой температуры до уровня, требуемого по условиям эксплуатации конденсатора, следует применять систему вентиляции, достаточную для его охлаждения, а в экстремальных случаях - использовать кондиционер.

2) Протекание через конденсатор за определенный период времени тока, превышающего номинальный. Так как конструкция конденсатора не предусматривает отведение излишнего количества тепла, выделяемого большим протекающим через него током, то при температуре внутри конденсатора, превышающей регламентированную, фактически происходит лавинообразное повышение его температуры, наступает ухудшение диэлектрических свойств пленки, а в напряжении питания появляются высшие гармонические, вызывающие, в свою очередь, дальнейший рост температуры, что в конечном итоге может привести к выходу конденсатора из строя. Одним из эффективных способов предотвращения лавинообразного повышения температуры внутри конденсатора является применение специальных устройств, отфильтровывающих высшие гармоники, либо применение специальных трехфазных конденсаторов (например, конденсаторов типа KNK 7015 (3x1), номинальный ток которых в три раза превышает номинальный ток обычных конденсаторов).

Следует отметить, что работа современных конденсаторов при температурах, превышающих температуры, регламентированные производителями, приводит к снижению их емкости и, как следствие, - к потере требуемой по условиям их эксплуатации реактивной мощности. Установлено, что повышение средней температуры находящихся в эксплуатации конденсаторов сверх предусмотренной на 10°С вдвое сокращает срок их службы.

Поэтому при выборе конденсаторов с сухим диэлектриком следует обращать особое внимание на температурные классы конденсаторов в соответствии с IEC 60831-1, данные о которых приводятся в дальнейшем при рассмотрении технических параметров конкретных типов конденсаторов низкого напряжения.

Обсудить на форуме