Датчики углекислого газа Winsen

Компания Winsen Electronics Technology была организована сравнительно недавно, в 2003 году, но уже сегодня является признанным лидером в производстве датчиков газа всех типов в Юго-Восточном регионе. Ее клиентами являются такие мировые гиганты, как Honeywell, Panasonic, Haier, Agilent и др. Благодаря широкой национальной популярности компании удалось завоевать более 70% доли китайского рынка детекторов горючих газов.
Производственные мощности компании занимают 30 тыс.кв.м., здесь ежегодно выпускаются более 15 миллионов датчиков. Здесь же расположен научно-исследовательский центр компании, где разрабатываются новые технологии производства датчиков и тестируются новинки. Компания регулярно получает патенты на собственные разработки (сегодня уже получено 84 патента, из них 27 – на изобретения), ее датчики получили множество национальных и международных наград.
Линейка продукции Winsen состоит из более чем 300 моделей датчиков, которые  применяются в системах безопасности, медицинской технике, мониторах контроля и защиты окружающей среды, в индустриальном производстве и добывающей промышленности. Помимо датчиков газа, компания также выпускает датчики потока, влажности, давления и PIR сенсоры.
Как уже отмечалось, Winsen Electronics владеет всеми современными технологиями производства датчиков:
- электрические датчики (полупроводниковые)
- каталитические
- электрохимические датчики на основе твердых электролитов
- оптические (инфракрасные NDIR)
Значительную долю выпускаемой продукции составляют датчики СО2. Углекислый газ присутствует везде, где есть люди или животные. Поэтому определением количества СО2 широко пользуются как критерием оценки чистоты воздуха в помещениях и при расчетах вентиляции.
Поскольку концентрация углекислого газа в атмосфере непрерывно растет, в 2006 году были введены санитарно-гигиенические нормативы, нормальным уровнем признан порог 600-800ppm (идеальным “нулевым» уровнем считается 400ppm). Поэтому датчики определения СО2 широко используются для контроля качества воздуха в помещениях, контроля утечки газа, в системах вентиляции зданий (ОВК), оборудовании для кондиционирования воздуха, в аграрной промышленности и тепличных комплексах, на животноводческих фермах, в автомобильной индустрии (контроль выработки автомобильных и дымовых газов). Кроме того, сегодня многие радиолюбители на основе Arduino собирают бытовые детекторы углекислого газа.
Для производства датчиков СО2 применяются две технологии: инфракрасная и электрохимическая на основе твердых электролитов.
Электрохимические датчики (рис.1) основаны на принципе ионоселективности. Электрод в них отделен от анализируемого газа мембраной, проницаемого для определенного вещества. Газовый электрод регистрирует изменения положения равновесия химической реакции. Уровень выходного сигнала по напряжению указывает на концентрацию СО2 в воздухе.

Рис.1 Датчики СО2 с твердым электродом

Таблица 1. Электрохимические датчики СО2

Электрохимические датчики имеют достаточно хорошую селективность (рис.2), небольшую зависимость от температуры и влажности (колебания выходного сигнала ±10мВ во всем диапазоне рабочих температур), низкое энергопотребление, что принципиально для массово производимых бытовых приборов.
Наличие в конструкции датчики химического электрода сильно ограничивает условия их применения. Датчики чувствительны к испарениям от кремнийорганических материалов (силоксан), они теряют чувствительность и выходят из строя. Поэтому на платах с датчиками не рекомендуется использовать кремнийорганические теплопроводящие подложки, их следует заменить на акриловые (например, 5590 компании 3М). Также, датчики не следует подвергать воздействию коррозионных газов, галогенов, щелочных металлов, они не переносят заморозки, попадания воды или конденсата.

