Diseño de un detector de gases tóxicos de baja potencia

¡Seguridad primero! Muchos procesos industriales involucran compuestos tóxicos, incluido el cloro para la fabricación de plásticos, productos agroquímicos y farmacéuticos; fosfina y arsina para producir semiconductores; y cianuro de hidrógeno, liberado al quemar materiales de empaque para el consumidor. Es importante saber cuándo existen concentraciones peligrosas.

En los Estados Unidos, el Instituto Nacional para la Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) y el Conferencia Estadounidense de Higienistas Industriales Gubernamentales (ACGIH) han establecido a corto y largo plazo límites de exposición para muchos gases industriales tóxicos. El Valor Límite Umbral-Promedio Ponderado en el Tiempo (TLV-TWA) es la concentración de TWA a la que la mayoría de los trabajadores pueden estar expuestos repetidamente en un día de 8 horas sin efectos adversos; el Valor Límite Umbral-Límite de Exposición a Corto Plazo (TLV-STEL) es la concentración a la que la mayoría de los trabajadores pueden estar expuestos continuamente durante un período corto de tiempo sin irritación, daño o deterioro; y la Concentración Inmediatamente Peligrosa para la Vida o la Salud (IDLHC) es una concentración limitante que representa una amenaza inmediata o retardada para la vida, que causaría efectos adversos irreversibles para la salud o que interferiría con la capacidad de un individuo para escapar sin ayuda. La Tabla 1 muestra los límites para algunos gases comunes.

Tabla 1. Límites de exposición para algunos gases tóxicos industriales comunes

Los sensores electroquímicos ofrecen varias ventajas para los instrumentos que detectan o miden la concentración de gases tóxicos. La mayoría de los sensores son específicos para cada gas, tienen resoluciones utilizables por debajo de una parte por millón de concentración de gas y funcionan con cantidades muy pequeñas de corriente, lo que los hace muy adecuados para instrumentos portátiles alimentados por batería. Una característica importante de los sensores electroquímicos es su respuesta lenta: cuando se enciende por primera vez, el sensor puede tardar varios minutos en establecer su valor de salida final; y cuando se expone a un paso de escala media en la concentración de gas, el sensor puede tardar entre 25 y 40 segundos en alcanzar el 90 % de su valor de salida final.

Este artículo describe un detector portátil de monóxido de carbono (CO) que utiliza un sensor electroquímico. La concentración IDLH de CO es mucho más alta que la de la mayoría de los demás gases tóxicos, lo que hace que su manejo sea relativamente seguro. Sin embargo, el CO sigue siendo letal, así que tenga mucho cuidado y una ventilación adecuada cuando pruebe el circuito que se describe aquí.

La Figura 1 muestra un sensor CO-AX de sentido alfa. La Tabla 2 muestra un resumen de las especificaciones del sensor CO-AX.

Tabla 2. Especificaciones del sensor CO-AX

Lograr la mayor duración posible de la batería es el objetivo más importante para los instrumentos portátiles en esta aplicación, por lo que es crucial mantener el consumo de energía al mínimo. En los sistemas típicos de bajo consumo, el circuito de medición se enciende para realizar una medición y luego se apaga durante un largo período de espera. En esta aplicación, sin embargo, el circuito de medición debe permanecer continuamente alimentado debido a las largas constantes de tiempo del sensor electroquímico. Afortunadamente, la respuesta lenta permite el uso de amplificadores de micropotencia, resistencias de alto valor y filtros de baja frecuencia que minimizan el ruido Johnson y el ruido 1/f. Además, la operación de suministro único evita el desperdicio de energía de un suministro bipolar.

La figura 2 muestra el circuito del detector de gas portátil. Se utiliza un amplificador de micropotencia dual ADA4505-2 en un potenciostatos configuración (U2-A) y una configuración de transimpedancia (U2‑B). El amplificador es una buena opción para las secciones de potenciostato y transimpedancia porque su disipación de potencia y la corriente de polarización de entrada son extremadamente bajas. Con un consumo de solo 10 μA por amplificador, permitirá una vida útil muy larga de la batería.

En los sensores electroquímicos de 3 electrodos, el gas objetivo se difunde en el sensor a través de una membrana antes de interactuar con el electrodo de trabajo (WE). El circuito del potenciostato detecta el voltaje en el electrodo de referencia (RE) y suministra al contraelectrodo (CE) la corriente necesaria para mantener un voltaje constante entre los terminales RE y WE. No entra ni sale corriente del terminal RE, por lo que la corriente que sale del terminal CE fluye hacia el terminal WE. Esta corriente es directamente proporcional a la concentración del gas objetivo. La corriente a través del terminal WE puede ser positiva o negativa, según se produzca reducción u oxidación en el sensor. Para el monóxido de carbono, se produce oxidación, lo que hace que la corriente del terminal CE sea negativa (la corriente fluye hacia la salida del amplificador operacional del potenciostato). La resistencia R4 suele ser muy pequeña, por lo que el voltaje en el terminal WE es aproximadamente igual a V_ÁRBITRO.

