二氧化碳傳感器TGS4160的原理及應(yīng)用
關(guān)鍵詞：TGS4160；單片機(jī)；傳感器；二氧化碳
１ 概述
ＴＧＳ４１６０二氧化碳傳感器是ＦＩＧＡＲＯ（弗加羅）公司生產(chǎn)的固態(tài)電化學(xué)型氣體敏感元件。這種二氧化碳傳感器除具有體積小、壽命長、選擇性和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)外，同時(shí)還具有耐高濕低溫的特性?可廣泛用于自動(dòng)通風(fēng)換氣系統(tǒng)或是ＣＯ２氣體的長期監(jiān)測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)合。但是，由于ＴＧＳ４１６０的預(yù)熱時(shí)間較長（一般為２小時(shí)），所以，該器件比較適合于在室溫下長時(shí)間通電連續(xù)工作。此外，為了方便客戶使用，ＦＩ-ＧＡＲＯ公司還專門設(shè)計(jì)了帶溫度補(bǔ)償?shù)膫鞲衅魈幚砟KＡＭ－４。該模塊采用微處理器進(jìn)行控制，ＣＯ２氣體濃度的輸出信號(hào)電平為０．０～３．０Ｖ，相當(dāng)于０～３０００ｐｐｍ的濃度，并有中繼轉(zhuǎn)接控制口，可輸出高、低兩種門限信號(hào)以供外接控制使用。ＴＧＳ４１６０傳感器的主要技術(shù)參數(shù)如下：
●測(cè)量范圍：０～５０００ｐｐｍ；
●使用壽命：２０００天；
●加熱器電壓：５．０±０．２ＶＤＣ；
●加熱器電流：２５０ｍＡ；
●加熱器功耗：１．２５Ｗ；
●內(nèi)部熱敏電阻（補(bǔ)償用）：１００ｋΩ±５％；
●使用溫度：－１０～＋５０℃?
●使用濕度?５～９５％ＲＨ；
●產(chǎn)品尺寸：最大外徑Φ２４ｍｍ，高２４ｍｍ，引腳長５．８ｍｍ。
２ 內(nèi)部結(jié)構(gòu)
ＴＧＳ４１６０二氧化碳傳感器是一種內(nèi)含熱敏電阻的混合式ＣＯ２敏感元件。該元件在兩個(gè)電極之間充有陽離子固體電解質(zhì)。它的陰極由鋰碳酸鹽和鍍金材料制成，而陽極只是鍍金材料。該敏感元件的基襯是用對(duì)苯二酯聚乙烯和玻璃纖維加固，然后采用不銹鋼網(wǎng)做圓柱型封裝。元件的內(nèi)層采用１００目雙層不銹鋼網(wǎng)套在鍍鎳銅環(huán)上，并用高強(qiáng)度樹脂粘合劑與基襯固定在一起。其外層頂蓋上又罩上了一層６０目的不銹鋼網(wǎng)。為了達(dá)到降低干擾氣體影響的目的，ＴＧＳ４１６０在內(nèi)外兩層不銹鋼網(wǎng)之間還填充有吸附材料（沸石）。傳感器的６個(gè)引腳通過０．１ｍｍ的箔導(dǎo)線與內(nèi)部相連。其等效的內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖１所示。圖中，陽極與傳感器的第３腳Ｓ（＋）相連，陰極與傳感器的第４腳Ｓ（－）相連，Ｐｔ加熱器與傳感器的第１，６腳相連，內(nèi)部熱敏電阻與傳感器的第２，５腳相連。內(nèi)部熱敏電阻的作用是通過該電阻探測(cè)環(huán)境溫度，以便對(duì)該傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，從而使校正后的測(cè)量值更加準(zhǔn)確。
３ 工作原理
ＴＧＳ４１６０型ＣＯ２傳感器是一種電化學(xué)型氣體的敏感元件，當(dāng)該元件暴露在ＣＯ２氣體環(huán)境中時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)。其反應(yīng)式如下：
陰極反應(yīng)方程：
４Ｌｉ＋＋２ ＣＯ２＋Ｏ２＋４ｅ－＝２Ｌｉ２ＣＯ３
陽極反應(yīng)方程：
４Ｎａ＋＋Ｏ２ ＋４ｅ－＝２Ｎａ２Ｏ
總的化學(xué)反應(yīng)方程：
Ｌｉ２ＣＯ３＋２Ｎａ＋＝Ｎａ２Ｏ＋２Ｌｉ＋＋ＣＯ２
作為電化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果，根據(jù)耐斯特方程（Ｎｅｒｎｓｔ），該過程將產(chǎn)生如下電勢(shì)（ＥＭＦ）：
ＥＭＦ＝Ｅｃ－（ＲＦ）／（２Ｆ）ｌｎ（ＰＣＯ２ ）
式中：ＰＣＯ２ 為ＣＯ２的分壓；Ｅｃ為常數(shù)；Ｒ是氣體常數(shù)； Ｔ為溫度值（Ｋ）；Ｆ是法拉第常數(shù)。
從上式看出，通過監(jiān)測(cè)Ｓ（＋）、Ｓ（－）兩個(gè)電極之間所產(chǎn)生的電勢(shì)值ＥＭＦ，就可以測(cè)量ＣＯ２的濃度值。為了使該傳感器保持在最敏感的溫度上，一般需要給加熱器提供加熱電壓進(jìn)行加熱，但加熱電壓的變化將直接影響傳感器的穩(wěn)定性，因此加熱電壓必須穩(wěn)定，其范圍應(yīng)在５．０±０．２ＶＤＣ之內(nèi)。為了保證ＣＯ２的準(zhǔn)確測(cè)量，除了保證加熱電壓穩(wěn)定及對(duì)環(huán)境溫度的變化進(jìn)行溫度補(bǔ)償外，更主要的是要測(cè)量兩電極之間變化的電勢(shì)值ΔＥＭＦ，而不是絕對(duì)電勢(shì)值ＥＭＦ，因?yàn)棣ぃ牛停婆cＣＯ２濃度變化之間有一個(gè)較好的線性關(guān)系。雖然ＥＭＦ絕對(duì)值隨環(huán)境溫度的上升而上升，ΔＥＭＦ卻保持常量，而且它在－１０℃～＋５０℃溫度范圍內(nèi)，基本不受溫度的影響。
