Каждый схемотехник сталкивался в последнее время с проблемами поставок электронных компонентов. Замена операционных усилителей или DC-DC преобразователей не составляет большого труда. Но бывают ситуации, из которых,на первый взгляд, не видно выхода.
Я работаю в компании, которая разрабатывает и производит медицинские ингаляторы для терапии ксеноном. Исследования в этой области идут более 20 лет и ксенон успешно применяется в анестезиологии и терапии. Так как эта статья не медицинская, а техническая - не будем вдаваться в это.
В декабре произошли важные события в нашей компании. На горизонте появился достаточно большой заказ на аппараты. Компания начала подготовку к производству и выяснилось, что чувствительный элемент датчика концентрации ксенона больше не поставляется.
![Датчик XEN-3880 Датчик XEN-3880](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/c6b/55b/9a5/c6b55b9a541ce8557d942ba1451547e9.jpg)
Поставщики датчика обнадежили: есть решение. Использовать датчик MTCS2601. Они были тут же заказаны в количестве 10 штук.
Пока датчики отгружают и доставляют, есть время разобраться, что же это за зверь такой. Описание к датчику MTCS2601 всего-то шесть страниц и ни слова про ксенон. Мельком упоминается, что его можно использовать для измерения концентрации газовых смесей. Сразу бросилось в глаза то, что датчик работает по принципу Пирани. Датчик выполнен по МЭМС технологии, на подложке расположено четыре сопротивления, включаются по два последовательно. Одно сопротивление подогревается текущим через него током и в зависимости от количества тепла, отобранного газом, изменяет свое сопротивление. Чем меньше давление воздуха - тем ниже его теплопроводность, следовательно температура сопротивления растет. Второе сопротивление предназначено для измерения температуры среды и коррекции.
С датчиком XEN-3880 проблем не было. Производитель сделал на него развернутое описание со справочными данными и одну страницу посвятил практическому измерению концентрации ксенон-кислородной смеси. Но есть одно но - не получается в лоб заменить датчик. XEN-3880 работает по другому принципу: на встроенный нагревательный элемент подается постоянный ток, производитель любезно дал пример источника тока, состоящего из ИОН и резистора, а со встроенной термопары снимается сигнал. Чем ниже теплопроводность газа - тем выше температура. Принцип сходен с датчиком Пирани, но в измерении участвуют два элемента.
Но производитель датчика MTCS2601 дал только схему включения для измерения давления воздуха от 0,001 до 100 000 Па.
![Вырезка из описания на датчик MTSC2601 Вырезка из описания на датчик MTSC2601](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/c04/c4d/c1c/c04c4dc1c2209aa2d6e3f532eaf82fba.jpg)
Из данной части описания формула (3) представляет особый интерес. Это зависимость квадрата напряжения от теплопроводности газа. Первым делом я пошел в интернет искать примеры. Оказалось, что по использованию датчика Пирани для измерения концентрации газовой смеси информации нет.
Отчаявшись, я начал изучать подробно описание на датчик XEN-3880 в надежде найти какие-нибудь зацепки. Формула для расчета концентрации ксенона и график показаний датчика (практическое применение датчика XEN-3880) не дали полезной информации. А следующий абзац сразу расставил всё на свои места:
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/582/664/914/5826649147f9c218b9ceeafdafa4c8e4.png)
Осталось дело за малым: подставить в эту формулу динамическую вязкость, теплопроводность и молекулярную массу ксенона и кислорода. С кислородом не возникло никаких проблем, в том же описании были даны зависимости теплопроводности и динамической вязкости распространенных газов от температуры. С ксеноном оказалось сложнее. На просторах интернетов удалось найти только таблицы. Они были успешно преобразованы в полиномы второго порядка с помощью какого-то онлайн калькулятора.
Хоть зависимость от температуры не важна в данном применении (датчик подогревается до 55 градусов для предотвращения конденсации воды на нем), лучше иметь возможность всегда изменить температуру без необходимости пересчета. Последовав совету производителя, я внес все полученные формулы и справочные данные по газам в лист EXCEL. Получил зависимость теплопроводности газовой смеси от концентрации при выбранной температуре. Следующим этапом посчитал зависимость выходного напряжения от теплопроводности смеси для датчика MTCS2601 со стандартными параметрами и номиналами резисторов. УСПЕХ!
![Теплопроводность и выходное напряжение для смеси "кислород в ксеноне" Теплопроводность и выходное напряжение для смеси "кислород в ксеноне"](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/836/eeb/f6e/836eebf6ec0448a4d5f2a39c05d9cc5a.png)
Данные расчеты показали, что мне, как схемотехнику, вообще ничего не надо дальше выдумывать, достаточно сдуть предложенную схему включения, развести печатную плату, заказать компоненты и собрать.
