一種濃度穩(wěn)定可控的臭氧發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳巖磊，姜雪兵，張 濤，高雪蓮，楊雅楠，陳志娟

(1.天津同陽科技發(fā)展有限公司 天津300384；2.天津市環(huán)境監(jiān)測技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津300384)

0 引 言

臭氧以及揮發(fā)性有機(jī)物，正在成為影響人們身體健康的“隱形殺手”。臭氧污染控制已成為環(huán)境保護(hù)重要的一環(huán)，臭氧濃度的監(jiān)測也是環(huán)境空氣質(zhì)量檢測中重要的一項(xiàng)。因而對于環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的校準(zhǔn)和檢測準(zhǔn)確度要求將越來越嚴(yán)格。為了提高檢測設(shè)備的測量精度和數(shù)據(jù)的可靠性，需要一種濃度穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)氣體作為校準(zhǔn)參考源，而臭氧氣體由于自身的不穩(wěn)定性，很難像其他氣體一樣制備成標(biāo)準(zhǔn)氣體存儲使用。因此，一種濃度可設(shè)置的、穩(wěn)定的臭氧氣體發(fā)生裝置成為現(xiàn)實(shí)的需求。

按照產(chǎn)生方式來劃分，臭氧的產(chǎn)生一般有3 種方式：高壓放電式，電解式和紫外線照射式。高壓放電式臭氧發(fā)生器是類似于自然界的閃電放電的形式，即使用一定頻率的高壓電流制造高壓電暈電場，使電場內(nèi)和電場周圍的氧分子發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，從而生成臭氧，這種臭氧發(fā)生器的技術(shù)成熟、工作穩(wěn)定、臭氧產(chǎn)量大、使用壽命長，但產(chǎn)生臭氧的濃度存在很大的波動，難以精準(zhǔn)控制。電解式通常是通過電解純凈水而產(chǎn)生臭氧，這種發(fā)生器制造成本低、能制取高濃度的臭氧水、使用和維修簡單，但由于有臭氧產(chǎn)量無法做大、電極使用壽命短、臭氧不容易收集等方面的缺點(diǎn)，使其適用范圍受到限制。

紫外線照射式，也叫光化學(xué)法，即利用特定波長的紫外光照射方式使氧分子(O2)分解并聚合成臭氧(O3)。采用這種方法，如果能夠有效控制紫外光的光強(qiáng)保持不變，那么臭氧的轉(zhuǎn)換效率就是恒定的，即可以產(chǎn)生穩(wěn)定的臭氧輸出。

本設(shè)計(jì)的目的在于，針對當(dāng)前環(huán)境空氣質(zhì)量檢測設(shè)備校準(zhǔn)的需求，對于臭氧檢測設(shè)備的校準(zhǔn)需要一種濃度和流量穩(wěn)定的臭氧源，能夠產(chǎn)生指定濃度的臭氧氣體，同時(shí)保證臭氧氣體濃度穩(wěn)定、氣體流量可調(diào)節(jié)，以滿足設(shè)備不同監(jiān)測點(diǎn)的校準(zhǔn)需求。

1 設(shè)計(jì)思路

光波中的紫外光能夠?qū)⒀醴肿?O2)分解并聚合成臭氧(O3)，其中波長為185 nm(或254 nm)的紫外光效率最高，在此波長的紫外光下，光量子被O2吸收率最大，其反應(yīng)基本過程為：

式中：hr 為紫外光量子；M 為類似氮、反應(yīng)器壁、二氧化碳?xì)怏w分子等存在的任何惰性物體。

臭氧發(fā)生中的紫外波長可選 185 nm 或者254 nm，在我們的設(shè)計(jì)和測試中，選用254 nm 波長的紫外燈管。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是控制紫外燈點(diǎn)亮，并在應(yīng)用范圍內(nèi)調(diào)節(jié)其亮度，控制紫外燈正常工作并維持穩(wěn)定的光照強(qiáng)度，同時(shí)控制反應(yīng)氣體的流量穩(wěn)定。氣體流量的控制可以通過流量計(jì)直接完成，而設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于紫外燈光強(qiáng)的控制。

