Топливная ячейка. 
Изготовление биотехнических и медицинских аппаратов и систем

Для оценки натекания воздуха по содержащемуся в нём кислороду (—20 обычно %) применяют датчики с топливной (электрохимической) ячейкой. В такой ячейке обладающий большой поверхностью электропроводящий материал расположен между электролитом и атмосферным воздухом. В присутствии кислорода происходит окисление активной поверхности этого материала с выделением тепла, в результате чего возникает ощутимый электрический сигнал, который может быть измерен. Устройство такой ячейки схематически показано на рисунке 11.2.

Рис. 17.2. Топливная (электрохимическая) измерительная ячейка для обнаружения кислорода.

В результате химической реакции с кислородом в измерительной ячейке между катодом и анодом возникает измерительное напряжение, возрастающее пропорционально содержанию кислорода в окружающей атмосфере. Реакция протекает очень быстро, поэтому сразу же определяется содержание кислорода в данный текущий момент. Температурная компенсация, осуществляемая внутри измерительной ячейки, стабилизирует выходной сигнал по отношению к температуре. При определении содержания кислорода в помещении типичный диапазон измерений соответствует 0…21%.

Термохимическая (каталитическая) ячейка

Термохимическая ячейка обеспечивает часто необходимую потребность в измерении содержания горючих газов — особенно монооксида углерода (СО) — в окружающем воздухе или в автомобильных выхлопных газах.

Термохимическая ячейка (рис. 11.3) имеет две измерительные платиновые спирали, включённые в измерительный мост, содержащий ещё два постоянных сопротивления.

Рис. 11.3. Каталитическая ячейка для обнаружения горючих газов.

Если одну из спиралей покрыть слоем активного катализатора, а вторую — слоем пассивного катализатора, то находящийся в атмосфере монооксид углерода (СО) будет реагировать с кислородом воздуха на активном катализаторе, образуя диоксид углерода (С0₂). Выделяющаяся в результате этой реакции тепловая энергия вызывает повышение сопротивления активной спирали, а в итоге — заметный разбаланс моста. С помощью такого датчика можно обнаруживать весьма незначительные концентрации СО (порядка 1СИ %). В атмосфере помещения минимальный возможный уровень измерения составляет 2 • 10² % СО. В принципе, кроме СО с помощью этой ячейки могут быть обнаружены все горючие газы. Соответствующим подбором катализатора и температуры проволоки можно достигнуть определённой избирательности.

Область применения датчиков этого типа включает в себя контроль таких объектов, как гаражи, уличные туннели, стенды для испытания автомобилей и двигателей, убежища, склады, рабочие помещения, бомбоубежища гражданской обороны, коксовые установки.

В качестве примера рассмотрим устройство для анализа выхлопных газов.

Контроль выхлопных газов на содержание СО проводится службой технического надзора с целью защиты окружающей среды. Для автомобильных выхлопных газов максимально допустимое содержание СО составляет около 4%. Обычно монооксид углерода образуется при сгорании бензина в двигателе при недостаточной подаче кислорода. При избытке кислорода образуется почти исключительно диоксид углерода (С0₂), который, в противоположность монооксиду, не является вредным газом. Если при сгорании топлива в двигателе ощущается недостаток кислорода, то специалисты говорят об обогащении рабочей смеси. При избытке кислорода получается соответственно обеднённая смесь. Для обеспечения хорошего КПД содержание СО следует поддерживать по возможности низким, что может быть достигнуто работой на обеднённой смеси. Разумеется, при этих условиях образуются и несгоревшие углеводороды, которые также вредны для здоровья. Оптимальный режим работы карбюратора соответствует содержанию СО около 1% (рис. 11.4).

Рис. 11.4. Зависимость концентрации СО от регулировки карбюратора: прерывистая линия — содержание углеводородов (без масштаба).

Для измерения этого показателя особенно подходит термохимический метод, отличающийся дешевизной и надёжностью. Схема такого анализатора выхлопных газов очень проста (рис. 11.5).

Измерительные спирали 1 (активный катализатор) и 2 (пассивный катализатор) расположены в измерительном мосте, который через регулятор напряжения (например, LM317) питается от аккумулятора автомобиля. Напряжение питания моста устанавливается равным примерно 3 В. Уравновешивание нулевой точки осуществляется настроечным потенциометром (1 кОм), включённым параллельно измерительному мосту. Разность напряжений AU_d измеряется непосредственно аналоговым индикатором. Переключатель S₁ служит для переключения предела измерения с 5% на 10%. Показания прибора на каждой ступени корректируются с помощью настроечных потенциометров и R₂. Процедура измерения (рис. 11.6) включает в себя следующие этапы:

• — взятие пробы измерительным зондом;
• — отделение конденсата в осушителе;
• — транспортировка газа;
• — фильтрация газа;
• — анализ газа.

Рис. 11.5. Принципиальная схема анализатора выхлопных газов При взятии пробы металлическую трубку длиной около 30 см вводят в выхлопную трубу во избежание подсоса постороннего воздуха. Анализируемый газ направляется затем по шлангу в отделитель конденсата, чтобы в датчик не попадала сконденсировавшаяся влага.

Рис. 11.6. Блок-схема установки для определения содержания СО в автомобильных выхлопных газах Транспортировка газа осуществляется с помощью мембранного насоса типа применяемых, например, для подачи воздуха в аквариум. Затем анализируемый газ должен быть очищен от случайных частиц пыли. В качестве фильтрующего элемента можно применять, например, топливный фильтр. Только после этого анализируемый газ направляется в ячейку датчика, где и происходит анализ. Из-за большой длины шланга предварительная обработка газа длится около 0,5 мин, после чего можно снимать показания прибора.

Перед началом использования прибора его следует испытать на эталонном газе, чтобы осуществить необходимые регулировки с помощью подстрочных потенциометров Р_г и Р₂. Контрольная проба газа также входит в комплект поставки прибора.