Pewnego dnia przeczytałem w gazecie o zatruciu młodej dziewczyny tlenkiem węgla ulatniającym się z piecyka gazowego. Akurat w tym przypadku zdarzenie skończyło się dość szczęśliwie bo dziewczyna przeżyła (tylko dzięki szybkiej reakcji rodziców), ale wiele przypadków kończy się śmiercią. Wtedy uświadomiłem sobie, że przecież i ja mam taki, już nie pierwszej młodości piecyk. Postanowiłem sprawdzić czy i z niego nie ulatnia się ten zabójczy gaz.

Tlenek węgla CO, zwany potocznie czadem jest gazem całkowicie bezwonnym i bezbarwnym. Jego gęstość jest nieco mniejsza od powietrza co powoduje, że gromadzi się przy suficie. Jest gazem palnym, spala się do dwutlenku węgla niebieskim płomieniem. W naturze występuje tylko w gazach kopalnianych.

Gaz ten niestety jest silnie toksyczny. Toksyczne działanie tlenku węgla wynika z jego większego od tlenu (250-300 razy) powinowactwa do hemoglobiny, zawartej w erytrocytach krwi. Tworzy on połączenie zwane karboksyhemoglobiną (CO + Hb -> COHb), które jest trwalsze niż służąca do transportu tlenu z płuc do tkanek oksyhemogolobina (połączenie tlenu z hemoglobiną). Dochodzi więc do niedotlenienia tkanek, co w wielu przypadkach prowadzi do śmierci. Już wdychanie powietrza ze stężeniem 0,16 % objętościowego CO, powoduje po dwóch godzinach zgon. O ile przy większych stężeniach (pow. 0,32 %) pierwszymi objawami zatrucia jest silny ból głowy i wymioty, to mniejsze stężenia powodują przy względnie krótkim wdychaniu jedynie słaby ból głowy i zapadanie w śpiączkę, jednak i te stężenia powodują po dłuższym kontakcie zgon.

Gaz ten niestety często możemy spotkać w naszym otoczeniu i fakt, że jest on bezwonny i bezbarwny sprawia, że dla wielu osób kontakt z nim skończył się śmiercią. Powstaje podczas niepełnego spalania paliw w piecach węglowych, olejowych i gazowych. Zachodzenie procesu niepełnego spalania może być spowodowane np. złą wentylacją pomieszczenia, w którym pracuje piec i niedostateczną ilością tlenu. Często takie sytuacje spotykamy w łazienkach, w których pracują gazowe podgrzewacze wody. Podczas kąpieli zamykamy otwory wentylacyjne, bo np. zimą wpada przez nie zimne powietrze - mamy ciepło ale w naszym piecyku gaz spala się niecałkowicie i wydziela się śmiercionośny tlenek węgla.

Można oczywiście kupić gotowe i niedrogie detektory tego gazu, które możemy na stałe zainstalować w łazience i spokojnie się kąpać bez obaw o życie. Ja postanowiłem taki detektor skonstruować głównie po to by sprawdzić własny piecyk, ale także by poznać jego zasadę działania. Oczywiście zbudowanie samego elementu detekcyjnego nie było by możliwe dlatego zakupiłem sensor AF-23.

Sensor ten do wykrywania zawartości tlenku węgla w powietrzu wykorzystuje zjawisko jego katalitycznego spalania na powierzchni półprzewodnika specjalnego rodzaju. Spalający się na powierzchni gaz (tlenek węgla) pochłania tlen zawarty w strukturze półprzewodnika, powodując w ten sposób zmianę jego rezystancji. Jeśli natomiast sensor umieścimy znów w atmosferze czystego powietrza rozpoczyna się proces pochłaniania tlenu przez półprzewodnik i jego rezystancja wraca do normalnej wartości. Aby zjawiska katalitycznego spalania i ponownego pochłaniania tlenu z powietrza mogły zachodzić, potrzebna jest wysoka temperatura. Dlatego nasz sensor wyposażono w specjalną platynową grzałkę, która ogrzewa strukturę półprzewodnika do ponad 300 ^oC.

