基于電化學傳感器的氣體監測系統研究與應用

(1.中國地質裝備集團北京海光儀器有限公司 北京 100015)(2.北京信息科技大學自動化學院 北京 100192)

引言

電化學傳感器國外追溯到到20世紀50年代，當時用于氧氣監測。到了20世紀80年代[1-2]，電化學傳感器開始用于監測多種不同的氣體。近年來越來越受到廣泛重視和關注[3-4]，已廣泛應用于工業、礦下、環境保護和控制、生物醫學、科研、國防等領域[5]。

電化學傳感器是基于待測物的電化學性質并將待測物化學量轉變成電學量進行傳感監測的一種傳感器，具有低功耗、高精度、高靈敏度、線性范圍寬良好的重復性和穩定性特點。

本文基于三電極電化學傳感器設計了一套實驗室氣體監測報警系統，該系統已在原子熒光分析實驗室應用，具有靈敏度高、抗干擾能力強的特點。在實驗室有害氣體揮發、泄露達到一定濃度時，能夠有效報警。

一、整體設計

(一)系統設計原理

本文以煒盛科技ME4-NO2、ME4-HCL三電極電化學傳感器為研究對象，該類型傳感器是定電位電解型傳感器，待測實驗室氣體與氧氣在工作電極和對電極上發生相應的氧化還原反應并釋放電荷形成電流，產生的電流與待測氣體濃度成正比，通過測試電流大小即可判定待測氣體濃度的高低。

氣體監測報警系統主要包含傳感器、恒電位電路、檢測電流電路，濾波電路、放大電路、AD采樣電路、嵌入式軟件設計。

(二)恒電位電路設計

三電極電化學傳感器有工作電極W、參比電極R、對電極C。工作電極W上氧化或還原目標氣體，產生與氣體濃度成比例的電流，通過對電極C將該電流提供給傳感器。參比電極R安裝在電解質中，與工作電極臨近，在沒有電流通過的前提下，用來維持工作電極與參比電極間電壓的恒定。

假如直接在工作電極和參比電極加電壓，二者之間形成回路，工作電極化學反應產生的電流通過參比電極輸出，隨著氣體濃度的變化，反應電流在變化，那么工作電極和參比電極間電壓也發生變化，無法保持恒定。加入對電極就是通過反饋作用工作電極和參比電極電壓恒定，強迫反應電流全部通過對電極流出，恒電位電路的設計如圖1所示。

圖1 恒電位電路圖

恒電位電路將參比電極加到放大器反向端，放大器的輸出端連接到對電極形成閉環負反饋調節系統，恒電位的調節依靠深度電壓負反饋來實現。當氣體濃度增加時，UWE↑→UCE↑→URE↓,UWE-URE=U0保持不變，體現了恒電位的自動調節能力。當達到平衡之后，

(1)

式(1)中URE、UWE、UCE分別為參考電極、工作電極、對電極電壓，R1、R2為如圖1所示中的電阻。

圖1中參數設置，R1、R2為防止輸入運放電流過大，一般取經典值10K。C1、C2濾除紋波，取經典值0.1μF。

(三)電流檢測電路

ME4-NO2電化學傳感器工作電極W端產生的電流是流出傳感器器，需要將電流值轉換為電壓值，前級放大器的輸出是負值，經后級反相放大，轉變為正電壓值供模數轉換。

前級放大電路將電流值轉換為電壓值的換算關系如下：

(2)

式(2)中，u1為前級放大器輸出值，i為傳感器工作電極W端的電流。

圖2中傳感器電流通過R6、R5和RNTC1的等效電阻放大，為負反饋系數電阻，起到補償作用。因為傳感器在相同氣體濃度下，隨溫度的高低還是有微小的差別，通過負反饋系數電阻來補償。前級放大器C3的作用是高頻濾波，減小電路噪聲。

測量電路中使用負載電阻、內部傳感器電阻以及內部傳感器電容的組合來建立RC電路，負載電阻R7的選擇應綜合考慮最快響應時間和最佳信噪比之間的折中，通常取0-100Ω即可。

第二級放大電路采用反相放大，利用反相器抗干擾能力強的特點，將前級放大器負值電壓信號轉換正壓值。

圖2 電路檢測電路

(四)嵌入式軟件設計

軟件設計平臺選用STM32F103系列ARM芯片，該芯片擁有豐富的外設資源，自帶AD采樣通道、直接存儲器訪問DMA。

本文中報警監測系統監測實驗室中常見的三種氣體NO2、HCL、H2S，循環采集三種傳感器經放大器轉換后的電壓值，然后根據廠家提供的不同氣體濃度下傳感器電流值對應關系，根據采集的電壓值反推實驗室氣體濃度。