對于紫外燈，需要有效值大于1 200 V 的高壓交流電來點(diǎn)亮。常規(guī)設(shè)備多是由AC220 V 市電供電，而且大多設(shè)備內(nèi)部會有AC-DC 電源模塊，有低壓DC電源。考慮常規(guī)設(shè)備狀態(tài)，此臭氧發(fā)生裝置設(shè)計(jì)中電源控制單元的功能則是通過控制信號大小判定，將低壓直流電逆變?yōu)楦邏航涣麟?，來激發(fā)紫外燈點(diǎn)亮，并保持穩(wěn)定的輸出光強(qiáng)，進(jìn)而保證臭氧(O3)的轉(zhuǎn)換效率穩(wěn)定可靠。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 紫外照射式混合集成電路

紫外照射式混合集成電路包括通信接口、MCU控制單元、電源控制、反饋放大、紫外燈、光電檢測等模塊。如圖1 所示，紫外燈管安裝于密閉的氣室結(jié)構(gòu)中，通信接口接收到設(shè)置命令后，由MCU 控制單元通過預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)擬合尋跡算法，輸出一個(gè)控制信號來改變電源控制單元參數(shù)，電源控制單元將DC24 V 直流電逆變?yōu)锳C1200RMS 高壓交流電，激發(fā)點(diǎn)亮紫外燈；光電檢測單元響應(yīng)紫外燈所產(chǎn)生的光強(qiáng)，將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)反饋放大，得到一個(gè)反饋信號?？刂菩盘柵c反饋信號由MCU 控制單元進(jìn)行比較，使電源控制單元輸出恒定燈電流。紫外燈電流的調(diào)整控制與紫外光強(qiáng)的響應(yīng)反饋，二者相互制約，電路達(dá)到動態(tài)平衡，紫外燈的亮度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)完成閉環(huán)回路的控制。

圖1 硬件電路結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of hardware circuit

電路通過控制和改變紫外燈的電流，來改變燈的光照強(qiáng)度，維持紫外燈光照強(qiáng)度恒定，從而保證臭氧(O3)轉(zhuǎn)換效率穩(wěn)定。設(shè)計(jì)中，將RS232 通信接口作為對外輸出端口?？赏獠吭L問，設(shè)置和讀取整個(gè)電路的工作狀態(tài)，通過設(shè)置指令，設(shè)置燈電流的大小，通過讀取指令，得到當(dāng)前的工作狀態(tài)。設(shè)置和讀取工作狀態(tài)參數(shù)來判斷臭氧(O3)的轉(zhuǎn)換效率，從而設(shè)定或者讀取當(dāng)前的臭氧濃度。

針對旅游風(fēng)景區(qū)的垃圾產(chǎn)生與之相關(guān)聯(lián)的因素，我們考慮人群因素為最主要的產(chǎn)生源，其中人群因素分為游客、管理人員和常住居民三大類[3]。對于管理人員和常住居民，因其流動性比較弱，可以考慮其不變動，產(chǎn)生的垃圾量確定為一個(gè)固定值；對于游客，因其屬于流動人群，所以導(dǎo)致它的流動性強(qiáng)，因此，它是景區(qū)垃圾產(chǎn)生的不確定人群，它的任一變化都將會引起景區(qū)垃圾產(chǎn)生量變化[4]。根據(jù)景區(qū)垃圾的產(chǎn)生源，我們可以得出景區(qū)垃圾主要集中于人員密集度比較大、游客停留時(shí)間較長和景區(qū)服務(wù)設(shè)施較好的區(qū)域[5]。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵為電源控制部分和光電檢測部分的設(shè)計(jì)。

