便攜式光離子化VOCs氣體檢測器設(shè)計(jì)

鄭培超，許冠捷，何雨桐，盧建樹，王金梅

(重慶郵電大學(xué)光電工程學(xué)院，重慶 400065)

0 引言

近年來，由于空氣污染日益嚴(yán)重，社會各界對揮發(fā)性有機(jī)物(volatile organic compounds,VOCs)的關(guān)注度持續(xù)增高。VOCs是指在常溫環(huán)境中沸點(diǎn)為50～260 ℃的有機(jī)物質(zhì)，由苯、甲醛與有機(jī)氯化物等組成，主要來源為化學(xué)工業(yè)廢氣排放、汽車尾氣、室內(nèi)裝修涂料等[1]。由于VOCs具有強(qiáng)揮發(fā)性，若長期在VOCs環(huán)境中工作，會刺激肺部和咽部，對視覺和聽覺神經(jīng)造成破壞。在大氣環(huán)境中，VOCs會導(dǎo)致光化學(xué)污染，腐蝕建筑材料并且會使植物枯死[2]。因此，人們需要便攜式設(shè)備來快速檢測工作環(huán)境中揮發(fā)性有機(jī)物的濃度，當(dāng)危險氣體的濃度超過閾值時及時發(fā)出警報。

常見的VOCs氣體檢測設(shè)備有熱導(dǎo)式檢測器(thermal conductivity detector，TCD)、氫火焰離子化檢測器(flame Ionization detector，F(xiàn)ID)和氣相色譜儀(gas chromatograph)等[3]。目前，VOCs檢測設(shè)備體積較大，不易攜帶，且在檢測時需要載氣，不易應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境中。

光離子化檢測器(photo lonization detector，PID)是采用紫外燈作為電離源，靈敏度較高的氣體檢測設(shè)備。PID可檢測的物質(zhì)范圍十分廣泛，電離能低于檢測器中真空紫外燈電離能的氣體都可以被電離檢測，常見的揮發(fā)性有機(jī)物如烴類、醇類、醛類等均可被PID檢測，但空氣中水蒸氣、氧氣、氮?dú)獾葰怏w不會被電離，因此PID在檢測時可以排除大多數(shù)無機(jī)物的干擾[4]。另外，PID還具有體積小、響應(yīng)時間短、檢測限低、對待測氣體無破壞的特點(diǎn)，可與質(zhì)譜、氣相色譜等設(shè)備聯(lián)用，應(yīng)用市場十分廣泛。

本文設(shè)計(jì)了一種便攜式光離子化檢測器，系統(tǒng)采用3.7 V鋰電池供電，設(shè)計(jì)了電離室結(jié)構(gòu)，紫外燈驅(qū)動、USB充電功能、信號采集、電源管理等硬件電路模塊，控制器使用STM32F103RCT6用于顯示濃度、溫濕度、WiFi遠(yuǎn)程傳輸和報警控制，組成了完整的PID系統(tǒng)。

1 工作原理

光離子化檢測技術(shù)主要應(yīng)用于VOCs的檢測，PID工作原理如圖1所示，待測氣體(VOCs)進(jìn)入電離室后，經(jīng)過PID傳感器中真空紫外燈照射，若待測氣體的電離能小于紫外燈的電離能時，待測氣體會發(fā)生電離反應(yīng)，在電離室中外加極板電壓的作用下,電離出的帶正電和帶負(fù)電的電子和離子向正極和負(fù)極移動，從而產(chǎn)生微弱的電流信號，通過放大電路對微弱電流信號進(jìn)行I-V轉(zhuǎn)換，可以得到放大后的電壓信號。控制單元采集輸出信號并將待測氣體的濃度實(shí)時顯示，也可以通過I/O接口將數(shù)據(jù)傳入上位機(jī)中。

光離子化電離室對待測氣體發(fā)生電離主要有直接電離和間接電離2種方式[5]：

直接電離：待測氣體與紫外光發(fā)生反應(yīng)直接電離成正離子，放出電子。

AB+hv→AB++e-

(1)

間接電離：待測氣體吸收紫外光能量發(fā)生電離。

AB+hv→AB*

(2)

AB*→AB++e-

(3)

式中：AB為待測氣體；AB*為待測氣體分子吸收紫外光能量后的激發(fā)態(tài)。

式(1)與式(3)是PID的工作原理。

AB*→A+B

(4)

AB*+C→AB+C

(5)

AB++e-→AB

(6)

e-+D→D-

(7)

