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(zhǎng)、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(zhǎng)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(zhǎng)(一般為2小時(shí)),所以,該器件比較適合于在室溫下長(zhǎng)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(mén)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(mén)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(zhǎng)5.8mm。
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(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(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(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(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(guò)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(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(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(guò)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。
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(yáng)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(guò)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(guò)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?jī)呻姌O之間變化的電勢(shì)值ΔEMF,而不是絕對(duì)電勢(shì)值EMF,因?yàn)?Delta;EMF與CO2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(guò)自己編程進(jìn)行信號(hào)處理。
利用TGS4160傳感器并通過(guò)高輸入阻抗、低偏置電流的運(yùn)放進(jìn)行放大,再作一些簡(jiǎn)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(guò)線路板上的跳線來(lái)實(shí)現(xiàn)),表1和表2分別給出了門(mén)限開(kāi)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(jiàn)圖2所示。
表1 門(mén)限信號(hào)濃度
控制信號(hào)門(mén)限
檔次開(kāi)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(jià)格太高,也可以自行設(shè)計(jì)電路,并自行編寫(xiě)程序進(jìn)行處理。
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?jī)x器。因?yàn)轭A(yù)熱時(shí)間太長(zhǎng),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。