Die Schaltung in Bild 1 zeigt einen universellen, mobilen Gasdetektor, der mit verschiedenen elektrochemischen Sensoren bestückt werden kann. Im vorliegenden Beispiel ist ein Sensor CO-AX von Alphasense im Einsatz, der die Konzentration von Kohlenmonoxid bestimmen kann.
Elektrochemische Sensoren kommen häufig zum Einsatz, um giftige Gase in Konzentrationen kleiner 1 ppm zu bestimmen. Die eingesetzten Sensoren sind meist gasspezifisch, d.h. für jede Art von Gas wird ein separater Sensor benötigt.
Die Schaltung basiert auf einem sogenannten Auto-Zero-Verstärker (ADA4528-2), der eine maximale Offset-Spannung von 2,5 µV bei gleichzeitig gutem Spannungsrauschen von 5,6 µV/√Hz besitzt. Statt eines festen Transimpedanz-Widerstands wird der AD5270-20, ein programmierbarer Rheostat (einstellbarer Widerstand), eingesetzt, mit dem die Schaltung mit verschiedenen Sensoren betrieben werden kann, ohne die Bestückung der Platine zu ändern.
Die benötigte Referenzspannung von 1,2 V wird durch den ADR3412, eine Referenz mit einer Genauigkeit von 0,1%, einer Drift von 8 ppm/°C und sehr geringer Verlustleistung erzeugt. Diese beiden Kernkomponenten gewährleisten eine Genauigkeit, die für den nachfolgenden 16 Bit A/D-Wandler (z.B. AD7790) benötigt wird.
Funktionsweise der Schaltung
Bei elektrochemischen Sensoren diffundiert Gas durch eine Membran in Sensor und reagiert mit der Messelektrode (WE). Die Referenzelektrode (RE) erzeugt die Rückkopplung für den Verstärker (U2-A), der dafür sorgt, dass die Messelektrode (WE) ein konstantes Potenzial sieht, was durch die Änderung der Spannung an der Gegenelektrode (CE) erreicht wird.
Die Stromrichtung in der Messelektrode hängt davon ab, ob im Sensor eine Reduktionsreaktion oder eine Oxidation stattfindet. Im Falle des Kohlenmonoxid-Sensors findet eine Oxidation statt, der Strom fließt in die Messelektrode. Das bedeutet, das die Gegenelektrode ein um ca. 300 bis 400 mV negativeres Potenzial annehmen muss als die Messelektrode.
Bild 2: Vereinfachte Beschaltung des SensorsDer Stromfluss liegt bei etwa 100 nA pro ppm, was bedeutet, dass zur Wandlung des Stroms in eine Spannung ein Transimpedanzwandler mit sehr geringem Eingangsstrom benötigt wird. Der ADA4528-2 eignet sich für diese Anwendung, da er CMOS-Eingangsstrukturen mit einem Eingangsstrom von 220 pA besitzt.
Die Schaltung benötigt nur eine einzelne Versorgungsspannung von 3,3 V, alle Komponenten sind auf einen optimale Genauigkeit bei geringem Strombedarf ausgelegt. Um den Strombedarf zu reduzieren kann statt eines ADA4528-2 ein ADA4505-2 eingesetzt werden, was allerdings zu Lasten der Genauigkeit geht.
Der Verstärker U2-A arbeitet als Stromsenke und sorgt für eine Potenzialdifferenz von 0 V zwischen Messelektrode WE und Referenzelektrode RE. Der Strom, der aus der Messelektrode fließt, ist proportional zur Gaskonzentration.
Die Ausgangsspannung des Transimpedanzwandler lässt sich wie folgt beschreiben: U0 = 1,2 V + IWE * RF
RF ist der Rückkopplungswiderstand des Transimpedanzwandlers (hier durch den Rheostat U3-B dargestellt); IWE ist der Strom, der in die Messelektrode fließt.
Einer der schwierigen Punkte ist die Genauigkeit der Daten, da besonders der Bereich nahe des Gleichstroms (einige mHz) interessant ist. Deshalb dient der Tiefpass aus R8 und C9 (0,16 Hz) als Filter. Diese tiefe Frequenz ist sinnvoll, da der Sensor eine Ansprechzeit von etwa 30 s hat. Mit dieser Konfiguration kommt die Schaltung auf eine rauschfreie Auflösung von 15,9 Bit.
Wichtig beim Test der Schaltung: Kohlenmonoxid ist ein giftiges Gas und in Konzentrationen von mehr als 250 ppm gefährlich. Daher sollte nur in geschlossenen Gefäßen getestet werden.