電源控制部分(圖2)完成電源逆變功能，將低電壓直流電源逆變?yōu)楦唠妷盒‰娏鞯母邏弘娫?，同時(shí)通過反饋參數(shù)達(dá)到動態(tài)調(diào)整紫外燈電流的目的。電源控制選用凌特公司的LT1172。系統(tǒng)上電時(shí)，F(xiàn)B 管腳電壓低于內(nèi)部參考1.23 V，此時(shí)VSW 引腳可發(fā)生全占空比的PWM 調(diào)制，脈寬信號經(jīng)電感L1 傳導(dǎo)電流通過Q1、Q2 形成開關(guān)調(diào)制，變壓器T1 次級出現(xiàn)高壓交流響應(yīng)，激發(fā)紫外汞燈點(diǎn)亮。此時(shí)FB 管腳的電壓會隨之升高，PWM 調(diào)制脈寬隨之改變。如果僅是上述電源電路，F(xiàn)B 管腳得不到反饋控制，PWM 調(diào)制會瞬間消失，變壓器T1 次級不會產(chǎn)生持續(xù)響應(yīng)的高壓電流，紫外燈是不能點(diǎn)亮的。為了保證紫外燈點(diǎn)亮，并且維持在一個(gè)恒定的光強(qiáng)，需要電路形成閉環(huán)反饋，光電檢測部分(圖3)則完成這個(gè)功能。

光電檢測部分電路的目的是采集紫外光照強(qiáng)度，將光照強(qiáng)度作為一個(gè)反饋信號，與電源控制部分建立電路反饋控制平衡。圖3 中D4 為光電二極管，選用Ifw-Optronics 公司JEA 系列。當(dāng)有紫外頻段的光線照射到后，D4 會產(chǎn)生響應(yīng)電流，其響應(yīng)電流的大小，與接收到光強(qiáng)的能量成正比例關(guān)系。響應(yīng)電流經(jīng)U8運(yùn)算放大器放大、轉(zhuǎn)換成電壓信號由ADC_JEC 端輸出，此時(shí)的電壓信號幅值即可表明紫外光強(qiáng)度的大小。電路設(shè)計(jì)中，由于運(yùn)放的放大倍數(shù)較大，不建議使用傳統(tǒng)的運(yùn)算放大設(shè)計(jì)，而是采用T 型電阻網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)形式，來保證工作的穩(wěn)定性和電阻差異性影響，電路中R32 可調(diào)整運(yùn)放的放大倍數(shù)，R34 用于調(diào)整運(yùn)放的靜態(tài)偏置點(diǎn)。

圖2 電源控制部分電路設(shè)計(jì)Fig.2 Circuit design of power control section

圖3 光電檢測部分電路設(shè)計(jì)Fig.3 Circuit design of photoelectric detection part

光電檢測放大后的電壓信號，經(jīng)ADC_JEC 端輸出，此電壓由MCU 控制單元采樣、比較。其輸出結(jié)果反饋到電源控制電路的FB 管腳，達(dá)到電路平衡后，電源控制電路中FB 管腳電壓維持在1.23 V，紫外燈輸出穩(wěn)定光強(qiáng)。當(dāng)MCU 控制單元更改比較電壓時(shí)，電路會重新建立平衡，改變紫外燈的光照強(qiáng)度。

MCU 控制單元，控制上述反饋過程，完成紫外燈的點(diǎn)亮和光強(qiáng)調(diào)整，形成閉環(huán)反饋控制。同時(shí)，設(shè)置流量計(jì)，完成氣體流量控制。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

