一種VOC氣體檢測(cè)的光離子化傳感器設(shè)計(jì)

劉若愚，胡 泓

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院機(jī)電工程學(xué)院，廣東深圳 518055)

0 引言

光離子化傳感器(PID)是一種可以用來(lái)檢測(cè)低濃度的揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)的傳感器，VOC氣體對(duì)人們的生產(chǎn)生活是有危害的，高濃度的VOC氣體具有致命性和爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。PID傳感器由于具有非破壞性測(cè)量的特點(diǎn)，在VOC氣體檢測(cè)中的地位越來(lái)越高。

1 PID工作原理

PID工作原理如圖1所示。樣品氣體流入傳感器的電離室后接受紫外燈的照射，部分揮發(fā)性有機(jī)化合物分子吸收紫外光子的能量發(fā)生電離，產(chǎn)生電子和離子，電離出的電子和離子在電離室的高壓電極所產(chǎn)生的高壓電場(chǎng)作用下向兩極定向移動(dòng)，最終在測(cè)量電極上產(chǎn)生一個(gè)微弱的電流信號(hào)，通過(guò)對(duì)該信號(hào)的收集處理可以獲得樣品氣體的VOC濃度。

圖1 PID工作原理

2 電離室設(shè)計(jì)

2.1 電離室結(jié)構(gòu)

PID的電離室結(jié)構(gòu)目前主要有2種，二維結(jié)構(gòu)和軸向結(jié)構(gòu)，如圖2所示，2種結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于氣流方向和紫外光照射方向的位置關(guān)系[1]。

(a)軸向結(jié)構(gòu) (b)二維結(jié)構(gòu)圖2 PID電離室軸向結(jié)構(gòu)和二維結(jié)構(gòu)

軸向結(jié)構(gòu)，即氣體流動(dòng)方向和紫外光照射方向平行，氣體垂直于PID燈表面流過(guò)，這種結(jié)構(gòu)可以充分利用紫外光，電離室空間較大，電離更容易發(fā)生，容易達(dá)到平衡狀態(tài)，但由于氣體垂直于紫外燈表面流入，氣體直接轟擊燈表面，長(zhǎng)期使用后會(huì)有有機(jī)化合物存留在燈表面，使得PID產(chǎn)生越來(lái)越大的零漂，需要進(jìn)行校準(zhǔn)或清洗PID燈，這是軸向結(jié)構(gòu)的一個(gè)缺陷。二維結(jié)構(gòu)，即氣體流動(dòng)方向垂直于紫外光照射方向，氣體從PID燈表面流過(guò)，依靠擴(kuò)散作用進(jìn)入電離室，這種結(jié)構(gòu)可以將電離室整體尺寸做得很小從而減小PID的整體尺寸；同時(shí)由于氣體不會(huì)沖擊PID燈表面，產(chǎn)生零漂的可能性降低。但二維結(jié)構(gòu)由于電離室有效電離空間減小，測(cè)量信號(hào)值會(huì)減小，同時(shí)采用擴(kuò)散作用讓氣體進(jìn)入電離室發(fā)生電離的方法會(huì)導(dǎo)致PID需要較長(zhǎng)時(shí)間達(dá)到平衡狀態(tài)，從而使得響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)。本文設(shè)計(jì)的傳感器為了獲得快速的響應(yīng)速度和簡(jiǎn)單小巧的結(jié)構(gòu)，采用軸向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電離室。

2.2 電離室收集效率

根據(jù)Boag理論[2]，電離室的收集效率估算式為

(1)