La corriente que fluye hacia la terminal WE da como resultado un voltaje negativo en la salida de U2-A con respecto a la terminal WE. Este voltaje suele ser de unos pocos cientos de milivoltios para un sensor de monóxido de carbono, pero puede llegar a 1 V para otros tipos de sensores. Para funcionar con un solo suministro, una referencia de micropotencia ADR291, U1, eleva todo el circuito 2,5 V por encima del suelo. El ADR291 consume solo 12 μA; también puede proporcionar el voltaje de referencia para un convertidor de analógico a digital para digitalizar la salida de este circuito.

El voltaje de salida del amplificador de transimpedancia es simplemente:

(1)

dónde:

yo_NOSOTROS es la corriente en el terminal WE.

R_F es la resistencia de transimpedancia (que se muestra como U4 en la Figura 2).

La respuesta máxima del sensor es de 90 nA/ppm, como se muestra en la Tabla 2, y su rango máximo de entrada es de 2000 ppm. Esto da como resultado una corriente de salida máxima de 180 μA y un voltaje de salida máximo determinado por la resistencia de transimpedancia, como se muestra en la Ecuación 2.

(2)

Los sensores para diferentes gases o de diferentes fabricantes tendrán diferentes rangos de salida de corriente. El uso de un reóstato programable AD5271 para U4 en lugar de una resistencia fija permite mantener un solo conjunto y lista de materiales para diferentes sensores de gas. Además, permite que el producto tenga sensores intercambiables, ya que un microcontrolador puede configurar el AD5271 al valor de resistencia adecuado para cada sensor de gas diferente. El coeficiente de temperatura de 5 ppm/°C del AD5271 es mejor que el de la mayoría de las resistencias discretas, y su corriente de suministro de 1 μA contribuye muy poco al consumo de energía del sistema.

Cuando se opera con un solo suministro de 5 V, hay un rango de 2,5 V disponible en la salida del amplificador de transimpedancia U2-B, de acuerdo con la Ecuación 1. Configurar el AD5271 en 12,5 kΩ aprovecha el rango disponible para la sensibilidad del sensor en el peor de los casos , y permite aproximadamente un 10 % de capacidad de sobrerrango.

Usando la respuesta típica del sensor de 65 nA/ppm, el voltaje de salida se puede traducir a ppm de monóxido de carbono de la siguiente manera:

(3)

Con un ADC de entrada diferencial, simplemente conecte la salida de referencia de 2,5 V al ADC del ADC._EN– terminal, eliminando el término de 2.5 V en la Ecuación 3.

La resistencia R4 mantiene la ganancia de ruido del amplificador de transimpedancia a un nivel razonable. El valor de R4 es un compromiso entre la magnitud de la ganancia de ruido y el error de tiempo de establecimiento del sensor cuando se expone a altas concentraciones de gas. Para este circuito, R4 = 33 Ω, lo que da como resultado una ganancia de ruido de 380, como se muestra en la Ecuación 4.

(4)

El ruido de entrada del amplificador de transimpedancia se multiplica por esta ganancia. El ruido de voltaje de entrada de 0,1 Hz a 10 Hz del ADA4505-2 es de 2,95 μV pp, por lo que el ruido visto en la salida será

(5)

El ruido de salida es equivalente a más de 1,3 ppm pp de concentración de gas. Este ruido de baja frecuencia es difícil de filtrar. Afortunadamente, la respuesta del sensor es muy lenta, por lo que el filtro de paso bajo formado por R5 y C6 puede tener una frecuencia de corte de 0,16 Hz. Este filtro tiene una constante de tiempo de un segundo, que es insignificante en comparación con el tiempo de respuesta de 30 segundos del sensor.

Q1 es un JFET de canal P. Cuando el circuito se enciende, la puerta está en V_CC, y el transistor está apagado. Cuando el sistema se apaga, la puerta cae a 0 V y el JFET se enciende para mantener los terminales RE y WE al mismo potencial. Esto mejora en gran medida el tiempo de establecimiento de encendido del sensor cuando el circuito se enciende de nuevo.

Dos baterías AAA alimentan el circuito. El uso de un diodo para la protección contra voltaje inverso desperdiciaría energía preciosa, por lo que este circuito usa un MOSFET de canal P (Q2) en su lugar. El MOSFET protege el circuito al bloquear los voltajes inversos y se enciende cuando se aplica un voltaje positivo. La resistencia de encendido del MOSFET es inferior a 100 mΩ, lo que provoca una caída de tensión mucho menor que la de un diodo. El regulador buck-boost ADP2503 permite el uso de un suministro externo de hasta 5,5 V, así como las baterías AAA. Cuando funciona en modo de ahorro de energía, el ADP2503 consume solo 38 μA. El filtro formado por L2, C12 y C13 elimina cualquier ruido de conmutación del riel de alimentación analógico. En lugar de utilizar un circuito para desconectar las baterías cuando se conecta una fuente de alimentación externa, un enchufe que desconecta mecánicamente las baterías cuando se enchufa el conector de alimentación externo evita el desperdicio de energía.

La corriente total extraída de las pilas AAA es de aproximadamente 100 μA en condiciones normales (sin detección de gas) y de 428 μA en las peores condiciones (2000 ppm de CO detectado). Cuando el instrumento está conectado a un microcontrolador que puede entrar en un modo de espera de bajo consumo sin realizar mediciones, la duración de la batería puede extenderse a más de un año.

Referencias

Guía de bolsillo de NIOSH sobre riesgos químicos