Преобразование сигналов электрохимических датчиков

4 февраля

системы безопасностимедицинапотребительская электроникаавтоматизациялабораторные приборыST Microelectronicsстатьяинтегральные микросхемы

Пьер Сеннекье (STMicroelectronics)

Компания STMicroelectronics выпускает широкую номенклатуру специализированных операционных усилителей для применения совместно с электрохимическими датчиками. Это микромощные КМОП ОУ с малым напряжением питания и выходом «rail-to-rail».

При отсутствии контроля над распространением газа его концентрация может очень быстро достигать опасных значений. Поэтому во многих отраслях промышленности в целях безопасности нужно обязательно контролировать качество воздуха. Кроме того, контроль газов необходим на парковках и даже в жилых помещениях – по статистике тысячи людей погибают каждый год из-за отравления угарным газом.

В силу этих причин были разработаны различные методы контроля газов. Одним из таких методов является электрохимический, к достоинствам которого можно отнести линейную характеристику и малое потребление датчиков. Такие датчики могут работать от батарей в течение длительного времени (это в полной мере справедливо для датчиков токсичных газов, которые практически не потребляют ток при отсутствии контролируемого газа в окружающем воздухе) и, следовательно, могут применяться в портативных средствах индивидуальной защиты.

Чаще всего портативные детекторы на основе электрохимических датчиков используются для контроля таких газов, как кислород (O2), угарный газ (CO), сероводород (H2S), двуокись азота (NO2). Тем не менее, с помощью электрохимических датчиков можно контролировать и многие другие газы.

Электрохимические датчики широко используются в медицине. В частности, для измерения уровня глюкозы в крови при диабете используются глюкометры. Одноразовые тестовые полоски, используемые с глюкометрами – ни что иное как электрохимические датчики. В качестве примера на рисунке 1 изображены датчик угарного газа и тест-полоски глюкометра.

Рис. 1. Электрохимический датчик угарного газа и тест-полоски глюкометра

Рис. 1. Электрохимический датчик угарного газа и тест-полоски глюкометра

Электрохимические датчики также могут применяться в сельском хозяйстве для контроля созревания фруктов, в автомобильной промышленности или любой другой области, где требуется контролировать процесс сгорания, а также при водолазных работах и в медицинской сфере.

Как работает электрохимический датчик?

Электрохимический датчик газа (рисунок 2) содержит мембрану и два или три электрода, контактирующих с электролитом. Сам датчик герметичен для электролита. Газ попадает внутрь датчика через мембрану, которая ограничивает скорость поступления газа, влияя тем самым на чувствительность датчика. Когда газ попадает на рабочий электрод (Working Electrode, WE) происходит химическая реакция: либо реакция окисления (отдача электронов) для газов CO, H2S, SO2 и NO, либо реакция восстановления (присоединение электронов) для газов O2, NO2 и Cl2. Конкретная реакция зависит от датчика.

Рис. 2. Электрохимический датчик газа (CO)

Рис. 2. Электрохимический датчик газа (CO)

Если на поверхности WE происходит реакция окисления, то на поверхности счетного электрода (Counter Electrode, CE) происходит обратная реакция восстановления.

Например, в датчике угарного газа (рисунок 2) на поверхности рабочего электрода WE происходит реакция окисления:

CO + H2O → CO2 + 2H+ + 2e

Соответственно, на электроде CE происходит реакция восстановления:

½O2 + 2H+ + 2e→ H2O (поглощение кислорода)

На рисунке 3 изображена конструкция датчика O2.

Рис. 3. Электрохимический датчик газа (O2)

Рис. 3. Электрохимический датчик газа (O2)

Часть заряженных частиц мигрирует через электролит, в результате чего на одном из электродов за счет избытка электронов образуется отрицательный заряд, а на другом – положительный. Если между электродами WE и CE включить электрическую цепь, которая в простейшем случае может представлять собой обычный резистор, то по ней начинает течь ток. В случае датчика CO через электролит от WE к CE мигрируют протоны H+, тогда как отрицательно заряженные электроны e движутся по внешней цепи от WE к CE. По сути, датчик генерирует ток, протекающий от CE к WE. Именно поэтому такие датчики также называются амперометрическими.

Ток, генерируемый в процессе этой химической реакции, пропорционален концентрации газа.

Таким образом, при наличии в воздухе контролируемого газа через электрод CE течет ток, изменяя потенциал на границе «электролит/электрод». Это может оказывать влияние на реакцию датчика.

Для поддержания стабильной разницы потенциалов между электродом WE и электролитом в некоторые датчики добавляют третий электрод, через который ток не течет (то есть, на его поверхности не происходит никаких химических реакций). Этот электрод называется опорным или референсным электродом (Reference Electrode, RE).

