TGS4160系列二氧化碳傳感器工作原理及應(yīng)用解析

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)定性好等特點外，同時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)熱時間較長（一般為２小時），所以，該器件比較適合于在室溫下長時間通電連續(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，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＋＋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（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，因為ΔＥＭＦ與ＣＯ２濃度變化之間有一個較好的線性關(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。

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(yù)熱時間為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在實際測量應(yīng)用電路中，要根據(jù)傳感器的特點要求，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專用處理器模塊，二是選用其它型號的單片機(jī)并通過自己編程進(jìn)行信號處理。

４　基本應(yīng)用

利用TGS4160傳感器并通過高輸入阻抗、低偏置電流的運放進(jìn)行放大，再作一些簡單的運算處理，就可以在ＣＯ２濃度為３００～５０００ｐｐｍ的范圍內(nèi)測得信號，該信號為０～幾百毫伏的電壓信號，可以供高精度Ａ／Ｄ采樣使用。如果使用費加羅（ＦＩＧＡＲＯ）公司提供的ＡＭ－４ ＣＯ２傳感器模塊，則可直接應(yīng)用于自動通風(fēng)換氣系統(tǒng)或是ＣＯ２氣體監(jiān)測。該模塊內(nèi)部帶有Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器，并已對數(shù)據(jù)進(jìn)行了采樣并作了處理。它輸出的電壓信號與ＣＯ２濃度值呈線性關(guān)系，輸出的電壓信號為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。當(dāng)ＣＯ２濃度高于設(shè)定值時，輸出的轉(zhuǎn)接控制信號為高電平５Ｖ，該信號可以使得紅ＬＥＤ點亮；反之，它將轉(zhuǎn)接控制信號為低電平０Ｖ以使綠ＬＥＤ點亮。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現(xiàn)），表１和表２分別給出了門限開關(guān)信號的濃度值及跳線連接方法。ＡＭ－４模塊的實用電路原理圖見圖２所示。

表1 門限信號濃度

控制信號門限

檔次開關(guān)

Ⅰ800ppm720ppm

Ⅱ1000ppm900ppm

Ⅲ1500ppm1350ppm

Ⅳ2000ppm1800ppm

表2 跳線連接

連 接 方 式

檔次JP5JP6JP7JP8

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)為價格太高，也可以自行設(shè)計電路，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ＣＯ２的場所，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測量儀器。因為預(yù)熱時間太長，不能即時測量，同時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）會降低靈敏度，由于沸石可以對某些干擾氣體（如乙醇）加以濾除。因此，不用時可置于干燥劑中，并用專用袋進(jìn)行密封。