式中：f為電離室收集效率；d為極板間距，mm；m為修正因數(shù)；q為空氣電離速度；V為極板間電壓，V。

因此，為了提高離子的收集效率，可以通過(guò)增大極板間的電壓和縮短極板間距來(lái)實(shí)現(xiàn)，但極板間的間距過(guò)小可能導(dǎo)致紫外光利用不充分使得測(cè)量信號(hào)減弱，極板間的電壓過(guò)大會(huì)增加電源模塊的設(shè)計(jì)難度[3]。本文考慮所選紫外燈(PKR 106-6-14)的直徑為6 mm，最終設(shè)定高壓電極的間距為6 mm，測(cè)量電極居中放置，與高壓電極的間距為3 mm。在測(cè)量電極下方放置一個(gè)紫外燈監(jiān)測(cè)電極，用來(lái)監(jiān)測(cè)紫外燈的工作狀態(tài)，同時(shí)防止紫外光直接照射到測(cè)量電極上產(chǎn)生光電效應(yīng)從而對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。將測(cè)量電極和偏置電極設(shè)計(jì)為0.1 mm厚L型電極，電極放入電離室后將電極彎折成空間L型，電離室下方具有0.2 mm深的槽用來(lái)容納電極的彎折部分。電路部分與電離室中電極的對(duì)接采用彈簧探針，利用彈簧探針的探頭接觸電極并對(duì)電極進(jìn)行固定。電離室的裝配效果圖如圖3所示，傳感器整體剖面圖如圖4所示。

圖3 電離室裝配效果

圖4 傳感器剖面結(jié)構(gòu)

3 電路模塊設(shè)計(jì)

3.1 原始電流信號(hào)估算

根據(jù)實(shí)際使用需求，本文設(shè)計(jì)的PID將傳感器的最小分辨率設(shè)為10 ppb，估算在標(biāo)況下的最小氣體濃度的電流信號(hào)，取1 mL 10 ppb的異丁烯氣體，其中異丁烯氣體分子數(shù)為2.7×1011。假設(shè)氣體流速為0.3 L/min，則流經(jīng)電離室的異丁烯分子數(shù)為1.35×1012/s。假設(shè)異丁烯電離截面積為10-16cm2，單次電離產(chǎn)生電荷電量1.6×10-19C，PID燈輸出光子數(shù)為1010個(gè)/s，則原始電流約為216 fA。

3.2 信號(hào)采集處理

本文設(shè)計(jì)的傳感器要求分辨率達(dá)到10 ppb，最小原始電流信號(hào)為fA級(jí)別，在進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換及放大電路設(shè)計(jì)時(shí)需要選用偏置電流為fA級(jí)別的精密運(yùn)放，故選用ADA4530-1芯片，其偏置電流為20 fA，同時(shí)具有低失調(diào)電壓、低失調(diào)漂移、低電壓噪聲和電流噪聲特性，滿足本文的設(shè)計(jì)需求，傳感器的信號(hào)采集處理部分原理圖如圖5所示。

圖5 信號(hào)采集處理電路

傳感器原始電流信號(hào)通過(guò)I_MEA端流入信號(hào)采集處理部分，首先經(jīng)過(guò)一個(gè)1 GΩ的電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，由于原始電流信號(hào)非常微弱極容易發(fā)生漏電以及受到噪聲信號(hào)干擾，因此在電流信號(hào)輸入端添加一個(gè)保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)。之后通過(guò)一個(gè)由R100、C100和C101組成的RC濾波將工頻噪聲信號(hào)初步濾除并將原始電壓信號(hào)送入運(yùn)算放大器ADA4530-1的輸入端，通過(guò)R101和R102調(diào)節(jié)初級(jí)放大倍數(shù)。ADA4530-1運(yùn)算放大器的輸出端將電壓信號(hào)送入OPA2735的輸入端完成二階濾波和二級(jí)放大。從OPA2735的輸出端將模擬電壓信號(hào)輸入A/D轉(zhuǎn)換器ADS1115中完成模數(shù)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，ADS1115采用I2C通信將數(shù)字信號(hào)傳遞給單片機(jī)MSP430F2410，單片機(jī)MSP430F2410通過(guò)比較AT25C256中存儲(chǔ)的傳感器校準(zhǔn)信息以及ADS1115采集的信號(hào)完成測(cè)試樣品氣體濃度的計(jì)算，并將氣體濃度信息顯示在計(jì)算機(jī)的軟件界面。