Преобразование сигнала трехэлектродного датчика

Для использования трехэлектродного датчика между электродами WE и RE необходимо обеспечить разность потенциалов, определяемую спецификацией датчика. Ток, протекающий через электрод WE, должен уравновешиваться схемой, подключенной к электроду CE. Через электрод RE ток течь не должен. Для преобразования генерируемого тока в напряжение, которое можно будет считать с помощью АЦП микроконтроллера, используется трансимпедансный усилитель. В целом получившаяся схема носит название «потенциостат». Как правило, датчики рассчитаны на конкретное сопротивление нагрузки, которое указывается в их спецификации. Это значение обычно лежит в диапазоне 10…100 Ом.

На рисунке 4 изображены основные узлы потенциостата. Операционный усилитель U1 благодаря наличию резистора RT преобразует ток, формируемый датчиком, в напряжение. Таким образом, выходное напряжение, измеряемое АЦП, равно RT × Isense.

Рис. 4. Упрощенная схема потенциостата

Рис. 4. Упрощенная схема потенциостата

В зависимости от типа датчика (контролируемого газа) этот ток может быть как положительным, так и отрицательным (рисунки 2 и 3).

Операционный усилитель U1 также обеспечивает требуемое сопротивление нагрузки датчика (RL) и стабилизирует потенциал рабочего электрода. Операционный усилитель U2 стабилизирует на фиксированном уровне потенциал опорного электрода (VWE – VRE = -Vref). Он также гарантирует отсутствие тока через электрод RE и формирует напряжение на электроде CE, которое обеспечивает ток, достаточный для компенсации тока через электрод WE.

Далее микроконтроллер на основе результата АЦП вычисляет концентрацию газа, исходя из того, что она пропорциональна Isense.

Преобразование сигнала двухэлектродного датчика

Для двухэлектродных датчиков, не имеющих вывода RE, используется та же схема потенциостата, в которой точки подключения электродов RE и CE соединены друг с другом. В этом случае ОУ U2 работает как повторитель напряжения, и к электроду CE прикладывается напряжение Vref (рисунок 5).

Рис. 5. Преобразование сигнала двухэлектродного электрохимического датчика

Рис. 5. Преобразование сигнала двухэлектродного электрохимического датчика

Электрод WE через ОУ U1 виртуально подключен к общему проводу, и выходное напряжение ОУ, поступающее на вход АЦП, равно RT × Isense. Очевидно, что если датчик рассчитан на работу при VWE = VCE (Vref = 0 В), то ОУ U2 можно исключить из схемы и подключить электрод CE непосредственно к общему проводу.

В зависимости от типа датчика, то есть, в зависимости от направления тока, генерируемого при химической реакции (рисунки 2 и 3), может потребоваться поменять местами выводы WE и CE.

Использование интегратора

Для усиления сигнала датчика вместо трансимпедансного усилителя можно использовать альтернативную схему на основе интегратора, которая в упрощенном виде показана на рисунке 6. В данном случае условно изображена такая конфигурация, при которой число циклов заряда/разряда конденсатора обратной связи интегратора соответствует току, генерируемому датчиком.

Рис. 6. Упрощенная схема интегратора

Рис. 6. Упрощенная схема интегратора

Особенности схемотехники при использовании газовых датчиков

Напряжение смещения датчика (VWE – VRE) и его полярность (направление тока Isense) у разных датчиков могут отличаться.

Несмотря на то, что большинство датчиков может работать при нулевой разности потенциалов между электродами WE и RE, для некоторых типов датчиков эта разность необходима. В частности, датчики хлороводорода (HCl) и оксида азота (NO) требуют наличия положительной разности потенциалов, а датчики кислорода (O2) – отрицательной.

В случае датчиков NO2, Cl2, диоксида хлора (ClO2) и O2 выходной сигнал может иметь отрицательную полярность (при протекании реакции ток Isense отрицателен).

Если посмотреть на схему, приведенную на рисунке 4, в которой напряжение смещения и полярность зависят от величины напряжения питания, то можно заметить, что ОУ U1 может войти в насыщение (например, если ток Isense отрицательный). ОУ U2 также может войти в насыщение, если напряжение, которое необходимо подать на электрод CE, окажется близким или превысит напряжение питания U2 (это напряжение может быть в диапазоне ±1 В относительно Vref). Наконец, при использовании датчика, требующего положительного напряжения VWE – VRE, напряжение питания U2 должно быть меньше нуля (отрицательное напряжение Vref).

