二氧化碳傳感器TGS4160的原理及應用

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(cháng)、選擇性和穩定性好等特性外，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(dòng)通風(fēng)換氣系統或CO2氣體的長(cháng)期監測等應用場(chǎng)合。文中敘述了該傳感器的內部結構和工作原理，給出了一個(gè)用TGS4160設計的專(zhuān)用模塊的基本應用電路原理圖。

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(cháng)、選擇性和穩定性好等特點(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)換氣系統或是ＣＯ２氣體的長(cháng)期監測等應用場(chǎng)合。但是，由于ＴＧＳ４１６０的預熱時(shí)間較長(cháng)（一般為２小時(shí)），所以，該器件比較適合于在室溫下長(cháng)時(shí)間通電連續工作。此外，為了方便客戶(hù)使用，ＦＩ-ＧＡＲＯ公司還專(zhuān)門(mén)設計了帶溫度補償的傳感器處理模塊ＡＭ－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，相當于０～３０００ｐｐｍ的濃度，并有中繼轉接控制口，可輸出高、低兩種門(mén)限信號以供外接控制使用。ＴＧＳ４１６０傳感器的主要技術(shù)參數如下：

●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；

●內部熱敏電阻（補償用）：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(cháng)５．８ｍｍ。

２　內部結構

ＴＧＳ４１６０二氧化碳傳感器是一種內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(yáng)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(yáng)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。元件的內層采用１００目雙層不銹鋼網(wǎng)套在鍍鎳銅環(huán)上，并用高強度樹(shù)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)。為了達到降低干擾氣體影響的目的，ＴＧＳ４１６０在內外兩層不銹鋼網(wǎng)之間還填充有吸附材料（沸石）。傳感器的６個(gè)引腳通過(guò)０．１ｍｍ的箔導線(xiàn)與內部相連。其等效的內部結構見(jiàn)圖１所示。圖中，陽(yáng)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，內部熱敏電阻與傳感器的第２，５腳相連。內部熱敏電阻的作用是通過(guò)該電阻探測環(huán)境溫度，以便對該傳感器進(jìn)行溫度補償，從而使校正后的測量值更加準確。

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。其反應式如下：

陰極反應方程：

４Ｌｉ＋＋２ ＣＯ２＋Ｏ２＋４ｅ－＝２Ｌｉ２ＣＯ３

陽(yáng)極反應方程：

４Ｎａ＋＋Ｏ２ ＋４ｅ－＝２Ｎａ２Ｏ

總的化學(xué)反應方程：

Ｌｉ２ＣＯ３＋２Ｎａ＋＝Ｎａ２Ｏ＋２Ｌｉ＋＋ＣＯ２

作為電化學(xué)反應的結果，根據耐斯特方程（Ｎｅｒｎｓｔ），該過(guò)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；Ｒ是氣體常數； Ｔ為溫度值（Ｋ）；Ｆ是法拉第常數。

從上式看出，通過(guò)監測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定性，因此加熱電壓必須穩定，其范圍應在５．０±０．２ＶＤＣ之內。為了保證ＣＯ２的準確測量，除了保證加熱電壓穩定及對環(huán)境溫度的變化進(jìn)行溫度補償外，更主要的是要測量?jì)呻姌O之間變化的電勢值ΔＥＭＦ，而不是絕對電勢值ＥＭＦ，因為ΔＥＭＦ與ＣＯ２濃度變化之間有一個(gè)較好的線(xiàn)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，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、預熱時(shí)間為７天或大于７天的條件下，測得傳感器在濃度為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)際測量應用電路中，要根據傳感器的特點(diǎn)要求，除使用高輸入阻抗（≥１００ＧΩ）、低偏置電流（≤１ｐＡ）的運算放大器外，還要對測得的信號進(jìn)行處理。處理該信號通常有兩種方案可供選擇：一是使用費加羅（ＦＩＧＡＲＯ）公司的ＦＩＣ９８６４６專(zhuān)用處理器模塊，二是選用其它型號的單片機并通過(guò)自己編程進(jìn)行信號處理。