一種氣體檢測儀的設計與研制

■ 王玲玉 郭晉川 肖海龍

大氣中氮氧、硫氧、碳氧等有毒化合物含量比較低且不易被察覺，當這些有害氣體超過一定濃度值時，就會對人體造成不可逆轉的傷害。傳統氣體檢測設備對低濃度氣體檢測不夠準確，無法及時規避有害氣體對人體的傷害。設計的氣體檢測儀以STM32F103為主控，以四電極高精度電化學傳感器為采集探頭，采用24位AD轉換芯片，通過4G/NB-IOT模塊將數據傳輸到服務器（上位機）。用戶可遠程監控有害氣體濃度。該設備具備精度高、反應快、多氣體檢測、易操作等特點。

如何快速、精準探測氣體（特別是對人體有害的氣體）在空氣中的含量顯得尤為重要。傳統的探測儀器對氣體的探測比較單一且靈敏度不高、精度低，而且氣體低濃度下測量誤差大、設備校準復雜。因此，高精度、高靈敏度、低濃度氣體測量、易校準的多種氣體檢測儀在工業、環境保護和應急事故預測等領域顯得格外重要。市場上的氣體檢測儀多采用三電極的電化學傳感器。傳統的電化學傳感器在氣體濃度比較低時，不能準確地反映環境的氣體濃度。本文采用基于四電極的高精度電化學傳感器，具有精度高、誤差小等特點，在氣體低濃度下能及時反映環境中的氣體濃度。

1 系統整體設計概要

本系統是基于STM32F103為主控，通過對各個傳感器通道的數據進行校準及數據處理，最終實現高精度的采集數據并上傳服務器（上位機）。傳感器模塊將探測的氣體轉換成微弱的電流信號后，系統通過AD采集電路及運放電路，將電流信號轉換成可采集的電壓信號，并以數字信號的方式傳遞給主控。主控芯片對數據進行滑動平均濾波處理，并完成與服務器（上位機）交互。由于傳感器參數各不相同，主控除了要完成模擬量采集，還需要能夠對各通道傳感器進行校準。系統通過檢測傳感器探頭溫濕度，控制風扇及加熱絲，保證傳感器探頭的工作溫度始終在0 ℃以上，減少環境溫度對傳感器靈敏度的影響。系統供電方式主要是通過電池供電太陽能充電板充電的方式，保證設備在戶外的使用及安裝。整體設計如圖1所示。

圖1 整體設計

2 電化學傳感器工作原理

傳統電化學傳感器主要由感應電極（S）、參考電極（R）、對電極（C）構成。通過氣體與傳感器中的物質發生氧化（還原）反應，引起電極上電動勢的改變。而氣體濃度不同，電極上電動勢的變化也不同。在一定溫度下，氣體的濃度與電極上電動勢的變化成正比。但是隨著傳感器的使用會產生背景電流，在低氣體濃度環境下，背景電流會導致測量值誤差較大。因此，四電極電化學傳感器在傳統電化學傳感器的基礎上增加了輔助電極（AE）。輔助電極（AE）與感應電極（S）在內部工作原理相同，由于工作電極端的氧氣還原會頻繁增加背景電流，封裝在傳感器電解質中的輔助電極（AE）會用電解質中氧氣的溶解度和擴散率來限制通往工作電極的氧氣，從而減少工作電極所產生的背景電流，降低在低濃度氣體環境下背景電流導致的測量誤差。

三電極或四電極電化學傳感器中都包含對電極（C）與參考電極（R），由于電化學傳感器需要穩定的參考電壓，通過控制感應電極（S）與參考電極（R）之間的電位保持一致，故感應電極（S）與對電極（C）之間的電位保持一致。圖2為恒電位電路，其中，Uref與Ubasi之間的電位差由傳感器工作電壓決定。