Один из возможных путей решения указанных проблем – применение двуполярного питания ОУ (например +5 В и -5 В). Однако, несмотря на то что такое решение имеет право на жизнь, особенно в промышленном оборудовании, для портативных устройств оно, как правило, не годится. Для таких устройств наилучшим решением будет использование второго источника опорного напряжения (Vref2), подключенного к неинвертирующему входу U1 (вместо заземления последнего).

В этом случае выходной сигнал будет равен Vref2 + RT × Isense (рисунок 7).

Рис. 7. Потенциостат с питанием от одного источника

Рис. 7. Потенциостат с питанием от одного источника

В устройствах с низковольтным питанием необходимо применять ОУ с полным размахом входного напряжения («rail-to-rail»), чтобы указанные выше ограничения были не столь критичны.

От спецификации датчика к готовому устройству

В спецификации датчика указываются значения минимальной и максимальной чувствительностей (S), выражаемых, как правило, в нА/ppm. Но, скажем, для датчика O2 обычно приводится значение выходного сигнала, соответствующее концентрации кислорода в воздухе (в мкА). В нормальных условиях в воздухе содержится 20,9% O2. Соответственно, чтобы определить чувствительность такого датчика, следует поделить указанное значение на 20,9% и выразить результат в мкА/% O2.

Другой важный параметр – диапазон измерений датчика ([gas]макс), который выражается в ppm для CO или в % для O2. Если в вашем устройстве используется полный диапазон измерений датчика, то выходное напряжение АЦП будет изменяться от Vref2 (при отсутствии газа) до Vref2 ± RT × Sмакс × [gas]макс.

Будьте внимательны при выборе полярности источника питания датчика. Ток Isense может быть как положительным, так и отрицательным, соответственно, для датчика CO знак «±»в приведенном выше выражении превратится в «+», а для датчика O2 – в «-».

Значение RT должно быть максимально возможным, чтобы задействовать как можно большую часть входного диапазона АЦП. В то же время это значение должно быть достаточно малым, чтобы исключить возможность насыщения ОУ U1 (к тому же, следует оставить небольшой запас на случай выхода за пределы диапазона).

Величина RL определяется рекомендованным сопротивлением нагрузочного резистора датчика, которое приводится в его документации.

Значение RL выбирается таким, чтобы обеспечить приемлемый компромисс между временем отклика датчика и уровнем шумов при чтении его показаний. Ведь любые шумы, присутствующие в цепи вывода WE, усиливаются операционным усилителем с коэффициентом 1 + (RT/RL).

В связи с емкостным характером датчика его выходной сигнал характеризуется постоянной времени Cs(Rs + RL) – эта формула предполагает, что эквивалентная схема датчика представляет собой последовательно соединенные конденсатор Cs и резистор Rs.

Кроме того, RL не должно быть слишком большим, в противном случае из-за падения напряжения RL × Isense на этом резисторе может произойти уход напряжения смещения датчика.

О токе потребления

Ток потребления – ключевой параметр для портативных устройств защиты. Важен этот параметр и для бытовых детекторов угарного газа, конечно, если мы не хотим, чтобы владелец менял в нем элементы питания каждую неделю.

Если мы говорим о контроле наличия токсичных газов в естественной атмосфере, то в нормальных условиях такие датчики практически не потребляют ток. Соответственно, потребление устройства будет определяться, главным образом, током потребления его активных компонентов, в частности – операционных усилителей. ОУ TSU102 представляет собой идеальный усилитель для подобных устройств, поскольку имеет ток потребления, равный всего 600 нА на канал. Такое потребление соответствует 19 годам работы от элемента питания емкостью 200 мА⋅ч при использовании двух каналов ОУ. Очевидно, что это чрезвычайно малое потребление, и данный ОУ как нельзя лучше подходит для применения в подобных устройствах.

Конфигурация для гальванических датчиков

Возьмем датчик O2, используемый для определения недостаточной или избыточной концентрации кислорода в среде, пригодной для дыхания. Ток, генерируемый таким датчиком, составляет сотни микроампер. Это достаточно большой ток, поэтому ОУ TSV711 (9 мкА) будет хорошим претендентом на применение в таком устройстве.

В качестве альтернативного решения можно использовать падение напряжения на нагрузочном резисторе с последующим усилением этого напряжения подходящим операционным усилителем. В этом случае преобразование тока в напряжение осуществляется резистором RL, а не трансимпедансным усилителем (рисунок 8).

