О чувствительности диагностических газоанализаторов

222
Электроника и связь. Тематический выпуск «Электроника и нанотехнологии», ч.2, 2009
УДК 535.34:621.373.82б:611.814.1:615.84
В.И. Зубчук, канд. техн. наук, А.В. Кратик, В.Ф. Сташкевич, В.С. Якимчук
О чувствительности диагностических газоанализаторов
Рассмотрены требования к системе экспресс-диагностики на основе селективных
газоанализаторов. Приведены параметры,
характеристики электрохимических сенсоров и условия сопряжения их с системами
регистрации для обеспечения необходимой
чувствительности в условиях промышленных помех.
Express-diagnostic system requirements
based on selective gas analyzers were considered. The parameters and characteristics of
electrochemical sensors and there coupling
conditions with registration systems for providing the necessary sensitivity in terms of industrial noise are given.
Введение
Экспресс-диагностика функционального состояния человека и выявление отклонений диагностических показателей от нормы является
важным направлением разработки методов и
средств медицинской техники. Эффективность
лечения многих заболеваний человека зависит
от своевременного выявления отклонения физиологических показателей от нормы в доклинической фазе. В идеале это означает, что необходимо контролировать достаточный набор
физиологических параметров человека в состоянии здоровья, то есть контролировать и
управлять процессом здоровья. Для реализации такого подхода необходимо: определить
необходимый и достаточный набор контролируемых параметров, разработать методы и
средства их контроля, которые должны отвечать требованиям:
− объективность;
− оперативность;
− неинвазивность;
− высокая чувствительность;
− дешевизна;
−
−
отсутствие воздействия на обследуемого;
простота реализации процедур обследования.
Одним из направлений создания средств,
отвечающих перечисленным требованиям, является построение анализаторов метаболитов,
то есть жидких и газообразных веществ, выделяемых человеком в процессе жизнедеятельности. Соответствующие анализаторы жидкостей
и газов для этих целей по аналогии с органами
чувств человека получили название – «Электронный язык» и «Электронный нос» [1]. Уже
получены результаты экспериментального применения устройств типа «Электронный нос»
(ЭН) для идентификации личности по индивидуальному запаху [2], для диагностики респираторных инфекций [3], диагностики онкологических заболеваний [4, 5], контроля экологической
обстановки и скрининга лекарственных препаратов [6]. Однако для широкого внедрения устройств типа ЭН в практики здравоохранения
необходимо решить еще много задач.
В общем случае в состав устройства ЭН
(Рис.1) входит набор селективных сенсоров
(D1…Dn), которые через усилители (У1…Уn),
программно управляемый аналоговый мультиплексор и аналого-цифровой преобразователь
(АЦП) подключаются к компьютеру для формирования базы данных с результатами измерений и сопровождающей информации. Технические параметры ЭН прямо зависят от параметров селективных сенсоров, поэтому выбор типа,
количества и параметров чувствительности
сенсоров является важным этапом в проектировании таких устройств.
Одним из перспективных типов гозоселективных сенсоров для ЭН являются электрохимические амперометрические сенсоры (АС) на
основе твердотельных систем с протонопроводными и матричными электролитами. Параметры некоторых разновидностей такого типа
сенсоров приведены в таблице [7].
Рис. 1. Функциональная схема устройства ЭН
Биомедицинские приборы и системы
223
Таблица. Технические характеристики сенсоров
Газ
Тип сенсора
Мин. и макс. диапазоны
измерений, ppm
Аммиак
Хлор
Сероводород
Диоксид серы
Оксид азота
Фтороводород
Кислород
NH3, Sensor E-2
Cl2, Sensor E-2
H2S, Sensor E-3
SO2, Sensor E-3
NO, Sensor E-3
HF, Sensor E-2
O2, Sensor E-2
0-20, 0-5000
0-5, 0-2500
0-10, 0-1000
0-100, 0-1000
0-20, 0-2500
0-10, 0-200
0-30 %
Типовая характеристика зависимости тока
амперометрического сенсора от концентрации
газа, для идентификации которого спроектирован сенсор, приведена на Рис.2,а.
