Измерение концентрации угарного газа в воздухе

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Тема: «Измерение концентрации угарного газа в воздухе» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Новосибирск

2010

Введение 

    Отравления  угарным газом занимают в списке наиболее частых наблюдаемых отравлений четвертое место (после алкогольных  отравлений, отравлений лекарственными средствами и наркотиками). Угарный  газ, или окись углерода (СО), встречается  везде, где существуют условия для  неполного сгорания содержащих углерод  веществ.СО –  бесцветный газ, не имеющий  вкуса, запах его очень слабый, почти неощутимый. Горит синеватым  пламенем. Смесь 2 объёмов СО и 1 объёма О2 взрывается при зажигании. С водой, кислотами и щелочами СО не реагирует. Угарный газ бесцветен и не имеет запаха, поэтому отравление угарным газом чаще всего происходит незаметно.

    Механизм  воздействия угарного газа на человека состоит в том, что он, попадая  в кровь, связывает клетки гемоглобина. Тогда гемоглобин теряет способность  переносить кислород. И чем дольше человек дышит угарным газом, тем меньше в его крови остаётся работоспособного гемоглобина, и тем  меньше кислорода получает организм. Человек начинает задыхаться, появляется головная боль, путается сознание. И  если вовремя не выйти на свежий воздух (или не вынести на свежий воздух уже потерявшего сознание), то не исключен летальный исход. В  случае отравления угарным газом  требуется достаточно долгое время, чтобы клетки гемоглобина сумели полностью очиститься от угарного газа. Чем выше концентрация оксида углкрода в воздухе, тем быстрее создается  опасная для жизни концентрация карбоксигемоглобина в крови. Например, если концентрация угарного газа в  воздухе составляет 0,02-0,03 %, то за 5-6 часов вдыхания такого воздуха создастся  концентрация карбоксигемоглобина 25-30%, если же концентрация СО в воздухе  будет 0,3-0,5 %, то смертельное содержание карбоксигемоглобина на уровне 65-75% будет достигнуто уже через 20-30 минут  пребывания человека в такой среде.

    Отравление  угарным газом может проявиться резко или же замедленно, в зависимости  от концентрации. При очень больших  концентрациях отравление наступает  быстро, характеризуется быстрой  потерей сознания, судорогами и остановкой дыхания. В крови, взятой из области  левого желудочка сердца или из аорты, обнаруживается высокая концентрация карбоксигемоглобина - до 80%.

    При небольшой концентрации угарного газа симптомы развиваются постепенно: появляется мышечная слабость; головокружение; шум  в ушах; тошнота; рвота; сонливость; иногда, наоборот, кратковременная  повышенная подвижность; затем расстройство координации движений; бред; галлюцинации; потеря сознания; судороги; кома и смерть от паралича дыхательного центра. Сердце может сокращаться еще некоторое  время после остановки дыхания. Отмечены случаи гибели людей от последствий  отравления спустя даже 2-3 недели после  события отравления. 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Действие  на организм человека 

    В таблице 1 приведены концентрации угарного газа в воздухе и соответствующие им действия на организм человека: 

    Таблица 1. Концентрация CO в воздухе, карбоксигемоглобина HbCO в крови и симптомы отравления. 

 

    Как видно из таблицы 1, даже малые концентрации угарного газа в воздухе влекут за собой серьёзные нарушения и  даже смерть. Из за особенностей угарного газа (он бесцветен, не имеет запаха и вкуса), человек не способен ощутить его присутствие в воздухе. Данный газ очень часто встречается на производстве, в городах во время лесных и прочих пожаров, в шахтах, в домах во время отопительного периода и др. Вследствие это, отслеживание концентрации угарного газа является очень важной задачей. 
 

    Принцип действия 

    Принцип работы датчика обнаружения газа основан на свойстве изменения проводимости тонкопленочного слоя диоксида олова SnO2 при контакте его с определяемым газом. Чувствительность к разного  рода газам достигается путем  легирования различных присадок в чувствительный слой датчика. Сам  чувствительный элемент датчика  состоит из керамической микротубы  с покрытием Al2O3 и нанесенного  на нее чувствительного слоя диоксида олова. Внутри тубы проходит нагревательный элемент, который нагревает чувствительный слой до температуры, при которой  он начинает реагировать на определяемый газ.

    Датчики газа подобного рода являются первичными преобразователями и требуют  использования дополнительных электронных  схем (например, мост Уитстона с NTC термистором). В связи с тем, что сопротивление  датчика находится в прямой зависимости  от типа газа и его концентрации, возникает определенная зависимость  падения напряжения от концентрации газов. По скорости изменения проводимости газового детектора определяется тип  газа и его концентрация.