Рис. 8. Схема с малым потреблением на основе гальванического датчика кислорода

Рис. 8. Схема с малым потреблением на основе гальванического датчика кислорода

Уровень сигнала, который необходимо усиливать, достаточно мал – RL × Isense выражается в милливольтах. Поэтому для такой конфигурации необходимо использовать прецизионный усилитель, имеющий, помимо всего прочего, малый температурный дрейф напряжения смещения. В самом деле, если напряжение смещения еще можно как-то скомпенсировать, то реализовать температурную компенсацию – достаточно сложная задача. Лучшим операционным усилителем в данном случае будет ОУ со стабилизацией прерыванием (чопперный ОУ) TSZ121 с максимальным напряжением смещения 5 мкВ и максимальным температурным дрейфом 0,06 мкВ/°C. То есть при использовании данного ОУ изменение температуры на 20° вызовет изменение напряжения смещения всего на 1,2 мкВ, что вполне согласуется с необходимой точностью, ведь 1 мкВ – это всего лишь 0,01% от полной шкалы в 10 мВ.

Еще одним достоинством такой схемы является тот факт, что даже при отключенном питании датчик остается в смещенном состоянии благодаря RL. Общее потребление устройства можно уменьшить, если подавать питание на датчик циклически (не забывая о том, что конденсаторы должны успевать заряжаться при каждом включении датчика).

Выходной сигнал, поступающий на вход АЦП, высчитывается по формуле 1:

$$-\left(1+\frac{R_{f}}{R_{g}} \right)\times I_{sense}\times R_{L}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Обратите внимание, что ток Isense отрицательный (мы говорим о датчике O2), поэтому напряжение на входе АЦП положительное.

На рисунке 9 изображена принципиальная схема, которая хорошо подходит для использования с гальваническим датчиком O2, выходной ток которого для воздуха составляет около 100 мкА. Данная схема имеет коэффициент усиления 215, поэтому выходное напряжение для чистого воздуха составит примерно 2,15 В. При этом остается некоторый запас по напряжению для определения более высоких концентраций кислорода или для обеспечения большей чувствительности датчика. Кроме того, используется большая часть диапазона полной шкалы АЦП, что обеспечивает лучшую разрешающую способность.

Рис. 9. Подключение гальванического датчика кислорода к ОУ TSZ121

Рис. 9. Подключение гальванического датчика кислорода к ОУ TSZ121

Прочие важные параметры операционных усилителей

Наиболее важным параметром устройств с батарейным питанием является их потребление. Однако если устройство должно иметь хорошие точностные характеристики, то при выборе ОУ необходимо обращать внимание на такой параметр как напряжение смещения нуля (Vio) даже при использовании схемы потенциостата. Фактически в схеме потенциостата напряжение Vio вычитается из выходного сигнала. Так, если мы возьмем датчик NO2 с чувствительностью 100 нА/ppm, нагружаемый на RT сопротивлением 100 кОм, то величина Vio = 3 мВ вызовет ошибку в 0,3 ppm. Кроме того, величина Vio влияет на время запуска устройства. Большинство датчиков имеет довольно значительную емкость в районе 100 мкФ. Соответственно, при включении питания, пока выход не вошел в насыщение, датчик смещает заряд к уровню Vio с постоянной времени RTC (десятки секунд).

Для корректной работы схемы потенциостата требуется, чтобы входной ток смещения (Iib) операционного усилителя был небольшим, чтобы предотвратить втекание тока в опорный электрод (ОУ U2 на рисунке 7), а также чтобы исключить дополнительное смещение, вызванное RT. Как правило, для обеспечения необходимой точности устройства не требуется ток Iib меньше 1 нА. То есть, в этом плане подойдут любые CMOS- и JFET-операционные усилители.

Как Vio, так и Iib можно компенсировать при помощи калибровки. При линейной характеристике системы выходной сигнал, поступающий на АЦП, равен Req × Isense + Voffset. Он зависит от чувствительности датчика, точности RT, Vref, Vref2, Iib, а также от Vio усилителя U2. Выполнив два измерения при различных точно известных концентрациях газа, можно определить выражение, которое потом будет использоваться микроконтроллером для определения концентрации.

Однако даже если скомпенсировать Vio и Iib, то их изменения, связанные с изменением температуры, скомпенсировать уже не получится. Поэтому для устройств, которые должны обеспечивать очень высокую точность, лучше всего подойдет ОУ TSZ121, который имеет температурный дрейф всего 0,06 мкВ/°C. Если применить этот ОУ, то при изменении температуры на 30° напряжение смещения изменится всего на 1,8 мкВ, что, очевидно, много меньше разрешающей способности 12-битного АЦП с напряжением питания 3,3 В.

