二氧化碳傳感器TGS4160的原理及應用

　　摘要：TGS4160是FIGARO（弗加邏）公司生產的一種固態電化學型二氧化碳（CO2）傳感器，該器件除具有體積小、壽命長、選擇性和穩定性好等特性外，同時還具有耐高濕和耐低溫等特點。因而可廣泛用于自動通風換氣系統或CO2氣體的長期監測等應用場合。文中敘述了該傳感器的內部結構和工作原理，給出了一個用TGS4160設計的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）公司生產的固態電化學型氣體敏感元件。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換氣系統或是CO2氣體的長期監測等應用場合。但是，由于TGS4160的預熱時間較長（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工作。此外，為了方便客戶使用，ＦＩ-ＧAＲＯ公司還專門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、低兩種門限信號以供外接控制使用。TGS4160傳感器的主要技術參數如下：
　　
　　●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；
　　
　　●產品尺寸：zui大外徑Φ24ｍｍ，高24ｍｍ，引腳長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。該元件在兩個電極之間充有陽離子固體電解質。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，然后采用不銹鋼網做圓柱型封裝。元件的內層采用100目雙層不銹鋼網套在鍍鎳銅環上，并用高強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。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的箔導線與內部相連。其等效的內部結構見圖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該電阻探測環境溫度，以便對該傳感器進行溫度補償，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型氣體的敏感元件，當該元件暴露在CO2氣體環境中時，就會產生電化學反應。其反應式如下：
　　
　　陰極反應方程：
　　
　　4Ｌｉ＋＋2CO2＋Ｏ2＋4ｅ－＝2Ｌｉ2ＣＯ3
　　
　　陽極反應方程：
　　
　　4ＮA＋＋Ｏ2＋4ｅ－＝2ＮA2Ｏ
　　
　　總的化學反應方程：
　　
　　Ｌｉ2ＣＯ3＋2ＮA＋＝ＮA2Ｏ＋2Ｌｉ＋＋CO2
　　
　　作為電化學反應的結果，根據耐斯特方程（Ｎｅｒｎｓｔ），該過程將產生如下電勢（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，通過監測Ｓ（＋）、Ｓ（－）兩個電極之間所產生的電勢值EMF，就可以測量CO2的濃度值。為了使該傳感器保持在zui敏感的溫度上，一般需要給加熱器提供加熱電壓進行加熱，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境溫度的變化進行溫度補償外，更主要的是要測量兩電極之間變化的電勢值ΔEMF，而不是電勢值EMF，因為ΔEMF與CO2濃度變化之間有一個較好的線性關系。雖然EMF值隨環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。
　　
　　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在實際測量應用電路中，要根據傳感器的特點要求，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處理器模塊，二是選用其它型號的單片機并通過自己編程進行信號處理。　　
　　4、基本應用
　　
　　利用TGS4160傳感器并通過高輸入阻抗、低偏置電流的運放進行放大，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－4CO2傳感器模塊，則可直接應用于自動通風換氣系統或是CO2氣體監測。該模塊內部帶有A/D轉換器，并已對數據進行了采樣并作了處理。它輸出的電壓信號與CO2濃度值呈線性關系，輸出的電壓信號為0～3．0V，相當于0～3000PPM的CO2濃度。另外，該模塊還提供有中繼轉接控制信號。當CO2濃度高于設定值時，輸出的轉接控制信號為高電平5V，該信號可以使得紅LED點亮；反之，它將轉接控制信號為低電平0V以使綠LED點亮。但是，該模塊的設定值是分檔的，而不是連續可調的。共分為四檔（可通過線路板上的跳線來實現），表1和表2分別給出了門限開關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。
　　　　　　
　　如果認為使用AM－4模塊不方便或是認為價格太高，也可以自行設計電路，并自行編寫程序進行處理。
　　
　　5、結束語
　　
　　TGS4160型CO2傳感器特別適合于連續監測CO2的場所，它不需斷電，其穩定性好。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，并用袋進行密封。