3.3 部分電源電路

3.3.1 高壓電極的300 V直流電源

傳感器供電電壓為5 V，本文設(shè)計(jì)的5 V-300 V直流電源采用XC9103D095MR和TPS40210實(shí)現(xiàn)，原理圖如圖6所示。

(a)5 V-24 V升壓電路

(b)24 V-300 V升壓電路圖6 5 V-300 V直流升壓電路

XC9103D095MR芯片在正常工作時(shí)FB端輸出電壓為0.9 V，利用R200、R201、R202進(jìn)行調(diào)壓，設(shè)定輸出電壓為

(2)

式中UFB為升壓芯片反饋端高壓。

通過(guò)D201-D204、D206-D208、C207、C208、C210-C212、C214和C219構(gòu)成的倍壓整流模塊實(shí)現(xiàn)能承受高負(fù)載的高電壓輸出。TPS40210芯片在正常工作時(shí)FB端輸出電壓為0.7 V，利用R212-R218進(jìn)行調(diào)壓，設(shè)定輸出電壓為

(3)

3.3.2 紫外燈激勵(lì)電源

本文選用的紫外燈為PKR 106-6-14，其激勵(lì)電壓為1 200 kV、50 kHz[4]。因此需要一個(gè)低壓直流轉(zhuǎn)高壓交流的升壓電路，采用如圖7所示的Royer電路實(shí)現(xiàn)直流5 V到交流1 200 V、50 kHz的轉(zhuǎn)換。Royer電路是對(duì)稱(chēng)的電路，在通電后由于2個(gè)晶體管在實(shí)際應(yīng)用時(shí)無(wú)法同時(shí)導(dǎo)通，假設(shè)晶體管Q201先導(dǎo)通，流過(guò)Q201的集電極電流較大，變壓器初級(jí)線圈1端電壓降低，磁通量增加，通過(guò)反饋線圈的反饋?zhàn)饔檬沟肣201的基極電壓繼續(xù)升高，Q202基極電壓降低截止。當(dāng)變壓器初級(jí)線圈的磁通量達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，反饋端線圈中的電流消失，Q201基極電壓降低，Q201的集電極電流同時(shí)減弱，電流的變化引起初級(jí)線圈磁通量的反向變化，通過(guò)反饋線圈的作用使得Q201的基極電壓不斷減小最終導(dǎo)致Q201截止，Q202的基極電壓不斷增加，Q202的集電極電流不斷增加，當(dāng)初級(jí)線圈磁通量反向飽和時(shí)，重復(fù)實(shí)現(xiàn)Q201導(dǎo)通Q202截止，從而實(shí)現(xiàn)電路的振蕩[5]。

圖7 Royer電路

計(jì)算變壓器初級(jí)線圈和次級(jí)線圈匝數(shù)比：

(4)

式中：Uos為變壓器次級(jí)線圈輸出電壓；Um為變壓器輸出電壓峰峰值。

(5)

式中：Nps為變壓器初級(jí)線圈匝數(shù)比；Uin為輸入電壓；Uce為晶體管CE極飽合電壓。

計(jì)算反饋線圈和初級(jí)線圈匝數(shù)比：

(6)

式中：Npf為變壓器反饋線圈與初級(jí)線圈匝數(shù)比；Ube為晶體管BE極間電壓。

變壓器采用EFD15磁芯，電感系數(shù)為Al=0.78 μH/T2，預(yù)設(shè)變壓器初級(jí)電感量為L(zhǎng)p1=50 μH，計(jì)算初級(jí)線圈匝數(shù)Np、次級(jí)線圈匝數(shù)Ns、反饋線圈匝數(shù)Nf：

(7)

取Np=Np1=Np2=9，其中Np1、Np2分別為變壓器1-2腳、2-3腳間匝數(shù)。

(8)