ОУ TSU111 тоже имеет намного меньший температурный дрейф смещения по сравнению с TSU101.

Любые изменения напряжения Vref2 можно отслеживать, используя дополнительный канал АЦП.

Как можно увидеть из таблицы 1, CMOS-усилители TSU111, TSU10x, TSV71x, TSZ12x и TSV73x представляют собой очень хорошие ОУ, параметры которых в полной мере удовлетворяют требованиям приложений, использующих электрохимические датчики.

Таблица 1. Спецификации ряда ОУ при напряжении питания 3,3 В

Наименование Iib max, пА Vio max, мВ Уровень шума в полосе 0,1…10 Гц, мкВ Vcc min, В Частота единичного усиления, кГц Icc, мкА
TSU111 10 0,15 3,7 1,5 11 0,9
TSU101, TSU102, TSU104 5 3 8,6 1,5 8 0,6
TSV711, TSV712, TSV714 10 0,2 10 1,5 120 9
TSZ121, TSZ122, TSZ124 200 0,005 0,8 1,8 400 29

Рекомендуется не использовать операционные усилители при входном синфазном напряжении, близком к точке переключения входных дифференциальных каскадов. Это значение составляет около Vcc -0,7 В для TSU10x и Vcc -0,9 В для TSV71x и TSV73x. Для TSZ12x оно тоже равно примерно Vcc -0,7 В, однако этот ОУ имеет такое маленькое значение Vio, что переключение каскадов практически ни на что не влияет.

Многие бытовые датчики угарного газа являются, по сути, одноразовыми. В них часто используются литиевые элементы питания, напряжение которых уменьшается с течением времени. Применение в таких датчиках операционных усилителей с малым значением минимального напряжения питания позволяет увеличить срок службы устройства. С этой точки зрения имеет смысл обратить внимание на ОУ TSU111 и TSU101, имеющие минимальное рабочее напряжение всего 1,5 В.

Фильтрация

Сигналы, формируемые электрохимическими датчиками, изменяются очень медленно. Поэтому для снижения уровня шумов рекомендуется их фильтровать. В качестве фильтра можно использовать простой пассивный НЧ-фильтр (RC-цепочку) или активный фильтр, реализованный на дополнительном операционном усилителе либо на незадействованном канале ОУ, если таковой имеется. Частота среза такого фильтра может быть очень маленькой, вплоть до 1 Гц, поскольку она должна быть сопоставима со временем реакции датчика. Это время реакции обычно составляет десятки секунд и в документации на датчик обозначается как t90.

В случае гальванометрической схемы (рисунок 9) параллельно Rf ставят конденсатор, чтобы предотвратить усиление сигналов, например, шумов, частота которых выше частоты интересующего нас полезного сигнала. Частота среза такой цепочки равна 1/2×π×Rf×Cf.

Те же соображения, связанные с шириной полосы пропускания, применимы и для схемы потенциостата.

Дополнительно к выходу операционного усилителя можно подключить простую RC-цепочку, чтобы получить фильтр второго порядка. Если мы подключим эквивалентный источник белого шума (e0) с уровнем (G) к входу НЧ-фильтра первого порядка с частотой среза fc, то уровень шума в бесконечной полосе частот будет равен (формула 2):

$$e_{o}G\sqrt{\int_{0}^{\infty}{\frac{df}{1+\left(\frac{f}{f_{c}} \right)^2}}}=e_{o}G\sqrt{\left[f_{c}Atan\left(\frac{f}{f_{c}} \right) \right]_{0}^{\infty}}=e_{o}G\sqrt{\frac{f_{c}\pi }{2}}=e_{o}G\sqrt{1.57f_{c}}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

При использовании фильтра второго порядка с такой же частотой среза на уровне -3 дБ уровень шума в бесконечной полосе частот составит (формула 3):

$$e_{o}G\sqrt{\int_{0}^{\infty}{\frac{df}{\left(1+\left(\frac{f\sqrt{\sqrt{2}-1}}{f_{c}} \right)^2 \right)^2}}}=e_{o}G\sqrt{\left[ \frac{f_{c}}{f\sqrt{\sqrt{2}-1}}Atan\left(\frac{f\sqrt{\sqrt{2}-1}}{f_{c}} \right)+2\left(1+\left(\frac{f\sqrt{\sqrt{2}-1}}{f_{c}} \right)^2 \right)^2 \right]_{0}^\infty}=\\=e_{0}G\sqrt{\frac{f_{c}\pi}{4\sqrt{\sqrt{2}-1}}}=e_{0}G\sqrt{1.2f_{c}}\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

Таким образом, при той же полосе пропускания фильтр второго порядка позволяет уменьшить уровень выходных помех на 13% по сравнению с фильтром первого порядка.