Teraz aby sprawdzić czy w powietrzu zawarty jest tlenek węgla i jakie jest jego stężenie wystarczy zmierzyć rezystancję półprzewodnika w sensorze. Aby pomiar był miarodajny grzałka musi być zasilana bardzo stabilnym napięciem 5V, bo każde wahanie napięcia spowoduję zmianę temperatury a co za tym idzie zmianę rezystancji.

Schemat powyżej przedstawia wewnętrzną budowę sensora. Jak widzimy ma on cztery wyprowadzenia, z czego dwa służą do zasilania grzałki a dwa pozostałe to wyprowadzenia elektrod aktywnego elementu półprzewodnikowego, który zmienia swą rezystancję.

Oczywiście w urządzeniach łatwiej jest mierzyć napięcie niż rezystancję i na tej podstawie określać stężenie, dlatego czujnik możemy włączyć w układ dzielnika napięciowego tak jak na schemacie poniżej.

Na wyjściu Vout otrzymamy wartość napięcia proporcjonalną do stężenia tlenku węgla w powietrzu. Wystarczy tę wartość mierzyć woltomierzem wcześniej wyskalowanym w jednostkach stężenia i mamy gotowy miernik stężenia tlenku węgla. Oczywiście jest jeszcze kilka technicznych aspektów ale o tym wszystkim na następnej stronie, już podczas budowy urządzenia. Zapraszam dalej.

Praktyczne wykonanie czujnika zaczniemy od zaprojektowania płytki drukowanej, na której umieszczony zostanie sensor wraz z układem dzielnika.

Mamy już wzór płytki drukowanej, teraz pozostaję ją tylko wytrawić i wlutować wszystkie elementy. Na płytce umieściłem złącza do zasilania grzałki oraz oddzielnego zasilania elementu aktywnego by nie dochodziło do zakłóceń. Jest tam też wspólne złącze ujemne, oraz wyjście z dzielnika. Wartość napięcia na nim będzie proporcjonalna do stężenia CO.

Zanim zacznę dalszą budowę urządzenia wykonam testy praktyczne czujnika. Wydawać by się mogło, że będę musiał otrzymać bardzo niebezpieczny tlenek węgla. Na szczęście nie będę musiał tego robić bo nasz sensor jest identycznie wrażliwy na gazowy wodór, i fakt ten znacznie ułatwia nam sprawę.

Na potrzeby testów zwarłem ze sobą dodatnie złącze grzałki i elementu aktywnego. Zakłócenia nie będą miały teraz znaczenia bo chodzi mi jedynie o sprawdzenia działania całego układu.

Zdjęcie powyżej przedstawia układ pomiarowy składający się ze źródła zasilania o zaprogramowanej wartości wyjściowej 5V, miernika napięcia oraz naszego czujnika podłączonego już do układu. W obwodzie dzielnika napięcia zamontowałem rezystor 5,5 kiloomów. Jak widzimy na zdjęciu napięcie spoczynkowe układu, tzn. napięcie przy którym stężenie tlenku równa się 0, ma wartość 174 mV. Zmniejszając wartość rezystora możemy doprowadzić do zmniejszenia napięcia spoczynkowego nawet do zera, co ułatwi późniejsze rozwiązanie problemu przeliczania napięcia na stężenie. Na razie się tym nie przejmuję.

Teraz w kolbie do rozcieńczonego roztworu kwasu solnego dodałem blaszki cynkowe. Jak wiemy w reakcji tych dwóch substancji powstanie chlorek cynku i oczywiście interesujący nas gazowy wodór. Jak już wcześniej wspomniałem czujnik jest identycznie wrażliwy na ten gaz i pozwoli nam to pominąć niebezpieczny tlenek węgla. Po zbliżeniu rurki, z której wydobywa się wodór reakcja czujnika była natychmiastowa. Wartość napięcia na wyjściu wzrosła z 174 mV do ponad 1000 mV. Roztwór kwasu był bardzo mały i stężenia wodoru jest bardzo niewielkie a reakcja czujnika jest bardzo duża.