完成電路控制設(shè)計(jì)，接下來要給氣體的反應(yīng)、采集提供一個(gè)密閉的腔室，并將電路控制和氣路設(shè)計(jì)聯(lián)系起來。其中，氣室結(jié)構(gòu)部分包括密閉氣室、進(jìn)氣口、出氣口及紫外燈發(fā)光管、光電檢測模塊(圖4)。紫外燈發(fā)光管部分固定安裝于氣室內(nèi)部，光電檢測模塊設(shè)置在氣室側(cè)面開孔處，正對紫外燈發(fā)光管，且使用密封圈密封，保證不漏氣。氣流由進(jìn)氣口進(jìn)入，出氣口流出。

圖4 氣室結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of air chamber structure

由于原本空氣中存在微量的臭氧(O3)，會給校準(zhǔn)和臭氧發(fā)生帶來一定的誤差干擾，為了保證臭氧(O3)的純度和穩(wěn)定性，需要將空氣中的干擾氣體去除掉，在空氣進(jìn)入進(jìn)氣口之前增加零氣發(fā)生器，去除干擾氣體。為了保證出氣口輸出的臭氧濃度穩(wěn)定，控制好氣流的穩(wěn)定性，裝置采用流量計(jì)來控制氣流的平穩(wěn)度。

圖5 系統(tǒng)裝配示意圖Fig.5 System assembly diagram

如表1 所示，該裝置產(chǎn)生的臭氧濃度存在10～15 mg/m3的波動，對于一般的應(yīng)用沒有什么影響，但作為儀器校準(zhǔn)的基準(zhǔn)源，則由于波動范圍較大，導(dǎo)致無法使用。

2.3 整體設(shè)計(jì)的進(jìn)一步改進(jìn)

為進(jìn)一步提高臭氧濃度穩(wěn)定性，縮短系統(tǒng)預(yù)熱時(shí)間，采取了進(jìn)一步改進(jìn)措施。通過分析紫外燈的特性，紫外燈的最佳工作溫度在50～70 ℃的范圍內(nèi)，不同的紫外燈會存在一定的差異。為了縮短系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間，添加了一個(gè)簡易的溫度控制設(shè)計(jì)，如圖6、圖7 所示。

表1 無氣室溫度控制模塊的裝置測試記錄Tab.1 Test record of a device without gas chamber temperature control module

圖6 裝置整體結(jié)構(gòu)示意框圖Fig.6 Schematic diagram of overall structure

圖7 溫度檢測電路Fig.7 Circuit of the temperature detection module

溫度測量采用R70、R71、R72 和PT100(J1 接插件連接三線制PT100)組成測量電橋，當(dāng)PT100 與R72 電阻值不相等時(shí)，電橋輸出一個(gè)mV 級壓差信號，這個(gè)壓差信號經(jīng)過U12 放大輸出期望大小的一個(gè)電壓信號ADC_T，MCU 單元通過AD 直接對ADC_T 進(jìn)行采樣，并計(jì)算出測量溫度。

加熱控制功能是通過MCU 單元產(chǎn)生PWM 信號，經(jīng)Q3 放大、U3 隔離控制，由J2 控制加熱片工作。加熱片緊貼于氣室外壁，且用保溫棉包裹；溫度檢測裝置探入到氣室內(nèi)壁，為保證氣密性而不與氣室連通。系統(tǒng)上電后，MCU 控制單元控制加熱模塊給氣室加熱，同時(shí)溫度檢測模塊檢測氣室溫度，當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度后，氣室溫度恒定在預(yù)設(shè)值保持不變。對改進(jìn)設(shè)計(jì)后樣機(jī)測試記錄如表2 所示。

表2 增加氣室溫度控制模塊的裝置測試記錄Tab.2 Test record of a device with a gas chamber temperature control module

改進(jìn)后再次進(jìn)行等條件下測試，臭氧濃度波動小于2 mg/m3，表明增加溫度控制的作用非常明顯，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，此時(shí)對產(chǎn)生臭氧濃度的控制非常的穩(wěn)定。

3 數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，表1 測試數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差為4.32，表2 測試數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差為0.46。如圖8 所示，在同等實(shí)驗(yàn)條件下，增加氣室溫度控制模塊比無氣室溫度控制模塊的裝置產(chǎn)生臭氧濃度的穩(wěn)定性顯著增加。