Несмотря на то что порядок НЧ-фильтра непосредственно влияет на уровень помех, вычисление реального уровня помех на выходе – намного более сложная задача. В общей сложности шум зависит от параметров операционного усилителя (таких как полоса пропускания и эквивалентная плотность шумов, приведенная ко входу) и датчика (математическая модель которого, как правило, недоступна). Для операционных усилителей обычно указывают значение 1/f-шума (среднеквадратичное значение в диапазоне 0,1…10 Гц) и плотность белого шума (при 1 кГц). Первый из этих параметров более критичен, поскольку белый шум мы можем отфильтровать (так как усиливаемый сигнал имеет очень низкую частоту).

Обратите внимание: выходной шум в диапазоне 0,1…10 Гц нельзя выразить простой формулой 4:

$$\left(1+\frac{R_{T}}{R_{g}} \right)\times Noise_{rms}^{0.1\:Hz…10\:Hz}\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

Это связано с особенностями модели датчика и ограниченной полосой пропускания операционного усилителя.

В первом приближении шумы, вызываемые операционным усилителем, определяются собственными шумами ОУ в полосе частот 0,1…10 Гц (формула 5):

$$Noise_{rms}^{0.1\:Hz…10\:Hz}\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

При очень малом уровне сигнала (большой коэффициент усиления, низкая концентрация газа) требуется использовать малошумящий ОУ. Для таких приложений подойдет ОУ TSZ121. Он отличается очень низким уровнем шума на низких частотах (всего 1,8 мкВppв  полосе частот 0,1…10 Гц). Кроме того, он обладает крайне низким уровнем 1/f-шума благодаря своей архитектуре (чопперный ОУ).

Однако для других применений, в которых на первом месте стоит вопрос малого потребления, ОУ TSU111 будет предпочтительнее – уровень собственного шума этого ОУ в той же полосе частот составляет 3,7 мкВpp при токе потребления в 30 раз меньшем.

Обеспечение смещения датчика

Если датчик останется без смещения, он поляризуется. Из-за емкостного характера датчика для последующего выхода в рабочее состояние ему потребуется много времени – от нескольких минут до одного дня. Датчики, работающие при VWE = VRE (трехэлектродные) и при VWE = VCE (двухэлектродные), могут оставаться смещенными даже при отсутствии питания. Обратите внимание, что состояние отключения питания может возникнуть при замене батареек. В портативных устройствах питание может отключаться между измерениями для уменьшения потребления. Для того чтобы датчик оставался смещенным при отсутствии питания, используйте P-канальный полевой транзистор (P-JFET), например, J177, подключив его между выводами WE и RE датчика. В случае двухэлектродного датчика транзистор следует подключить между выводами WE и CE, а его затвор – через резистор к линии питания. При отключении питания P-JFET закоротит электроды датчика и тем самым обеспечит необходимое смещение (рисунок 10).

Рис. 10. Датчик угарного газа с использованием TSU102

Рис. 10. Датчик угарного газа с использованием TSU102

При наличии питания P-JFET находится в области отсечки (то есть ток между стоком и истоком не течет) и не влияет на работу датчика. В этом случае входное напряжение смещения двух ОУ образует напряжение Vds, которое может быть отличным от нуля. Соответственно, напряжение Vgs должно быть достаточно большим, чтобы исключить протекание тока через транзистор. В противном случае этот ток будет усилен наравне с током датчика, что вызовет ошибку смещения. Особое внимание следует уделить работе при малом напряжении питания. Однако поскольку обычно стараются использовать как можно большую часть диапазона АЦП, рекомендуется применять ОУ с малым значением Vicm (например, для датчика угарного газа), при использовании которого необходимо обеспечить большое значение Vgs.

Если смещение датчика реализовано при VWE ≠ VRE (трехэлектродный датчик) или VWE ≠ VCE (двухэлектродный датчик), то для смещения датчика при отсутствии напряжения питания можно использовать дополнительный элемент питания.

В случае применения двухэлектродного гальванического датчика с усилительным каскадом, аналогичном показанному на рисунке 9, нагрузочный резистор, преобразующий ток Isense в напряжение, обеспечивает смещение датчика даже при отсутствии напряжения питания.

Следует отметить, что номиналы резисторов и конденсаторов обвязки ОУ IC1B могут изменяться для обеспечения стабильности в зависимости от типа датчика. Однако тестирование ОУ TSU102 с различными датчиками показало, что хорошие характеристики обеспечиваются даже при прямом подключении (R = 0 Ом, C = 0 Ф).

