二氧化碳传感器TGS4160的原理及应用

　　关键词:TGS4160;单片机;传感器;二氧化碳

　　1 概述

　　TGS4160二氧化碳传感器是FIGARO(弗加罗)公司生产的固态电化学型气体敏感元件?这种二氧化碳传感器除具有体积小?寿命长?选择性和稳定性好等特点外,同时还具有耐高湿低温的特性可广泛用于自动通风换气系统或是CO2气体的长期监测等应用场合?但是,由于TGS4160的预热时间较长(一般为2小时),所以,该器件比较适合于在室温下长时间通电连续工作?此外,为了方便客户使用,FI-GARO公司还专门设计了带温度补偿的传感器处理模块AM-4?该模块采用微处理器进行控制,CO2气体浓度的输出信号电平为0.0~3.0V,相当于0~3000ppm的浓度,并有中继转接控制口,可输出高?低两种门限信号以供外接控制使用?TGS4160传感器的主要技术参数如下:

　　●测量范围:0~5000ppm;

　　●使用寿命:2000天;

　　●加热器电压:5.0±0.2VDC;

　　●加热器电流:250mA;

　　●加热器功耗:1.25W;

　　●内部热敏电阻(补偿用):100kΩ±5%;

　　●使用温度:-10~+50℃

　　●使用湿度5~95%RH;

　　●产品尺寸:最大外径Φ24mm,高24mm,引脚长5.8mm?

　　2 内部结构

　　TGS4160二氧化碳传感器是一种内含热敏电阻的混合式CO2敏感元件?该元件在两个电极之间充有阳离子固体电解质?它的阴极由锂碳酸盐和镀金材料制成,而阳极只是镀金材料?该敏感元件的基衬是用对苯二酯聚乙烯和玻璃纤维加固,然后采用不锈钢网做圆柱型封装?元件的内层采用100目双层不锈钢网套在镀镍铜环上,并用高强度树脂粘合剂与基衬固定在一起?其外层顶盖上又罩上了一层60目的不锈钢网?为了达到降低干扰气体影响的目的,TGS4160在内外两层不锈钢网之间还填充有吸附材料(沸石)?传感器的6个引脚通过0.1mm的箔导线与内部相连?其等效的内部结构见图1所示?图中,阳极与传感器的第3脚S(+)相连,阴极与传感器的第4脚S(-)相连,Pt加热器与传感器的第1,6脚相连,内部热敏电阻与传感器的第2,5脚相连?内部热敏电阻的作用是通过该电阻探测环境温度,以便对该传感器进行温度补偿,从而使校正后的测量值更加准确?

　　3 工作原理

　　TGS4160型CO2传感器是一种电化学型气体的敏感元件,当该元件暴露在CO2气体环境中时,就会产生电化学反应?其反应式如下:

　　阴极反应方程:

　　4Li++2 CO2+O2+4e-=2Li2CO3

　　阳极反应方程:

　　4Na++O2 +4e-=2Na2O

　　总的化学反应方程:

　　Li2CO3+2Na+=Na2O+2Li++CO2

　　作为电化学反应的结果,根据耐斯特方程(Nernst),该过程将产生如下电势(EMF):

　　EMF=Ec-(RF)/(2F)ln(PCO2 )

　　式中:PCO2 为CO2的分压;Ec为常数;R是气体常数; T为温度值(K);F是法拉第常数?

　　从上式看出,通过监测S(+)?S(-)两个电极之间所产生的电势值EMF,就可以测量CO2的浓度值?为了使该传感器保持在最敏感的温度上,一般需要给加热器提供加热电压进行加热,但加热电压的变化将直接影响传感器的稳定性,因此加热电压必须稳定,其范围应在5.0±0.2VDC之内?为了保证CO2的准确测量,除了保证加热电压稳定及对环境温度的变化进行温度补偿外,更主要的是要测量两电极之间变化的电势值ΔEMF,而不是绝对电势值EMF,因为ΔEMF与CO2浓度变化之间有一个较好的线性关系?虽然EMF绝对值随环境温度的上升而上升,ΔEMF却保持常量,而且它在-10℃~+50℃温度范围内,基本不受温度的影响?

　　ΔEMF值可由下式求得:

　　ΔEMF=EMF1-EMF2

　　其中,EMF1为350ppm的CO2中的EMF值;EMF2为所测量的CO2的EMF值?

　　在温度为20℃±2℃?湿度为65±5%RH?加热电压为5.0±0.05VDC?预热时间为7天或大于7天的条件下,测得传感器在浓度为350ppm中的EMF值是220~490mV,而ΔEMF在350~3500ppm的CO2浓度中的值是44~72mV,因此在实际测量应用电路中,要根据传感器的特点要求,除使用高输入阻抗(≥100GΩ)?低偏置电流(≤1pA)的运算放大器外,还要对测得的信号进行处理?处理该信号通常有两种方案可供选择:一是使用费加罗(FIGARO)公司的FIC98646专用处理器模块,二是选用其它型号的单片机并通过自己编程进行信号处理?

　　4 基本应用

　　利用TGS4160传感器并通过高输入阻抗?低偏置电流的运放进行放大,再作一些简单的运算处理,就可以在CO2浓度为300~5000ppm的范围内测得信号,该信号为0~几百毫伏的电压信号,可以供高精度A/D采样使用?如果使用费加罗(FIGARO)公司提供的AM-4 CO2传感器模块,则可直接应用于自动通风换气系统或是CO2气体监测?该模块内部带有A/D转换器,并已对数据进行了采样并作了处理?它输出的电压信号与CO2浓度值呈线性关系,输出的电压信号为0~3.0V,相当于0~3000ppm的CO2浓度?另外,该模块还提供有中继转接控制信号?当CO2浓度高于设定值时,输出的转接控制信号为高电平5V,该信号可以使得红LED点亮;反之,它将转接控制信号为低电平0V以使绿LED点亮?但是,该模块的设定值是分档的,而不是连续可调的?共分为四档(可通过线路板上的跳线来实现),表1和表2分别给出了门限开关信号的浓度值及跳线连接方法?AM-4模块的实用电路原理图见图2所示?

　　表1 门限信号浓度

　　 控制信号门限 档次 开 关 Ⅰ 800ppm 720ppm Ⅱ 1000ppm 900ppm Ⅲ 1500ppm 1350ppm Ⅳ 2000ppm 1800ppm

　　表2 跳线连接

　　 连　 接　 方　 式 档次 JP5 JP6 JP7 JP8 Ⅰ 连 连 连 断 Ⅱ 连 连 断 连 Ⅲ 连 断 连 连 Ⅳ 断 连 连 连

　　如果认为使用AM-4模块不方便或是认为价格太高,也可以自行设计电路,并自行编写程序进行处理?

　　5 结束语

　　TGS4160型CO2传感器特别适合于连续监测CO2的场所,它不需断电,其稳定性好?但TGS4160传感器不适于做便携式或手持式CO2测量仪器?因为预热时间太长,不能即时测量,同时传感器的功率也较大?此外,传感器暴露在某些气体中(如氯气)会降低灵敏度,由于沸石可以对某些干扰气体(如乙醇)加以滤除?因此,不用时可置于干燥剂中,并用专用袋进行密封?