Собираю инфракрасный измеритель уровня углекислого газа

[RedCat2014]

Добрый день всем!

Извините за длинное сообщение, но коротко не скажешь. Конструирую инфракрасный измеритель концентрации углекислого газа, нужны советы. Сам измеритель нужен потому, что собираю гуманную ловушку для крыс, действие которой будет основано на том, что крыса будет проваливаться в ёмкость с углекислым газом и быстро терять сознание. Ловушка нужна для применения в приюте для собак и кошек, который достали крысы и мыши. Там нельзя использовать обычные яды, чтобы отравленной крысой не потравились собаки и кошки. На Западе есть такие гуманные ловушки, крысы в них погибают без мучений - но это сложные устройства, начиненные электроникой. Я хочу собрать простейшую дешевую конструкцию. При этом хочу понимать, насколько быстро газ будет улетучиваться из контейнера ловушки за счет диффузии и исходя из этого, думать о мерах герметизации системы в "режиме ожидания".

Концентрацию CO2 планирую измерять спектроскопически, углекислый газ обладает сильной полосой поглощения в ближней инфракрасной области, пик поглощения приходится приблизительно на длину волны 4.43 мкм.

Купил за 1000 рублей пироэлектрический датчик Murata IRA-E420QW1, который обладает встроенным полосовым фильтром на 4.45 мкм и чувствителен только к ИК-излучению около 4.43-4.45 мкм, что совпадает с полосой поглощения CO2. То что надо.

В качестве источника света буду использовать недокаленную (светится темно-красным) галогенную лампу на 40 Вт с колбой из кварцевого стекла, которое пропускает ИК-излучение упомянутого диапазона (обычное стекло не пропускает). Хвост распределения излучения как раз должен попасть в нужную 4-5 мкм область.

Подключил питание к датчику 5 вольт, на третий вывод повесил цифровой мультиметр с высоким внутренним сопротивлением (которое доказывается тем, что даже конденсаторы малой ёмкости медленно сбивают напряжение при измерении им).

Что наблюдал:
а) при отсутствии ИК-излучения, показания мультиметра 1.0-1.2 вольта
б) при поднесении зажженной спички или раскаленной нихромовой проволоки - уже на расстоянии 20-30 сантиметров показания мультиметра 3 вольта. Чувствительность хорошая датчика хорошая.
в) при освещении недокаленной обычной лампой накаливания - ноль реакции, оно и понятно, обычное стекло сильно поглощает ИК-излучение длиннее 3 мкм!)
г) при освещении упомянутой недокаленной галогенкой - датчик превосходно реагирует, при расстоянии между датчиком и лампой с рефлектором из фольги и датчиком:
20 сантиметров - 3 вольта
30 сантиметров - 2.4 вольта

При снятии ИК-облучения показания обращаются вначале в ноль, а затем медленно восстанавливаются 1.0-1.2 вольта, но каждый раз немного разные во втором знаке. Интересная "петля гистерезиса" вырисовывается.

То есть даже без всякого усилителя датчик отлично реагирует на ИК-освещение спичек, нихрома и галогенки.

Однако когда опускаешь закрепленные на 20-30 сантиметрах датчик и ИК-осветитель с рефлектором в ёмкость, только что наполненную чистым углекислым газом из баллона, показания мультиметра абсолютно не отличаются от тех, которые я имею на воздухе. Что на воздухе 2.5 вольта, что в ёмкости с газом.

Варьировал расстояние между ИК-излучателем и датчиком, менял питание в допустимых пределах от 3 до 12 вольт, и всё равно та же картина! Даже при максимальном питании датчика в 12 вольт разница показаний лишь во втором знаке. (При 5 вольтах и во втором знаке нету).

Сейчас думаю, что надо собирать усилитель постоянного тока на ОУ и полевиках, тогда будет значимая разница между показаниями освещенного датчика на воздухе и в углекислом газе. Датчик хочу использовать один (дорогие всё же), опорный сигнал для второго входа ОУ хочу снимать с переменного резистора, подключенного для стабильности к батарейке. Хочу на воздухе делать первый замер, затем выставлять переменным резистором величину опорного сигнала равной величине показаний на воздухе; далее буду опускать датчик в ёмкость с CO2 и разница между опорным сигналом и сигналом датчика в газе должна дать разбаланс дифференциального усилителя, который и будет релевантен концентрации газа.