При напряжении питания 3,3 В напряжение смещения задается равным 300 мВ.

Если датчику необходимо смещение (например, датчику кислорода), то для независимого управления входным синфазным напряжением обоих ОУ можно использовать второй делитель. Полевой транзистор также можно будет убрать.

В случае использования двухэлектродного датчика ОУ IC1B должен быть включен по схеме повторителя, чтобы подавать на электрод CE фиксированное напряжение (R5 отсутствует, R6 и C2 закорочены).

Перекрестная чувствительность, влияние внешних факторов и долговременный дрейф выходного сигнала

Несмотря на то, что электрохимические датчики являются хорошим выбором для широкого круга приложений, они, к сожалению, не идеальны. В частности, они, как правило, обладают чувствительностью не только к заданному газу, но и к другим газам. В зависимости от сферы применения необходимо учитывать эту особенность, даже если датчик снабжен фильтром.

Электрохимические датчики также чувствительны к температуре. Для одной и той же концентрации газа уровень выходного сигнала при разной температуре будет отличаться. Эта зависимость указывается в документации на датчик. Обычно температурная компенсация реализуется программным методом с использованием датчика температуры.

Наконец, изменение давления и влажности может вызвать броски тока на выходе датчика.

Компания STMicroelectronics предлагает миниатюрные MEMS-датчики, позволяющие улучшить точность изделий путем компенсации указанных факторов.

Для обеспечения требуемой точности устройства в течение всего срока эксплуатации также необходимо учитывать временную нестабильность датчика (снижение его чувствительности). В связи с этим в инструкции газовых датчиков обязательно должно быть указание на необходимость периодической калибровки.

Рекомендации по трассировке печатной платы

Прежде всего, следует руководствоваться стандартными рекомендациями по трассировке печатных плат с электрохимическим датчиком.

Необходимо обязательно предусмотреть хорошую развязку источников питания. Пожалуйста, обратитесь к технической документации усилителей TSU10x, TSV71x, TSV73x, и TSZ12x. Как вариант, можно в непосредственной близости от каждой ИС разместить по два конденсатора емкостью 1 мкФ и 22 нФ.

Особое внимание следует уделить цепям, непосредственно соединенным с датчиком, которые имеют относительно высокий импеданс. Рекомендуется использовать короткие дорожки и не забывать о защитных кольцах вокруг чувствительных (высокоимпедансных) узлов, как показано на рисунке 11. Также рекомендуется подумать о соответствующем покрытии печатной платы.

Рис. 11. Трассировка печатной платы с защитными кольцами

Рис. 11. Трассировка печатной платы с защитными кольцами

Тестирование готового устройства

Для проверки функционирования готового устройства могут выполняться разные тесты.

Тест 1.

  • удалите датчик (обычно датчики не припаиваются во избежание повреждения);
  • закоротите точки подключения RE и CE на печатной плате;
  • проверьте, наличие опорного напряжения в этой точке (обратите внимание, что ОУ сейчас работает как повторитель);
  • не подключая датчик, проконтролируйте напряжение на выходе второго ОУ. Оно должно быть равно напряжению WE, так как этот ОУ тоже работает как повторитель, поскольку один из выводов резистора Rload «висит в воздухе»;
  • на этом этапе можно точно подстроить значения напряжений RE и WE.

Тест 2.

  • подключите к Rload источник тока и проверьте корректную работу трансимпедансного усилителя (Vout должно быть равно VWE + RT × I);
  • установите датчик в устройство и включите его (перед этим не забудьте устранить короткое замыкание и отключить источник тока).

При отсутствии контролируемого газа Vout = VWE. При воздействии газа выходной сигнал изменяется в соответствии с чувствительностью датчика. Обратите внимание, что если до этого датчик был без смещения, то прежде чем он начнет корректно работать, может пройти от нескольких минут до нескольких часов.

Поскольку при изготовлении датчиков точное значение их чувствительности не очень легко контролировать, необходимо выполнять калибровку устройства при различных концентрациях газа.

В качестве альтернативы можно использовать ударный тест, который заключается в моментальной подаче газа. Для датчика СO2, например, это может быть измерение в момент выдоха.

На рисунке 12 приведены результаты, полученные при ударном тестировании трехэлектродного датчика CO, реализованного с использованием ОУ TSU101.

Рис. 12. Отклик на резкое увеличение концентрации угарного газа при использовании в схеме ОУ TSU101

Рис. 12. Отклик на резкое увеличение концентрации угарного газа при использовании в схеме ОУ TSU101

Оценочный набор P-NUCLEO-IKA02A1

Оценочный набор P-NUCLEO-IKA02A1 (рисунок 13) представляет собой типовой проект для использования различных электрохимических датчиков.