圖2
ΔＥＭＦ值可由下式求得：
ΔＥＭＦ＝ＥＭＦ１－ＥＭＦ２
其中，ＥＭＦ１為３５０ｐｐｍ的ＣＯ２中的ＥＭＦ值；ＥＭＦ２為所測(cè)量的ＣＯ２的ＥＭＦ值。
在溫度為２０℃±２℃、濕度為６５±５％ＲＨ、加熱電壓為５．０±０．０５ＶＤＣ、預(yù)熱時(shí)間為７天或大于７天的條件下，測(cè)得傳感器在濃度為３５０ｐｐｍ中的ＥＭＦ值是２２０～４９０ｍＶ，而ΔＥＭＦ在３５０～３５００ｐｐｍ的ＣＯ２濃度中的值是４４～７２ｍＶ，因此?在實(shí)際測(cè)量應(yīng)用電路中，要根據(jù)傳感器的特點(diǎn)要求，除使用高輸入阻抗（≥１００ＧΩ）、低偏置電流（≤１ｐＡ）的運(yùn)算放大器外，還要對(duì)測(cè)得的信號(hào)進(jìn)行處理。處理該信號(hào)通常有兩種方案可供選擇：一是使用費(fèi)加羅（ＦＩＧＡＲＯ）公司的ＦＩＣ９８６４６專用處理器模塊，二是選用其它型號(hào)的單片機(jī)并通過自己編程進(jìn)行信號(hào)處理。
４ 基本應(yīng)用
利用ＴＧＳ４１６０傳感器并通過高輸入阻抗、低偏置電流的運(yùn)放進(jìn)行放大，再作一些簡單的運(yùn)算處理，就可以在ＣＯ２濃度為３００～５０００ｐｐｍ的范圍內(nèi)測(cè)得信號(hào)，該信號(hào)為０～幾百毫伏的電壓信號(hào)，可以供高精度Ａ／Ｄ采樣使用。如果使用費(fèi)加羅（ＦＩＧＡＲＯ）公司提供的ＡＭ－４ ＣＯ２傳感器模塊，則可直接應(yīng)用于自動(dòng)通風(fēng)換氣系統(tǒng)或是ＣＯ２氣體監(jiān)測(cè)。該模塊內(nèi)部帶有Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器，并已對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了采樣并作了處理。它輸出的電壓信號(hào)與ＣＯ２濃度值呈線性關(guān)系，輸出的電壓信號(hào)為０～３．０Ｖ，相當(dāng)于０～３０００ｐｐｍ的ＣＯ２濃度。另外，該模塊還提供有中繼轉(zhuǎn)接控制信號(hào)。當(dāng)ＣＯ２濃度高于設(shè)定值時(shí)，輸出的轉(zhuǎn)接控制信號(hào)為高電平５Ｖ，該信號(hào)可以使得紅ＬＥＤ點(diǎn)亮；反之，它將轉(zhuǎn)接控制信號(hào)為低電平０Ｖ以使綠ＬＥＤ點(diǎn)亮。但是，該模塊的設(shè)定值是分檔的，而不是連續(xù)可調(diào)的。共分為四檔（可通過線路板上的跳線來實(shí)現(xiàn)），表１和表２分別給出了門限開關(guān)信號(hào)的濃度值及跳線連接方法。ＡＭ－４模塊的實(shí)用電路原理圖見圖２所示。
表1 門限信號(hào)濃度
| 控制信號(hào)門限 | ||
| 檔次 | 開 | 關(guān) |
| Ⅰ | 800ppm | 720ppm |
| Ⅱ | 1000ppm | 900ppm |
| Ⅲ | 1500ppm | 1350ppm |
| Ⅳ | 2000ppm | 1800ppm |
表2 跳線連接
| 連 接 方 式 | ||||
| 檔次 | JP5 | JP6 | JP7 | JP8 |
| Ⅰ | 連 | 連 | 連 | 斷 |
| Ⅱ | 連 | 連 | 斷 | 連 |
| Ⅲ | 連 | 斷 | 連 | 連 |
| Ⅳ | 斷 | 連 | 連 | 連 |
如果認(rèn)為使用ＡＭ－４模塊不方便或是認(rèn)為價(jià)格太高，也可以自行設(shè)計(jì)電路，并自行編寫程序進(jìn)行處理。
５ 結(jié)束語
ＴＧＳ４１６０型ＣＯ２傳感器特別適合于連續(xù)監(jiān)測(cè)ＣＯ２的場(chǎng)所，它不需斷電，其穩(wěn)定性好。但ＴＧＳ４１６０傳感器不適于做便攜式或手持式ＣＯ２測(cè)量儀器。因?yàn)轭A(yù)熱時(shí)間太長，不能即時(shí)測(cè)量，同時(shí)傳感器的功率也較大。此外，傳感器暴露在某些氣體中（如氯氣）會(huì)降低靈敏度，由于沸石可以對(duì)某些干擾氣體（如乙醇）加以濾除。因此，不用時(shí)可置于干燥劑中，并用專用袋進(jìn)行密封。
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