    Датчик  может реагировать на несколько  газовых примесей различной концентрации, поэтому перед использованием датчика  необходимо проводить его калибровку. Кроме того, для обеспечения более  точных измерений следует вносить  в измерительную схему элементы коррекции (так как датчик реагирует на изменение температуры и влажности).

    В таблице 2 приведены технические характеристики датчика угарного газа HS-134: 

    Таблица 2. технические характеристики датчика угарного газа HS-134. 

 
 
 
 
 
 
 

    Устройство  датчика HS-134 

    На  рис. 1 приведена стандартная цепь включения датчика HS-134. Из рисунка видно, что датчик состоит из двух частей. Первая часть – нагреватель. Вторая – цепь выходного сигнала. 

    

    Рис.1. Стандартная схема включения HS-134. 

    Отношение поверхностного сопротивления датчика Rs и сопротивления нагрузки RL равно: 

    Rs/RL = (Vc-VRL) / VRL, где VRL – выходное сопротивление, Vc – напряжение питания. 

    Ниже, на рис.2 приведена зависимость выходного  сигнала от концентрации СО: 

    

    Рис.2. Зависимость выходного сигнала от концентрации СО. 
 
 

    Зависимость выходного сигнала  от температуры и  влажности 

    Сопротивление датчика угарного газа является функцией концентрации газа СО и условий окружающей среды, из которых наиболее важными являются температура T и относительная влажность RH. Показания датчика зависят также от парциального давления кислорода, что необходимо учитывать при использовании датчика в разреженной атмосфере или когда содержание кислорода в воздухе значительно отличается от нормального (21%). Однако в дальнейшем мы этот фактор учитывать не будем. Поэтому можно записать: 

    R = f(Cсо, T, Rн). (1) 

    Если  функция (1) известна, например, в результате предварительных измерений, то искомая  функция концентрации угарного газа находится как обратная к функции (1): 

    Cсо = f^{- -1}(R, T, RH). (2) 

    Для измерения концентрации угарного газа достаточно определить зависимость  сопротивления датчика от концентрации газа при некоторых образцовых условиях, например, при T0 = 20°С и RH0 = 65%, R0(Cсо) = f(Cсо, T0, RH0) и затем получить обратную характеристику: 

    Cсо = f  ^-1 (R0). (3) 

    При условиях, отличных от образцовых, функция  сопротивления датчика может  быть представлена в виде: 

Rсо ≈ f(Cсо, T0, RH0)  + STΔT + SRH ΔRH = R0(Cсо) + STΔT + SRH ΔRH, 

    где коэффициенты ST = ∂R/∂T и SRH = ∂R/∂RH представляют собой чувствительности сопротивления датчика к изменению температуры и относительной влажности. Эти коэффициенты могут быть определены с использованием типовых кривых, аналогичных рис. 2. 

    

Рис.2. Типовая зависимость сопротивления датчика Sencera HS-134 от температуры и влажности окружающей среды.

    Используя поправки STΔT, SRHΔRH, можно привести сопротивление датчика к образцовым условиям R0(Cсо) = Rсо – STΔT – SRHΔRH и далее определить концентрацию газа по формуле (3). 

    Структурная схема 

    Исходя  из приведённого выше, детектор газа должен содержать (см. рис. 3) первичный датчик газа, вторичные датчики температуры и влажности, аналого-цифровой преобразователь с аналоговым коммутатором для опроса сигналов первичного и вторичных датчиков и микропроцессор для выполнения необходимых вычислений и активации сигнальных устройств. 

Рис.3. Структурная  схема детектора газа. 

    Принципиальная  схема 

    Принципиальная  схема детектора угарного газа показана на рисунке 4. В схеме использованы первичный датчик угарного газа Sencera HS-134, вторичные датчики температуры National Semiconductor LM35 и влажности Sencera 808H5V5, микроконтроллер NEC μPD78F9222. Микроконтроллер содержит 4-канальный аналоговый коммутатор и 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь (полная характеристика данных элементов схемы приведена в приложении А).

    Вторичные датчики температуры и влажности  расположены вблизи первичного датчика  газа таким образом, чтобы их температура  и влажность были максимально  близкими.  

Рис.4. Принципиальная схема детектора угарного газа.

    Алгоритм  работы микропроцессора 

    На  рис. 5 приведена блок-схема программы  работы микропроцессора. 

Рис.5. Алгоритм работы микропроцессора.