圖2 恒電位電路

無偏壓的電化學傳感器：Uoffset = Uref - Ubasi = 0，即Uref= Ubasi。

偏壓的電化學傳感器：Uoffset = Uref - Ubasi。

電化學傳感器工作時，感應電極及輔助電極上會產生微弱的電流信號，通過運放將電流信號轉換成電壓信號值。

3 系統控制設計

系統控制主要以STM32F103為主控芯片，實現與上位機（服務器）交換、傳感器參數校準及濃度計算、相關數據的分析及存儲、設備運行狀態檢測等功能。每一個電化學傳感器的參數各不相同，為此系統中設有系統初始值，傳感器參數校準后，校準參數會更新到FLASH中，所以系統更換傳感器探頭或定期維護時，只需發送校準指令無須更新程序。本系統可設置上傳數據的時間間隔并將數據根據采集時間先后存放到外部FLASH中防止設備與服務器（上位機）失聯時數據的丟失。系統基本流程如圖3所示。

1） 與上位機（服務器）交換

系統將采集到的相關數據傳送到上位機（服務器）實現設備的遠程監控。為保證與服務器通信的穩定與數據的可靠性，每次發送數據前都要檢測當前設備電源是否能夠保證設備正常工作。數據發送完成后，檢測是否與（上位機）服務器建立通信，若通信出現問題，則將數據進行重傳或模塊的重啟。流程如圖4所示。

2） 傳感器參數校準及濃度計算

圖3 系統流程

圖4 服務器通信流程

電化學傳感器在同一溫度下，符合y=K×(x+B)的趨勢，所以需要確定公式中的K與B。K是氣體濃度實際值/實測值，B是氣體在純凈氣體中的偏移。由于每一個電化學傳感器的特性各不同，所以需要對每一個電化學傳感器進行參數校準。主要校準參數包括零點電流校準、靈敏度校準。零點電流校準是在傳感器上方提供良好的零位（潔凈）空氣流，并至少持續20min，同時測量工作電極和輔助電極的電流（I(zero)，即零點電流值）。靈敏度校準是在傳感器上方提供特定濃度的氣體，并至少持續20 min，測量此時工作電極及輔助電極的電流（I(work)），并計算出當前測得的濃度值，將算出實際值與測試值之間的濃度關系作為靈敏度系數的倍數。

4 設備的標定校準

傳感器的標定校準主要是標定零點及量程范圍內的任意氣體濃度點，所以要求標定時能夠產生純凈的零點氣體及一定濃度的測試氣體。本設備標定時采用Thermo的零氣發生器（111）、多種氣體校準儀（146i）、NO-NO2-NOx分析儀（42i）?；具B接示意如圖5所示，將產生的零點氣體（特定濃度氣體）通過通氣罩流經傳感器上端并靜止20 min觀察數據是否正確，流出的尾氣經過尾氣處理排放。

圖5 連接示意圖

以SO2、NO2、NO為例，進行零點校準與靈敏度系數校準后，改變測試氣體濃度分別測試在200，500，800 ppb（1 ppb=10-9）下的氣體濃度曲線（圖略），校準后的測試值與真實值之間的最大誤差值在40 ppb左右。

5 檢測數據誤差分析

氣體檢測儀是以Thermo的多種氣體校準儀（146i）、NO-NO2-NOx分析儀（42i）顯示數據作為真實參考值。氣體校準后的設備在零點、100 ppb、200 ppb等測試點數據時皆比實際數值偏高。造成此現象原因主要有以下兩點：

1） 設備采用電化學傳感器，環境的溫濕度都會影響探頭的電化學反應，導致輸出的模擬量處于波動狀態。因此在校準零點時存在大約20 ppb左右的誤差。

2） NO、O3、NO2等此類氣體化學性質不穩定，導致在校準過程中校準氣體濃度偏小，而引起校準系數的誤差，影響校準后的氣體值。

6 結語

本系統是基于四電極高精度電化學傳感器，根據電化學傳感器特性設計相關系統控制及模擬量采集。所以檢測儀使用時無須根據各個氣體傳感器的參數不同頻繁修改控制程序及硬件。只須在出廠（更換探頭）時對各個端口的傳感器進行校準和偏壓調整即可。與傳統氣體檢測儀相比較，硬件電路可通用性較高、程序一致性較高、傳感器的校準也比較簡單，從而降低了氣體檢測儀的生產、維護成本。系統采用四電極電化學傳感器在低濃度氣體測量上精度也比傳統氣體檢測儀穩定，數值更接近真實值。

深入閱讀

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