二氧化碳傳感器TGS4160的原理及應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間:2007/8/23 0:00:00 訪問次數(shù):734

文章作者：上海海軍醫(yī)學(xué)研究所王云景趙紅旗

摘要：TGS4160是FIGARO（弗加邏）公司生產(chǎn)的一種固態(tài)電化學(xué)型二氧化碳（CO2）傳感器，該器件除具有體積小、壽命長、選擇性和穩(wěn)定性好等特性外，同時(shí)還具有耐高濕和耐低溫等特點(diǎn)。因而可廣泛用于自動通風(fēng)換氣系統(tǒng)或CO2氣體的長期監(jiān)測等應(yīng)用場合。文中敘述了該傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，給出了一個(gè)用TGS4160設(shè)計(jì)的專用模塊的基本應(yīng)用電路原理圖。

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可廣泛用于自動通風(fēng)換氣系統(tǒng)或是ＣＯ２氣體的長期監(jiān)測等應(yīng)用場合。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、低兩種門限信號以供外接控制使用。ＴＧＳ４１６０傳感器的主要技術(shù)參數(shù)如下：

●測量范圍：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環(huán)境溫度，以便對該傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，從而使校正后的測量值更加準(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＋＋２ＣＯ２＋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（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Ｓ（＋）、Ｓ（－）兩個(gè)電極之間所產(chǎn)生的電勢值ＥＭＦ，就可以測量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)確測量，除了保證加熱電壓穩(wěn)定及對環(huán)境溫度的變化進(jìn)行溫度補(bǔ)償外，更主要的是要測量兩電極之間變化的電勢值ΔＥＭＦ，而不是絕對電勢值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。

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，測得傳感器在