Аппаратная часть
Я никак не мог понять как работает схема температурной компенсации первого порядка. Подключил к этому вопросу начальника, но он тоже не справился. Времени на осмысление схемы не было, поэтому было принято решение поверить описанию на датчик и сделать плату.
Произвел расчет в статическом режиме, оказалось, что потенциал выхода левого по схеме ОУ окажется ниже GND, значит надо обеспечить двуполярное питание. Мой выбор пал на TLC2272 rail-to-rail прецизионный ОУ, так как в описании на другой вакуумметр рекомендовали использовать прецизионный ОУ.
Платы и датчики MTCS2601 прибыли, и не дожидаясь, когда мотажник их соберет, я собрал две платы сам, попутно изучая вопрос применения САПР для монтажа радиоэлементов. Собирать с помощью 3D вида и вкладки PCB (в первой строке надо выбрать Components) оказалось очень удобно. Не тратится время на поиск места установки компонента на плате.
![MTCS2601 в окружении подогревающих резисторов и примкнувшего к ним датчика температуры MTCS2601 в окружении подогревающих резисторов и примкнувшего к ним датчика температуры](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/e28/c6c/50c/e28c6c50c8de4917a4205f47b2c8a512.jpg)
Наступил момент истины: подано питание, ток потребления в норме. Измеряю напряжение на выходе схемы температурной компенсации и ... не работает! 0.8 вольта вместо ожидаемых 2.38. Датчик никак не реагировал на внешнее воздействие. Моделирование схемы в EasyEDA не дало практически никаких результатов, но в модели я заменил ОУ на LM358 и резисторы на постоянные. Отпаяв датчик и заменив его на два резистора выяснилось, что главный подозреваемый - ОУ. Он был заменен на LM358, и с резисторами показал значения, похожие на симуляцию, что уже радует. Датчик был возвращен на место, напряжение питания увеличено до ±5В. Вольтметр показал 2.3В на выходе схемы температурной компенсации. Датчик стал реагировать на внешние воздействия, и при помещении его в среду 100% аргона показал 1.99В.
Через некоторое время показания стали равны 0. Связано это с диодом выбора знака выходного сигнала. Чтобы схема работала стабильно, отрицательный выход левого по схеме ОУ был подтянут к +5В резистором 1 МОм.
Предположительно TLC2272 не работал в этой схеме из-за меньших входных токов, чем LM358. Когда мне в руки попал LMC6482, я установил его, с ним датчик стал нормально работать с первого раза и с питанием ±3,3В. Вопросов стало больше, чем ответов. Если кто-то знает, с чем связана чувствительность к ОУ - напишите в комментарии.
Доработав корпус напильником, я поместил в него плату с датчиком. Датчик и данные для расчета передал программисту Егору для реализации работы датчика с аппаратом
Калибровка
Разброс параметров подобных датчиков порядка ±30%, поэтому необходимо калибровать каждый экземпляр. Для хранения калибровочных коэффициентов на плату датчика установлена EEPROM. Датчик XEN-3880 калибровали по 100% аргону, хоть его теплопроводность и выше ксенона, все равно получается достаточно приемлемый результат.
Рассмотрим внимательно зависимость квадрата выходного напряжения от теплопроводности:
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/df4/7dd/1a8/df47dd1a8aa5d722c8072617be0f58fc.png)
Можно заметить, что изменение α, Rm, Rt (ТКС и сопротивления элементов датчика) влияют линейно. Поэтому для калибровки можно упростить выражение до
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/fc5/a11/b1d/fc5a11b1d6a292801127c694013468dc.png)
Имея две точки 100% кислорода и 100% аргона Егор произвел расчеты и сделал первый вариант поддержки датчика концентрации. Теплопроводность аргон-кислородной смеси была рассчитана так же, как и для ксенона. Эксперимент по подаче ксенона в датчик показал концентрацию 102%, что очень неплохо для расчетных данных и калибровки по аргону.
Послесловие
Может показаться, что использование аргона - неоправданное снижение точности (потому что 100% аргона соответствуют примерно 30% ксенона по теплопроводности). Но ксенон чрезвычайно дорог, на февраль 2022 года нормальный литр ксенона стоит 3800 рублей. рассматривается вопрос применения криптона для этих целей или пониженного давления и контроля по поверенному вакуумметру.
Выражаю благодарность своим коллегам: Сергею Рубцову (начальник отдела производства мед. техники) И Егору Ибрагимову (программист ОПМТ)
Сергей Авдонин, схемотехник ОМПТ ООО"ИнертГаз Медикал"