圖8 改進(jìn)先后數(shù)據(jù)走勢對比Fig.8 Comparison of data before and after device improvement

綜上所述，在紫外照射式基本原理的支持下，完成控制電路和測量氣室的設(shè)計(jì)，并在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上增加溫度控制模塊。氣室的溫度控制模塊使紫外燈處在恒定的溫度環(huán)境中，保證了紫外燈工作狀態(tài)更加穩(wěn)定，有效減少了系統(tǒng)預(yù)熱時(shí)間，使臭氧(O3)濃度保持穩(wěn)定，同時(shí)減小環(huán)境狀態(tài)變化對系統(tǒng)的影響。

系統(tǒng)通過MCU 控制單元對紫外燈亮度和氣室溫度2 個(gè)閉環(huán)反饋控制，實(shí)現(xiàn)了對紫外照射法產(chǎn)生臭氧O3的濃度的控制。為了提高實(shí)用性，可通過多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)定，MCU 控制單元建立數(shù)據(jù)擬合尋跡算法處理，從而實(shí)現(xiàn)臭氧O3不同濃度輸出的需求。

在實(shí)際應(yīng)用中，標(biāo)定之后的臭氧發(fā)生裝置，在工作穩(wěn)定性、臭氧濃度發(fā)生的重復(fù)性中，都達(dá)到了優(yōu)良的效果。上述設(shè)計(jì)滿足了紫外光照強(qiáng)度的控制、氣室溫度的控制，將流量控制加入到MCU 控制單元的尋跡算法中，通過擬合、運(yùn)算和校準(zhǔn)，能夠?qū)崿F(xiàn)輸出任意目標(biāo)濃度和流量臭氧氣體的目的。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，對外留有RS232 通信接口，所有的校準(zhǔn)和設(shè)置命令均通過通信接口完成。故此系統(tǒng)既可以單獨(dú)作為一個(gè)專門的穩(wěn)定臭氧發(fā)生源來使用，也可以作為一個(gè)模塊，安裝于其他設(shè)備內(nèi)部，只需要提供一個(gè)RS232接口，滿足通信協(xié)議要求即可。

4 結(jié) 論

根據(jù)紫外照射法產(chǎn)生臭氧的原理，所設(shè)計(jì)的發(fā)生和反饋控制電路通過燈功率的線性控制來保證臭氧濃度、產(chǎn)量。臭氧濃度控制具有良好的重復(fù)性；同時(shí)，考慮到溫度對整個(gè)系統(tǒng)預(yù)熱時(shí)間和紫外燈工作狀態(tài)的影響，設(shè)計(jì)增加溫度補(bǔ)償功能，提高了臭氧輸出的穩(wěn)定性。

本設(shè)計(jì)解決了常規(guī)產(chǎn)生臭氧帶來的濃度波動較大、不穩(wěn)定的問題。通過控制信號和反饋信號的自動調(diào)節(jié)功能產(chǎn)生了氣體濃度穩(wěn)定、流量可調(diào)整的臭氧氣體，其穩(wěn)定度達(dá)到儀器校準(zhǔn)等級，同時(shí)預(yù)設(shè)的尋跡算法，保證了可以產(chǎn)生指定濃度和流量的臭氧氣體，為檢測儀器的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性提供了可靠的保證。產(chǎn)生臭氧所用到的源氣體為空氣，價(jià)格低廉，取材便捷，無污染。同時(shí)臭氧發(fā)生裝置體積小巧，留有對外的控制接口，為本設(shè)計(jì)的應(yīng)用提供了便利條件，使其可作為功能模塊安裝到其他設(shè)備中，利用臭氧的強(qiáng)氧化性特點(diǎn)，也可應(yīng)用于凈化空氣和消毒殺菌等設(shè)備。