(9)

計(jì)算晶體管兩端最大電壓Vceo：

(10)

選用NPN型晶體管BCX55-10，耐壓值為60 V，符合設(shè)計(jì)要求，計(jì)算諧振電容：

(11)

(12)

電路起振需要滿足以下條件：

(13)

由于紫外燈激勵(lì)電極分布在紫外燈兩側(cè)，處于高阻抗工作狀態(tài)，因此該電路可以起振。

計(jì)算基極電阻：

(14)

取R=22 kΩ。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的PID傳感器電離室結(jié)構(gòu)、信號(hào)采集處理模塊以及電源模塊的性能優(yōu)劣，采用由4組流量調(diào)節(jié)閥和4個(gè)流量傳感器組成的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其中測(cè)試氣體氣源為10 ppm純凈的異丁烯氣體和純凈的空氣，通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的4組流量調(diào)節(jié)閥預(yù)調(diào)的流量混合出0 ppm、0.5 ppm、1 ppm及10 ppm的異丁烯氣體測(cè)試樣品，通過(guò)控制每一條氣路的總開(kāi)關(guān)即可獲得不同濃度的異丁烯氣體。在對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)試前先對(duì)傳感器進(jìn)行30 min預(yù)熱，使所有元器件處于相對(duì)穩(wěn)定的工作狀態(tài)，之后對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)試。

4.1 線性度和穩(wěn)定性測(cè)試

對(duì)傳感器持續(xù)通入0 ppm、0.5 ppm、1 ppm及10 ppm的異丁烯氣體各10 min，通過(guò)軟件記錄傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)，每隔1 s記錄1次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)如圖8所示。從圖8可以看出0 ppm異丁烯氣體對(duì)應(yīng)的電壓值約為60 mV，0.5 ppm異丁烯氣體對(duì)應(yīng)電壓約為66 mV，1 ppm異丁烯氣體對(duì)應(yīng)電壓約為72 mV，10 ppm氣體對(duì)應(yīng)電壓約為180 mV，由此可以看出傳感器具有較好的線性度和穩(wěn)定性，增益約為12 mV/ppm。

圖8 穩(wěn)定性和線性度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

同時(shí)對(duì)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行20 s跳動(dòng)值計(jì)算，將結(jié)果顯示在軟件界面，如圖9所示。從圖9可以看出傳感器在正常工作的情況下測(cè)量1 ppm異丁烯氣體時(shí)20 s的最大跳動(dòng)值為0.025 mV，則產(chǎn)生的誤差平均值為0.001 25 mV/s，即測(cè)量濃度誤差平均值約為0.1 ppb/s，當(dāng)傳感器的靈敏度為10 ppb時(shí)，測(cè)量精度可以達(dá)到1%。

4.2 重復(fù)性測(cè)試

對(duì)傳感器反復(fù)通入0 ppm、0.5 ppm、1 ppm的異丁烯氣體，濃度按照從低到高再?gòu)母叩降偷捻樞?，?0 min記錄1次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)同時(shí)切換氣體濃度，重復(fù)3次后得到的數(shù)據(jù)如圖10所示，從圖10可以看出該傳感器具良好的重復(fù)性。

圖9 軟件界面截圖

圖10 重復(fù)性測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的傳感器能夠測(cè)量濃度低至10 ppb的揮發(fā)性有機(jī)化合物，同時(shí)精度可以達(dá)到1%，并且具有良好的線性度，穩(wěn)定性和重復(fù)性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了光離子化傳感器，通過(guò)對(duì)電離室結(jié)構(gòu)、電路部分的分析與設(shè)計(jì)以及多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明該傳感器可以準(zhǔn)確測(cè)量低至10 ppb的揮發(fā)性有機(jī)化合物，具有良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小的優(yōu)點(diǎn)。由于PID傳感器自身具有的非破壞性測(cè)量的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)的PID傳感器在工業(yè)檢測(cè)和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。