Вопросы:

1. Подскажите пожалуйста, какие операционные усилители и полевики (если нужно усиливать сигнал перед ОУ) лучше всего использовать с IRA-E420QW1?

2. Или вообще лучше отказаться от идеи ИК-спекстроскопии и замутить что-нибудь основанное на измерении теплопроводности? (Теплопроводность CO2 в 2 раза выше, ченм у воздуха, теоретически мостик Уитсона с накаливаемыми проволочками должен почувствовать). Но пока что хочется ИК-спектроскопию пробовать, т.к. накаливаемый датчик теплопроводности будет чувствителен к самому легкому дуновению, показания будут искажаться.

3. Может кто-то знает готовые измерители для высокого диапазона концентраций CO2 (40-80%) в ценовой категории до 5000 рублей, которые можно просто купить и не париться?

Заранее спасибо!

PS. Я по образованию химик, кандидат наук, радиотехникой увлекался в детстве, сейчас уже многое подзабыл

[BOB51]

Может лучше "крысиного волка" выростить/вымучить?

[RedCat2014]

Возможно Вы правы; но сейчас меня интересует как сделать самодельный измеритель CO2 уже даже безотносительно изобретения крысоловки нового типа. Просто творческий азарт вспыхнул.

[BOB51]

...
А ежли от обратного - меряем отсутствие кислорода?
По кислороду вроде чегось было на выхлопных трубах импортных авто... и где-то в медицине...

[Gudd-Head]

Извините за длинное сообщение, но коротко не скажешь.

От таких длиннопостов от людей с высшим техническим образованием испытываешь эстетическое удовольствие.

Ну не знаю...
Вы взяли полосовой пирометрический датчик, заточенный под Flame detection, и пытаетесь отследить концентрацию СО2...
Может, искать решения непосредственно на обнаружение углекислого газа? Что-нибудь вроде http://z.compel.ru/item-pdf/c5e1b1beb2b ... mq-135.pdf
Другое дело, что такие специфические вещи обычно труднодоставабельны (только под заказ большой партией и долго).

[EternalEngine]

Можно попробовать ОУ AD820

[Gudd-Head]

Кстати, почему бы не использовать высоковольтное напряжение? Вроде тоже гуманно.

[RedCat2014]

Gudd-Head пишет:

Вы взяли полосовой пирометрический датчик, заточенный под Flame detection, и пытаетесь отследить концентрацию СО2

Flame Detection основано на том, что раскаленный до 1000 градусов CO2, который образуется при горении, испускает ИК-излучение на длине волны 4.43 мкм (помимо других длин). А в холодном состоянии CO2 будет поглощать на этой длине волны, и стало быть, можно "на просвет" его детектировать тем же датчиком.

Кстати, почему бы не использовать высоковольтное напряжение? Вроде тоже гуманно

Тоже вариант, тем более что вроде бы продажные ловушки такого типа есть даже у нас.

Может, искать решения непосредственно на обнаружение углекислого газа? Что-нибудь вроде http://www.compel.ru/pdf-items/hanwei/p ... b7f61907b/
Другое дело, что такие специфические вещи обычно труднодоставабельны (только под заказ большой партией и долго)

Спасибо! Обязательно посмотрю и этот вариант (после высоковольтной ловушки). Но по пирометрическому датчику всё равно хочется дойти до конца - или чтобы измеряло, или чтобы упереться в массивную стену объективных препятствий... Я завелся по нему не на шутку, остановиться невозможно

[RedCat2014]

Какие еще ОУ хорошо подходят для усиления таких сигналов? (Кстати, в датчик встроен полевик...) Из отечественных к примеру? ("Классику" навроде 140УД я и не рассматриваю - у них низкое входное сопротивление и вообще характеристики не очень). AD820 штука хорошая, но у себя в городе пока не найду.

[ПУХ]

3. Может кто-то знает готовые измерители для высокого диапазона концентраций CO2 (40-80%) в ценовой категории до 5000 рублей, которые можно просто купить и не париться?

Посмотрите вот здесь, может подберёте. Насчёт самодельного; эксплуатируются у нас Инфракар(ы) и ГАМ(ы) измеряют СО СО2 СН могу посмотреть схемы, это в соседней лаборатории, у них помоему даже датчики есть, один я забрал, симпатичный такой на робота похож или на межпланетный корабль из фантастического фильма. Если не ошибаюсь, то в них стоят ОУ К140УД8.