Рис. 13. Оценочный набор P-NUCLEO-IKA02A1

Рис. 13. Оценочный набор P-NUCLEO-IKA02A1

Плата расширения для подключения датчиков газа обеспечивает взаимодействие установленного на ней электрохимического датчика с МК отладочной платы NUCLEO-L053R8. Для формирования сигнала датчика используются два ОУ TSU111.Благодаря высокой точности и малому энергопотреблению они отлично подходят для работы с электрохимическими датчиками. На плате расширения также имеется прецизионный аналоговый датчик температуры STLM20 со сверхмалым потреблением, который используется для температурной компенсации результатов измерений.

Отладочные платы семейства STM32 Nucleo дают возможность проверить новые идеи и изготовить прототип на базе любого микроконтроллера семейства STM32. Плата NUCLEO-L053R8, входящая в комплект, предназначена для разработки устройств с малым потреблением.

Конструкция и элементная база отладочных плат оптимизированы таким образом, чтобы обеспечить максимально возможное время работы от батарей.

Заключение

Электрохимические датчики имеют широкое применение. Для управления этими датчиками и для усиления формируемого ими сигнала (тока), который пропорционален концентрации контролируемого газа, требуются специальные операционные усилители. В качестве таких усилителей лучше всего подходят микромощные КМОП ОУ с малым напряжением питания и выходом «rail-to-rail».

Из всей линейки продукции компании ST самым лучшим ОУ для построения одноразовых детекторов CO по совокупности параметров является ОУ TSU111, однако если вам нужно меньшее потребление, можно выбрать TSU101 (600 нА тип. при 3,3 В); для определенных приложений также подойдет TSV611(A) с током потребления 10 мкА. Если требуется более высокая точность, хорошим выбором будет TSV711 (9 мкА, 200 мкВ макс.). Для наиболее требовательных приложений можно обратить внимание на TSZ121 (29 мкА при 3,3 В, 5 мкВ макс.).

В таблице 2 указаны основные преимущества различных операционных усилителей, имеющие значение при использовании этих ОУ с электрохимическими датчиками.

Таблица 2. Преимущества различных ОУ

Наименование Преимущества
TSU111 Сверхмалое потребление: 900 нА тип.; низкий уровень шума: 3,7 мВpp в диапазоне 0,1…10 Гц; высокая точность: 150 мкВ макс.
TSU101, TSU102, TSU104 Сверхмалое потребление: 600 нА тип.; увеличение сроки службы батарей
TSV711, TSV712, TSV714 Хороший компромисс между точностью и током потребления – Icc: 9 мкА тип., Vio: 200 мкВ макс.
TSZ121, TSZ122, TSZ124 Превосходная точность: Vio 5 мкВ макс.; чрезвычайно низкий уровень шума: 0,8 мкВpp при 0,1…10 Гц; идеальны для использования с гальваническими датчиками

Все ОУ, приведенные в таблице 2, выполнены по технологии КМОП. Они выпускаются в миниатюрных корпусах и с разным числом каналов, что обеспечивает большую гибкость и позволяет экономить место на печатной плате.

Если вы собираетесь разрабатывать устройство с токовым выходом 4…20 мА, компания STMicroelectronics также может предложить вам высоковольтные ОУ, отвечающие вашим требованиям.

Оригинал статьи

Перевел Андрей Евстифеев по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании ST Microelectronics

Компания STMicroelectronics является №1 производителем электроники в Европе. Компоненты ST широко представлены в окружающих нас потребительских товарах – от iPhone до автомобилей разных марок. Лидеры индустриального рынка выбирают компоненты ST за их надежность и выдающиеся технические параметры. В компании ST работает 48 000 сотрудников в 35 странах. Производственные мощности расположены в 12 странах мира. Более 11 тысяч сотрудников заняты исследованиями и разработками – инновационное лидерство ...читать далее

Товары
Наименование
TSU111IQ1T (ST)
TSU111ICT (ST)
TSU101ICT (ST)
TSU101RILT (ST)
TSU102IST (ST)
TSU102IQ2T (ST)
TSU104IPT (ST)
TSU104IQ4T (ST)
TSV711ICT (ST)
TSV712IST (ST)
TSV712IQ2T (ST)
TSV714IPT (ST)
TSV714IQ4T (ST)
TSZ121ILT (ST)
TSZ121ICT (ST)
TSZ122IQ2T (ST)
TSZ122IDT (ST)
TSZ124IQ4T (ST)
TSZ124IPT (ST)