AB++D-→AB+D

(8)

式中：C與D為待測氣體中不能被紫外燈電離的氣體分子，如二氧化碳、氧氣、氮?dú)?、甲烷、乙烷等?/p>

式(4)～式(5)為激發(fā)態(tài)氣體分子到非激發(fā)態(tài)的過程，式(6)～式(8)為電子的再結(jié)合過程，他們都會減小檢測電流信號的大小，在電離室的極板間加上高壓，那么就會降低電子的再結(jié)合的過程。

根據(jù)Freedman[6]提出的PID中實(shí)際測得的離子流i可以描述為

i=I0FησNL[AB]

(9)

式中：I0為光輻射強(qiáng)度；F為法拉第常數(shù)；η為組分的吸收橫截面；σ為激發(fā)態(tài)分子的電離效率；N為阿伏加德羅常數(shù)；L為光吸收層厚度；[AB]為被測物質(zhì)濃度。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)

PID的工作流程如圖2所示，氣泵將待測氣體送入電離室中，氣體分子會發(fā)生電離形成微弱電流信號。經(jīng)過放大電路放大后的電信號，由微控制器采集處理分析，并將待測氣體的濃度顯示在OLED顯示屏中，當(dāng)濃度超過閾值時發(fā)出報警信號。

系統(tǒng)的硬件電路包括電源管理模塊、USB充電電路、紫外燈驅(qū)動電路、放大電路、系統(tǒng)控制電路。其中，系統(tǒng)主控芯片采用嵌入式微控制器的集成電路STM32F103RCT6，搭載A/D信號采集、RGB數(shù)碼顯示、4位控制按鍵和1位復(fù)位按鍵，微型氣泵控制組件、報警設(shè)備、溫濕度采集模塊與WiFi通信模塊。系統(tǒng)可以將采集的VOCs濃度數(shù)據(jù)在顯示屏中實(shí)時顯示，或通過移動設(shè)備對PID進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)控，實(shí)時讀取系統(tǒng)中采集的數(shù)據(jù)。PID整體的硬件框架如圖3所示。

2.2 電離室設(shè)計(jì)

在PID的設(shè)計(jì)中，電離室的結(jié)構(gòu)決定了PID對VOCs的檢測性能。電離室結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，主要由保護(hù)罩、氟膠墊片、極板、內(nèi)嵌筒和密封墊片組成。

電離室設(shè)計(jì)采用軸向結(jié)構(gòu)[7]，是指待測氣體流入電離室的方向與紫外燈入射方向平行，這種結(jié)構(gòu)可以充分利用紫外燈的光程，使待測氣體更加充分的電離，更易達(dá)到平衡狀態(tài)以增大電離效率。PID在經(jīng)過一段時間的使用后，由于待測氣體長時間平行入射紫外燈窗口，會使紫外燈表面附著有機(jī)化合物從而降低電離效率，并使得檢測到的背景電壓逐漸增高，這是軸向結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)。定期使用丙酮擦拭紫外燈窗口表面來減小殘留物的污染，從而提高PID的準(zhǔn)確性。

依據(jù)Boag理論[8]，電離室的收集效率可表示為

(10)

式中：ζ=md2q0.5/V；d為電離室電極間距，cm；V為極板電壓，V；m為空氣溫度、氣壓修正因子；q為單位時間內(nèi)空氣電離密度，esu·cm-3·s-1。

從式(10)可以推斷，光離子化電離室的電荷收集效率與極板間距和外加電場電壓有關(guān)。縮小極板間距和增大外加電場電壓都可以提高電離室的靈敏度。根據(jù)Boag理論，當(dāng)電場電壓設(shè)置為200 V左右時，收集效率趨近于95%，繼續(xù)增大將會影響檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此，極板電壓設(shè)置為200 V。

紫外燈選用型號為PKR106-6的真空紫外燈，其電離能為10.6 eV，可以電離大部分有機(jī)物，內(nèi)部填充氣體為Kr，玻璃封裝直徑為6 mm，長度為30 mm，滿足小型化的要求，為增強(qiáng)帶電粒子的收集效率[9]，采用6 mm極板間距，與紫外燈窗口直徑保持一致。由于電離室采用軸向設(shè)計(jì)，因此電離腔長度設(shè)計(jì)為10 mm，與紫外燈的光程一致，這樣可以充分利用紫外燈的照射區(qū)域。極板形狀采用波浪型設(shè)計(jì)，厚度為1 mm，有效增加極板與帶電粒子的接觸面積，提高檢測靈敏度。

