Измерение концентрации ксенон-кислородной смеси вакуумметром Пирани

Каждый схемотехник сталкивался в последнее время с проблемами поставок электронных компонентов. Замена операционных усилителей или DC-DC преобразователей не составляет большого труда. Но бывают ситуации, из которых,на первый взгляд, не видно выхода.

Я работаю в компании, которая разрабатывает и производит медицинские ингаляторы для терапии ксеноном. Исследования в этой области идут более 20 лет и ксенон успешно применяется в анестезиологии и терапии. Так как эта статья не медицинская, а техническая — не будем вдаваться в это.

В декабре произошли важные события в нашей компании. На горизонте появился достаточно большой заказ на аппараты. Компания начала подготовку к производству и выяснилось, что чувствительный элемент датчика концентрации ксенона больше не поставляется.

Поставщики датчика обнадежили: есть решение. Использовать датчик MTCS2601. Они были тут же заказаны в количестве 10 штук.

Пока датчики отгружают и доставляют, есть время разобраться, что же это за зверь такой. Описание к датчику MTCS2601 всего-то шесть страниц и ни слова про ксенон. Мельком упоминается, что его можно использовать для измерения концентрации газовых смесей. Сразу бросилось в глаза то, что датчик работает по принципу Пирани. Датчик выполнен по МЭМС технологии, на подложке расположено четыре сопротивления, включаются по два последовательно. Одно сопротивление подогревается текущим через него током и в зависимости от количества тепла, отобранного газом, изменяет свое сопротивление. Чем меньше давление воздуха — тем ниже его теплопроводность, следовательно температура сопротивления растет. Второе сопротивление предназначено для измерения температуры среды и коррекции.

С датчиком XEN-3880 проблем не было. Производитель сделал на него развернутое описание со справочными данными и одну страницу посвятил практическому измерению концентрации ксенон-кислородной смеси. Но есть одно но — не получается в лоб заменить датчик. XEN-3880 работает по другому принципу: на встроенный нагревательный элемент подается постоянный ток, производитель любезно дал пример источника тока, состоящего из ИОН и резистора, а со встроенной термопары снимается сигнал. Чем ниже теплопроводность газа — тем выше температура. Принцип сходен с датчиком Пирани, но в измерении участвуют два элемента.

Но производитель датчика MTCS2601 дал только схему включения для измерения давления воздуха от 0,001 до 100 000 Па.

Из данной части описания формула (3) представляет особый интерес. Это зависимость квадрата напряжения от теплопроводности газа. Первым делом я пошел в интернет искать примеры. Оказалось, что по использованию датчика Пирани для измерения концентрации газовой смеси информации нет.

Отчаявшись, я начал изучать подробно описание на датчик XEN-3880 в надежде найти какие-нибудь зацепки. Формула для расчета концентрации ксенона и график показаний датчика (практическое применение датчика XEN-3880) не дали полезной информации. А следующий абзац сразу расставил всё на свои места:

Осталось дело за малым: подставить в эту формулу динамическую вязкость, теплопроводность и молекулярную массу ксенона и кислорода. С кислородом не возникло никаких проблем, в том же описании были даны зависимости теплопроводности и динамической вязкости распространенных газов от температуры. С ксеноном оказалось сложнее. На просторах интернетов удалось найти только таблицы. Они были успешно преобразованы в полиномы второго порядка с помощью какого-то онлайн калькулятора.

Хоть зависимость от температуры не важна в данном применении (датчик подогревается до 55 градусов для предотвращения конденсации воды на нем), лучше иметь возможность всегда изменить температуру без необходимости пересчета. Последовав совету производителя, я внес все полученные формулы и справочные данные по газам в лист EXCEL. Получил зависимость теплопроводности газовой смеси от концентрации при выбранной температуре. Следующим этапом посчитал зависимость выходного напряжения от теплопроводности смеси для датчика MTCS2601 со стандартными параметрами и номиналами резисторов. УСПЕХ!

Данные расчеты показали, что мне, как схемотехнику, вообще ничего не надо дальше выдумывать, достаточно сдуть предложенную схему включения, развести печатную плату, заказать компоненты и собрать.