Рис 2. Селективность электрохимических датчиков СО2

Однако исследования показали, что электрохимические датчики уступают по целому комплексу показателей: недостаточно стабильной чувствительности и положению нуля, ограниченному диапазону измерений, быстродействию и селективности. Главным достоинством электрохимических датчиков оказывается стоимость, благодаря чему круг их применений ограничивается бытовыми детекторами с невысокой точностью измерений.
Основной современной технологией измерения концентрации СО2 сегодня является инфракрасный принцип измерений. Инфракрасные недисперсионные  датчики (NDIR) (рис.3) имеют хорошую селективность, отличную стабильность измерений на всём протяжении эксплуатации, высокую чувствительность и разрешение, не чувствительны к агрессивным средам, не боятся влаги, не содержат вредных веществ и отличаются долгим сроком службы. NDIR датчики не зависят от концентрации кислорода в воздухе, в отличие от других технологий измерения, где снижение концентрации кислорода автоматически принимается за повышение концентрации анализируемого газа.

Рис.3 NDIR инфракрасные датчики

Конструктивно NDIR датчик состоит из источника ИК излучения, измерительной камеры, куда подается тестируемая газовая смесь, фильтра длины волны и ИК детектора (рис.4). При попадании газа в камеру определенные длины волн поглощаются в ИК спектре, отсеиваются фильтром и излучение попадает в фотоприемник. Здесь происходит преобразование интенсивности света в пропорциональный сигнал, который затем предварительно усиливается.

Рис. 4 Принцип измерений NDIR датчика

Инфракрасный метод может использоваться для измерения любых других газовых сред, однако для СО2 он получил максимальную популярность, поскольку позволяет получить самый надежный и точный результат измерений концентрации. Кроме того, эти датчики являются рекордсменами по сроку службы приборов, они могут работать до 15 лет без дополнительного обслуживания.
В отличие от электрохимических датчиков, они термокомпенсированы, а значит, не зависят от колебаний внешней температуры и обеспечивают хорошую линейную характеристику на выходе. Однако для поддержания точности датчика следует следить за поддержанием уровня напряжения питания. Несмотря на то, что датчик начнет реагировать уже при 3.6 В, питание должно находится в диапазоне 4.5-5.5В. Это связано с тем, что в конструкции датчика используется термистор, изменяющий свое сопротивления под воздействием окружающей температуры. Для его точной работы требуется стабильность напряжения питания.
NDIR датчики Winsen быстро завоевали мировой и российский рынок, в отличие от датчиков СО2 предыдущего поколения они не требуют особого напряжения питания, не потребляют высокую мощность, позволяют передавать данные через UART и PWM (ШИМ), оснащены режимом самокалибровки и при этом имеют доступный ценник (по сравнению, например, с SenseAir или CDM7160-C00 от Figaro). 
NDIR датчики Winsen серии MH-Z выпускаются с различными типами выходных сигналов (рис.5): ШИМ (для диапазона измерений 2000 и 5000ppm), UART (передавая показания по последовательному порту на 9600 бод) или аналоговый сигнал по напряжению 0,4-2В (опция 0-3В). Также, каждая модель датчиков выпускается на различные диапазоны измерений: 0-2000ppm, 0-5000ppm, 0-5%VOL, 0-1%VOL (объемная концентрация). Точность измерений составляет ±50ppm, для бытовых условий применения этого вполне достаточно, т.к. уровень концентрации углекислого газа в воздухе нарастает плавно. Также, датчики измеряют температуру и выдают ее показания со сдвигом в 40 градусов, однако данные значения не являются точными, поскольку внутри корпуса датчика находится источник света, который нагревает внутреннюю камеру.
Опрашивать датчик следует на чаще раз в 10 секунд, скорость ответа составляет около минуты. Время разогрева перед началом работы не должно быть менее 3 минут.