Время
отклика,
t0,9, c
< 40
< 40
< 30
< 30
< 20
< 60
< 10
Разрешение,
ppm
1
0,05
0,2
1
1
0,3
0,1 %
Чувствительность,
mA/ppm
0,02±0,005
1±0,3
-
ствования некоторого фонового тока Iф при нулевой концентрации соответствующего газового
компонента в пробе. Фоновый ток Iф зависит от
температуры окружающей среды, влажности и
изменяется в процессе старения сенсора. Все
это накладывает определенные требования к
электронному усилителю, преобразующему токовый сигнал АС в напряжение, подаваемое на
АЦП. Основные требования к электронному
усилителю сводятся к следующему:
− обеспечение требуемого передаточного сопротивления;
− компенсация фонового тока Iф;
− фильтрация промышленных помех;
− минимальное входное сопротивление;
− обеспечение калибровки чувствительности.
На Рис.3 приведена упрощенная схема подключения двухэлектродного АС к усилителю с
токовым входом. Здесь генератор прямоугольных импульсов DS с внутренним сопротивлением R1 имитирует токовый выход амперометрического сенсора, а генератор тока GN моделирует источник промышленных помех. Потенциометр и резистор R3 предназначены для
компенсации фонового тока Iф перед началом
измерений, а резистор R0 обеспечивает необходимое передаточное сопротивление усилителя, то есть требуемую чувствительность схемы
измерения. Сопротивление резистора R0 выбирается из условия:
R0 < Um / Ims,
Рис. 2.
Крутизна характеристики определяет чувствительность К сенсора (измеряемую в
мкА/ppm), а линейный участок характеристики –
диапазон измеряемых концентраций и соответствующих им значений выходного тока сенсора.
Чувствительность К амперометрических сенсоров существенно отличается для разных типов
газов и имеет порядок К [мкА/ppm] = 0.001…1.
При этом характеристики на Рис.2,а не проходят через начало координат вследствие суще-
где Um – максимальное входное напряжение
АЦП, Ims – выходной ток АС при максимальной
расчетной концентрации газового компонента.
Емкость конденсатора С0 выбирается так,
чтобы была обеспечена фильтрация промышленных помех с учетом времени отклика tот
(Рис.2,б) при поступлении пробы на АС и времени восстановления tвос при продувке АС нейтральным газом:
C0 < max ( tот, tвос ) / (3R0).
224
Электроника и связь. Тематический выпуск «Электроника и нанотехнологии», ч.2, 2009
Рис. 3. Схема усиления тока газового сенсора
Результат моделирования работы АС в условиях помех приведен на рис.4, где в верхней
части рисунка показана временная диаграмма
сигнала сенсора с чувствительностью 1
мкА/ppm и с сопоставимыми по амплитуде помехами, а в нижней части – отфильтрованный
выходной сигнал канала усиления при чувствительности 0.1 В/ppm.
Рис. 4. Входной и выходной сигналы сенсора
Выводы
Таким образом, сформулированы требования к системе экспресс-диагностики на основе
электрохимических амперометрических сенсорах (АС). Рассмотрена чувствительность К ам-
перометрических сенсоров и условия сопряжения их с элементами регистрации сигналов в
условиях промышленных помех. Проведено
моделирование работы АС при влиянии помех и
показана эффективность их фильтрации.
Литература
1. WVA Airsense Analysentechnik GmbH.
“Measuring techniques using the electronic
nose (PEN)”, 1998.
2. http://www.businesspress.ru/newspaper/article_mId_37_aId_74889.html, 2001.
3. http://www.km.ru/magazin/view.asp?id=A5835
4B0B7344517A63671CE67B5BF5F, 2004.
4. http://www.newsru.com/world/08May2003/
nose.html, 2003.
5. http://www.antirakcenter.ru/index.php.catid=42&page=472, 2005.
6. http://www.chemport.ru/datenews.php?news=
1307, 2008.
7. Чвірук В.П., Поляков С.Г., Герасименко Ю.С.
Електрохімічний моніторинг техногенних середовищ. / Видавничий дім ”Академперіодика” НАНУ. Київ -2007. – 320 с.