Stężenie wodoru w kolbie rośnie i jak widzimy wzrasta też wartość napięcia wyjściowego z czujnika. Nasz detektor działa wyśmienicie.

A teraz pytanie dlaczego po delikatnym oddaleniu od czujnika rurki, z której wydobywa się wodór wartość napięcia gwałtownie spada ??. Kolejne zdjęcie jest doskonałą odpowiedzią.

Przecież wodór jest dużo lżejszy od powietrza i unosi się ku górze. Nigdy nie pomyślał bym, że w taki sposób możemy to zjawisko zaobserwować. Na następnej stronie przedstawiłem część ostateczną projektu czyli konstrukcję gotowego urządzenia.

Czujnik tlenku węgla postanowiłem umieścić w małej obudowie wraz z małym wentylatorkiem, który wytworzy małe podciśnienie wewnątrz.

W obudowie umieściłem też małe złącze dla wężyka, przez który będzie zasysane badane powietrze. Całą obudowę uszczelniłem silikonem.

Teraz projekt płytki zasilającej wszystkie podzespoły, jak widać umieściłem oddzielne stabilizatory 5 V dla zasilania grzałki czujnika i napięcia odniesienia. Jest też wyjście 12 V dla zasilania wentylatora oraz woltomierza. Umieściłem też dodatkowy dzielnik napięcia do kalibracji całego układu - napięcie wyjściowe z czujnika trafia właśnie na ten dzielnik i dopiero do układu pomiarowego, dzięki czemu możliwe jest skalibrowanie układu potencjometrami dzielnika.

Płytę czołową urządzenia wykonałem w programie CorekDraw, wydrukowałem na zwykłej kartce papieru, wyciąłem okienko na wyświetlacz i zafoliowałem. Jak widać na zdjęciu poszedłem trochę na łatwiznę i do pomiaru napięcia z czujnika zastosowałem gotowy woltomierz.

Płyta zasilająca wszystkie podzespoły jest już gotowa, wydrukowanie opisu elementów znacznie ułatwia późniejsze połączenie wszystkich przewodów.

Pierwsza próba zmontowanego układu, woltomierz działa, wentylator zasysający powietrze działa. Jeden z potencjometrów dzielnika napięcia umieściłem na płycie czołowej całego urządzenia, kalibracja będzie możliwa bez otwierania obudowy.

By sprawdzić czy czujnik działa tradycyjnie już do kwasu solnego wrzuciłem odrobinę cynku. Reakcja czujnika jest natychmiastowa. Detektor działa - wspaniała chwila dla konstruktora :)

Mój detektor w całej okazałości. Moduł czujnika umieściłem na zewnątrz obudowy, miał znajdować się w środku, ale trochę za małą obudowę zakupiłem.

Test na wydzielającym się w reakcji wodorze.

Co prawda ten detektor w podobny sposób reaguje na gazowy wodór, ale przeznaczony jest do pomiarów stężeń tlenku węgla. Oczywiście nie mogłem się powstrzymać od wytworzenia niewielkiej ilości tego gazu. Można go wytworzyć z powodzeniem w laboratorium w reakcji dwóch (dla bezpieczeństwa nie ujawnię jakich) odczynników.
Zmieszałem dosłownie dwie krople odczynników w parowniczce, gazu wydziela się bardzo niewiele a reakcję czujnika widać na zdjęciu, jest on naprawdę bardzo czuły.

C.D.N. - przeprowadzę pomiary piecyków gazowych, powietrza w mieście w godzinach szczytu i spróbuje w swojej łazience zamknąć wszystkie otwory wentylacyjne - (idealne warunki dla powstawania CO w piecyku).