Рис. 5 Схема подключения датчиков MH-Z

Остановимся на вопросе калибровки датчиков. Поскольку в процессе эксплуатации датчиков параметры ИК источника и детектора ухудшаются, результаты измерений оказываются заниженными. Чтобы исправить накопившуюся ошибку датчик помещают в известную газовую смесь и снимают показания. Разница между новым нулевым уровнем и первичной заводской калибровкой сохраняется в память устройства и учитывается при последующих измерениях.
Калибровка может быть выполнена одним из трех способов: в ручном режиме, программно через UART интерфейс и автоматически в режиме самокалибровки. Производитель рекомендует проводить калибровку датчиков каждые 6 месяцев. Однако NDIR датчики Winsen имеют функцию ABC – Automatic Baseline Correction. Она предназначена для самокалибровки, которая автоматически происходит каждые 24 часа после включения питания. В качестве нулевого порога установлен уровень 400ppm. Это значение сохранено в заводских установках датчика, для его изменения требуется поместить датчик в чистое помещение на час. Нулевой порог в 400ppm СО2 звучит немного странно, но создать для калибровки датчика газовую среду из чистого азота и кислорода с нулевым уровнем углекислого газа в бытовых условиях достаточно сложно и затратно.  Датчики калибруются по двум значениям: нулевой порог и полный диапазон.
Тип калибровки является критическим фактором при выборе СО2 датчика. Датчики с АВС функцией удобно использовать для офисных и бытовых приборов, но они не рекомендованы для теплиц и хладокомбинатов, где функцию автокалибровки необходимо будет отключить.
Что касается особенностей эксплуатации датчиков, то следует помнить об одном ограничении при работе с IR датчиками газа – они очень чувствительны к пыли и механическим воздействиям. Следует избегать давления на позолоченную пластиковую измерительную камеру. Датчики необходимо монтировать вдали от нагревательных приборов вне зоны попадания прямых солнечных лучей. Особую осторожность следует применять при пайке датчиков, избегать перегрева и не подключать датчик сразу после выполнения пайки. Также NDIR датчики чувствительны к отклонениям питания, как уже отмечалось выше.

Таблица 2. ИК сборки датчиков СО2 для жилых помещений

ИК датчики, представленные в таблице 1, предназначены для измерения концентрации СО2 внутри помещений. Это, в первую очередь, бытовые детекторы, системы вентиляции и кондиционирования, устройства «умный дом», погодные станции и др. Такие устройства имеют ограниченный диапазон измерений (уже 2000ppm указывает на значительное отклонение от нормы, а 5000ppm можно считать очень расширенным диапазоном), режим автоматической калибровки, что значительно упрощает эксплуатацию прибора, время отклика более 1 минуты, плюсовой диапазон рабочих температур (0…50С).
Компания Winsen выпускает также две модели NDIR датчиков для индустриального применения (рис.6). Такие датчики устанавливаются в оборудовании ОВКВ, системах индустриального контроля технологическим процессом, в устройствах обеспечения безопасности, контроля утечки газов, на производствах с взрывоопасными газовыми средами, агрохолдинге и животноводческих хозяйствах. Их основные характеристики приведены в таблице 2.
Индустриальные датчики отличаются следующими характеристиками:
- диапазон измерений датчиков измеряется не в ppm, а в объемной концентрации (например, 0-5%VOL)
- минимальное время отклика датчика, менее 30 секунд
- расширенный диапазон рабочих температур, вплоть до -40 °С
- прочный литой корпус.
Датчики для бытовых применений имеют в конструкции пластиковую измерительную камеру с позолотой и требуют особого обращения при пайке и эксплуатации. Индустриальные же датчики выполнены в металлическом цилиндрическом корпусе и имеют немного другую конструкцию (рис.7).

Рис. 7 Конструкция NDIR индустриального датчика
Рис. 6 NDIR датчик для индустриального применения

Таблица 3. NDIR датчики СО2 для индустриальных применений

В статье мы рассмотрели только одну линейку продукции компании Winsen. На ее примере видно, что компания разумно подходит к составлению портфолио своей продукции. В нем представлены модели датчиков для бытового и индустриального применения, с ручной и автоматической калибровкой, с различными типами выходного сигнала, датчики для бюджетных и промышленных решений.