CO2传感器原理
摘要：TGS4160是FIGARO(弗加逻)公司生产的一种固态电化学型二氧化碳(CO2)传感器，该器件除具有体积小、寿命长、选择性和稳定性好等特性外，同时还具有耐高湿和耐低温等特点。因而可广泛用于自动通风换气系统或CO2气体的长期监测等应用场合。文中叙述了该传感器的内部结构和工作原理，给出了一个用TGS4160设计的专用模块的基本应用电路原理图。
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＋＋2CO2＋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－4CO2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
表2跳线连接
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。
文章链接：中国仪表网 http://www.ybzhan.cn/Tech_news/detail/64752.html