Аппаратная часть

Я никак не мог понять как работает схема температурной компенсации первого порядка. Подключил к этому вопросу начальника, но он тоже не справился. Времени на осмысление схемы не было, поэтому было принято решение поверить описанию на датчик и сделать плату.

Произвел расчет в статическом режиме, оказалось, что потенциал выхода левого по схеме ОУ окажется ниже GND, значит надо обеспечить двуполярное питание. Мой выбор пал на TLC2272 rail-to-rail прецизионный ОУ, так как в описании на другой вакуумметр рекомендовали использовать прецизионный ОУ.

Платы и датчики MTCS2601 прибыли, и не дожидаясь, когда мотажник их соберет, я собрал две платы сам, попутно изучая вопрос применения САПР для монтажа радиоэлементов. Собирать с помощью 3D вида и вкладки PCB (в первой строке надо выбрать Components) оказалось очень удобно. Не тратится время на поиск места установки компонента на плате.

Наступил момент истины: подано питание, ток потребления в норме. Измеряю напряжение на выходе схемы температурной компенсации и … не работает! 0.8 вольта вместо ожидаемых 2.38. Датчик никак не реагировал на внешнее воздействие. Моделирование схемы в EasyEDA не дало практически никаких результатов, но в модели я заменил ОУ на LM358 и резисторы на постоянные. Отпаяв датчик и заменив его на два резистора выяснилось, что главный подозреваемый — ОУ. Он был заменен на LM358, и с резисторами показал значения, похожие на симуляцию, что уже радует. Датчик был возвращен на место, напряжение питания увеличено до ±5В. Вольтметр показал 2.3В на выходе схемы температурной компенсации. Датчик стал реагировать на внешние воздействия, и при помещении его в среду 100% аргона показал 1.99В.

Через некоторое время показания стали равны 0. Связано это с диодом выбора знака выходного сигнала. Чтобы схема работала стабильно, отрицательный выход левого по схеме ОУ был подтянут к +5В резистором 1 МОм.

Предположительно TLC2272 не работал в этой схеме из-за меньших входных токов, чем LM358. Когда мне в руки попал LMC6482, я установил его, с ним датчик стал нормально работать с первого раза и с питанием ±3,3В. Вопросов стало больше, чем ответов. Если кто-то знает, с чем связана чувствительность к ОУ — напишите в комментарии.

Доработав корпус напильником, я поместил в него плату с датчиком. Датчик и данные для расчета передал программисту Егору для реализации работы датчика с аппаратом

Калибровка

Разброс параметров подобных датчиков порядка ±30%, поэтому необходимо калибровать каждый экземпляр. Для хранения калибровочных коэффициентов на плату датчика установлена EEPROM. Датчик XEN-3880 калибровали по 100% аргону, хоть его теплопроводность и выше ксенона, все равно получается достаточно приемлемый результат.

Рассмотрим внимательно зависимость квадрата выходного напряжения от теплопроводности:

Можно заметить, что изменение α, Rm, Rt (ТКС и сопротивления элементов датчика) влияют линейно. Поэтому для калибровки можно упростить выражение до

Имея две точки 100% кислорода и 100% аргона Егор произвел расчеты и сделал первый вариант поддержки датчика концентрации. Теплопроводность аргон-кислородной смеси была рассчитана так же, как и для ксенона. Эксперимент по подаче ксенона в датчик показал концентрацию 102%, что очень неплохо для расчетных данных и калибровки по аргону.

Послесловие

Может показаться, что использование аргона — неоправданное снижение точности (потому что 100% аргона соответствуют примерно 30% ксенона по теплопроводности). Но ксенон чрезвычайно дорог, на февраль 2022 года нормальный литр ксенона стоит 3800 рублей. рассматривается вопрос применения криптона для этих целей или пониженного давления и контроля по поверенному вакуумметру.

Выражаю благодарность своим коллегам: Сергею Рубцову (начальник отдела производства мед. техники) И Егору Ибрагимову (программист ОПМТ)

Сергей Авдонин, схемотехник ОМПТ ООО»ИнертГаз Медикал»