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.