2.3 紫外燈驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動電路采用電容耦合激發(fā)放電的方式驅(qū)動紫外燈。電容耦合激發(fā)放電即在兩極板間固定真空紫外燈，并在極板中通入高壓高頻交流電，在高頻電場中，紫外燈產(chǎn)生等離子體發(fā)光，此時兩塊極板與紫外燈可看作為一個電容，因此被稱為電容耦合激發(fā)放電。相對于電感耦合激發(fā)放電[10]，電容耦合激發(fā)方式結(jié)構(gòu)簡單，體積小，在便攜式設(shè)備中更易實(shí)現(xiàn)。

紫外燈驅(qū)動電路采用Royer推挽自激電路[11],它能夠?qū)崿F(xiàn)將低壓直流電轉(zhuǎn)化為高壓高頻交流電，滿足紫外燈正常激勵要求，原理圖如圖5所示。變壓器T1的1、2、3端構(gòu)成第1個初級繞阻(又稱集電極繞阻)，其中第2端口為中心抽頭，4、5端口與晶體管Q1、Q2的基極相連，組成第2個初級反饋繞組(基級繞阻)，6、7端口組成次級繞阻，次級與初級共地設(shè)計(jì)，在銅片P1與P2間輸出高壓高頻交流電。驅(qū)動電路使用開關(guān)晶體管和變壓器鐵芯的磁通量飽和來進(jìn)行自激振蕩。由于Q1、Q2的性能不可能完全一致，所以Q1、Q2間會產(chǎn)生交替導(dǎo)通，循環(huán)往復(fù)的現(xiàn)象，從而在變壓器T1次級形成振蕩，產(chǎn)生高壓交流電，電容C3與Q1、Q2的集電極相連，可以控制2個晶體管導(dǎo)通、關(guān)閉的頻率，進(jìn)而控制變壓器次級的頻率，如圖6所示，當(dāng)驅(qū)動電源正常工作時，次級繞阻輸出使用高壓探測器(電壓縮小為原來的1/1 000)探測可得該驅(qū)動電路輸出幅頻特性穩(wěn)定，紫外燈工作正常。

變壓器次級的輸出引線不能過長。當(dāng)引線過長時，變壓器次級輸出的幅頻特性不能較好地傳遞，必須使用短引線進(jìn)行連接。最終在驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)中選擇將電極銅片直接焊接在PCB板中。

2.4 充電電路設(shè)計(jì)

由于鋰電池體積小，內(nèi)部電壓足，自動泄漏電流較小，長時間不使用時電量不會有較多損失，因此采用鋰電池對PID設(shè)備供電。設(shè)備使用5 A·h容量鋰電池，理想狀態(tài)可持續(xù)工作10 h，但由于鋰電池轉(zhuǎn)換效率不足80%，實(shí)際使用時長為7～8 h。同時，鋰電池又具有充電速度較快，內(nèi)部不含重金屬物質(zhì)，不會污染環(huán)境的特點(diǎn)[12]，設(shè)計(jì)USB充電接口，可以滿足PID在不同環(huán)境下的充電需求。充電電路原理圖如圖7所示。

鋰電池充電芯片采用BQ24093芯片，它是高度集成的鋰離子和鋰極化線性充電芯片，具有輸入過電壓保護(hù)和短路保護(hù)的特性，BQ24093芯片在正常工作時，IN口連接直流源，旁路電容C1取1 μF進(jìn)行濾波。R1用來調(diào)節(jié)快速充電的電流量，取540 Ω時，充電電流最大為1 A。CHG端的場效應(yīng)管為充電提示，開啟時表示正在充電，關(guān)閉時表示充電已完成，當(dāng)鋰電池電量充滿時，輸出引腳電壓達(dá)到調(diào)節(jié)電壓，電流逐漸下降，CHG引腳將變?yōu)楦咦杩梗⑦\(yùn)行電池檢測電路，當(dāng)檢測到鋰電池時，充電電流終止。

2.5 信號檢測電路

電離位不高于紫外燈的待測氣體進(jìn)入電離室中發(fā)生電離，產(chǎn)生微弱電流，設(shè)計(jì)的PID電離室中本底電流約為600 pA，需要經(jīng)過pA級放大電路轉(zhuǎn)化為能被控制單元采集的電壓信號。同時，由于所設(shè)計(jì)檢測器中使用的控制核心為STM32F103RCT6,檢測范圍為0～3.3 V，因此，選取LOG112精密對數(shù)放大器，其動態(tài)輸入范圍為100 pA～3.5 mA，當(dāng)檢測高濃度揮發(fā)性有機(jī)物時輸出電壓不高于3.3 V，符合設(shè)計(jì)要求，在輸出端增加RC濾波電路，可以濾除輸出電壓信號中的噪聲干擾，電路原理圖如圖8所示。