AD采樣過程STM32F103將ADC的轉換分為規則通道組和注入通道組。規則通道組最多包含16個轉換，注入通道組最多包含4個轉換。本文采樣規則采用規則通道組順序循環采樣，AD采樣寄存器主要配置步驟及配置值如下：

(1)選擇獨立工作模式；

(2)連續轉換循環掃描模式；

(3)關閉外部觸發轉換；

(4)采樣數據右對齊方式；

(5)規則轉換通道數目設置為3；

(6)ADC轉換順序及采樣周期H2S、HCL、NO2分別為通道1、通道2、通道3；

(7)開啟ADC時鐘；

(8)開啟復位校準并等待校準結束；

(9)開始指定校準狀態并獲取指定校準程序。

STM32F103支持直接存取器訪問DMA，該種DMA傳輸方式無需CPU直接控制傳輸，也沒有中斷處理方式那樣保留現場和恢復現場的過程，通過硬件為RAM和IO設備開辟一條直接傳送數據的通路，使得CPU的效率大為提高。

STM32F103有DMA1、DMA2兩種控制器，通過配置相應的外設寄存器，使得ADC與DMA聯系起來，具體配置步驟及配置值如下：

(1)指定DMA外設ADC基地址，將DMA和ADC聯系起來；

(2)指定DMA內存基地址，對于三通道ADC，需用一個三維數組來存儲采樣。DMA內存基地址指向該三維數組；

(3)選定DMA數據傳輸的方向，內存作為數據傳輸的目的地；

(4)確定DMA通道緩存的大小，即步驟2中三維數組的大小；

(5)配置外設寄存器地址不變，即DMA始終指向ADC基地址；

(6)配置內存地址寄存器為遞增方式，即循環采樣過程，AD采樣數據依次在步驟(2)數組中存儲；

(7)配置外設數據及內存數據長度為16位；

(8)確定DMA工作方式為循環工作方式，并擁有高優先級、失能內存到內存傳輸；

(9)開啟DMA時鐘。

為了平滑采集的數據，采集的不同通道的電壓值，采用二次算術平均算法。

(1)每個通道采集10次數據，共3個通道。

(2)每個通道的平均值作為1個數，采集5個數據，再次做平均。

(3)根據廠家提供的傳感器電流與濃度對應關系，將步驟(2)的電壓平均值轉換為相應的氣體濃度值。

(4)將氣體濃度值分為低中高3個等級，判斷步驟(3)中的氣體濃度值處于哪個級別，STM32F103處理器控制三色LED指示報警狀態。

三、實驗結果

將硬件電路和軟件設計集成起來，制作成一個實驗室氣體檢測系統報警裝置，主要檢測實驗室NO2、HCL、H2S。其中NO2、HCL采用三電極電化學傳感器，H2S采用平面半導體傳感器。

上電后，報警裝置前方的三個狀態指示燈開始由“紅-藍-綠”循環閃爍，同時報警裝置后側的風扇開始運轉，帶動空氣流動，傳感器進入預熱狀態，約5分鐘后進入工作狀態。氣體傳感器狀態指示與濃度關聯關系如下表1所示。

表1 狀態指示與濃度關系表

實驗過程用50%的HNO3溶液揮發，模擬NO2氣體監測，用50%的HCL溶液揮發，模擬HCL氣體監測。用含醇類較高的物質如無水酒精揮發，模擬H2S氣體監測。當氣體濃度達到一定值，狀態指示燈發出相應的報警信息，具有良好的可靠性。

四、結束語

本文基于電化學傳感器的原理，設計了一款實驗室氣體監測報警系統，并且已經形成了市場效益。該報警系統主要用于實驗室中氮氧化物(NO2)、氯化氫(HCl)和硫化氫(H2S)的指示性監測，報警信息準確率達99%以上。實驗人員發現指示燈發出報警信號，可以及時處理實驗室空氣環境，比如加強室內空氣循環、開窗通風、及時傾倒廢液。本文提出的報警系統只對氣體濃度做定性監測，下一步的研究方向是對氣體濃度校準做定量監測。