2.6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的PID采用STM32F103RCT6為核心控制器，功能代碼使用C語言在KeilμVision5程序中編寫，具有良好的可讀性、復(fù)用性和維護(hù)性。主要程序包括數(shù)碼顯示、按鍵輸入、蜂鳴器報警、溫濕度傳感、氣泵控制、WiFi通信、SD卡采集和串口輸出等功能模塊，PID顯示界面設(shè)計(jì)框架如圖9所示。

WiFi模塊通過機(jī)智云平臺，可以將PID實(shí)時監(jiān)測的濃度數(shù)據(jù)、溫濕度信息同步傳輸至手機(jī)端，傳輸距離遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)同步率快，當(dāng)待測區(qū)域較大時?？梢苑胖枚鄠€設(shè)備實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)組網(wǎng)集中監(jiān)控，手機(jī)端顯示如圖10所示。

3 實(shí)驗(yàn)測試與分析

3.1 系統(tǒng)可重復(fù)性測試

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的PID電離室結(jié)構(gòu)與電源模塊的性能，在密封氣室中使用質(zhì)量流量計(jì)以不同流速通入異丁烯氣體與氮?dú)膺M(jìn)行混合，配置得到不同濃度的待測氣體。在實(shí)驗(yàn)環(huán)境穩(wěn)定的情況下，在不同時間段測試6組0～200 ppm異丁烯濃度對應(yīng)的輸出電壓值，結(jié)果如圖11所示。從圖11可以看出，此次設(shè)計(jì)的PID檢測器具有良好的可重復(fù)性。

對實(shí)驗(yàn)所測6組數(shù)據(jù)取平均值進(jìn)行擬合得到圖12，從圖12可以看出，由于檢測系統(tǒng)采用對數(shù)放大電路，所以氣體濃度與采集電壓呈對數(shù)關(guān)系，氣體濃度越大，采集電壓越高，擬合度R2=0.997 62，檢測限可達(dá)2.2 ppm，根據(jù)《固定污染源 揮發(fā)性有機(jī)物排放連續(xù)自動檢測系統(tǒng)光離子化檢測器(PID)法技術(shù)要求》(DB44/T1947-2016)[13]性能指標(biāo)規(guī)定，檢測器的測定下限應(yīng)小于5 mg/m3，滿足標(biāo)準(zhǔn)適用要求。

3.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性測試

將實(shí)驗(yàn)測試得到的校準(zhǔn)曲線植入主控芯片后，為了測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對傳感器持續(xù)通入30 ppm濃度的異丁烯氣體，每隔30 s讀取相同實(shí)驗(yàn)條件下的顯示濃度，如圖13所示。從圖13可以得出，氣體濃度有一些浮動，但浮動不大，穩(wěn)定性為2.72%，比較平穩(wěn)。

3.3 系統(tǒng)響應(yīng)時間測試

響應(yīng)時間是檢測其性能的重要參數(shù)之一，響應(yīng)時間越小，系統(tǒng)的可靠性更高。實(shí)驗(yàn)通入100 ppm的異丁烯氣體作為待測氣體，每隔2 s讀取1次數(shù)據(jù)，以20 s作為1個測試周期，連續(xù)測試3個周期，記錄從通入待測氣體后瞬時升高到穩(wěn)定值90%時所需的時間如圖14所示。圖14驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的檢測器響應(yīng)時間約為8～10 s。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種便攜式PID，體積小、質(zhì)量輕，使用鋰電池供電，實(shí)現(xiàn)了PID在室外快速作業(yè)的需求，對檢測器中的電離室結(jié)構(gòu)與硬件模塊進(jìn)行了詳細(xì)的分析與介紹。實(shí)驗(yàn)證明該P(yáng)ID的性能良好。由于PID本身具有無需化學(xué)試劑和載氣，可直接檢測待測氣體，對環(huán)境無破壞的特性，因此本文設(shè)計(jì)的PID適合用于復(fù)雜環(huán)境綜合檢測，污染源的評估與跟蹤，在環(huán)境保護(hù)方面具有廣泛的應(yīng)用前景。