带温度补偿的低功耗一氧化碳测定器设计

孙晓东（煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁沈阳，110000）



带温度补偿的低功耗一氧化碳测定器设计

孙晓东
（煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁沈阳，110000）

摘要：一款好的产品的更注重于客户体验和实用。本文以SUSA公司生产的4CO-SF系列电化学传感器为设计一次元件，通过对探头温度特性进行试验分析，结合温度传感器进行温度校正，从而实现高精度一氧化碳测定器的设计。在传感器功耗方面采用超低功耗16位的TI公司5系列进行测定器嵌入式设计，实现了在温度变化为-30~55℃范围内，温度误差在2%的范围内，提高了仪表的精度，延长了仪表的使用时间，更加实用、可靠。

关键词：电化学；嵌入式；温度校正；实用

0　引言

电化学做为传感器的一次元件是目前行业内检测有毒有害气体大规模使用的一种。对于一氧化碳气体含量的测定在矿山及相关爆破行业等特殊场合成了一项硬性的规定，对保证人身安全，安全生产时必不可少的一个环节。

市场上大部分产品多只做了简单的硬件温度补偿或者未做补偿，这样在温度变化比较大的时候，探头的检测精度得不到很好的保证，大部分产品也只有在行业要求的检测点比较精准。为了使得探头在全温度范围内得到很好地补偿本文设计了基于温度传感器的低功耗一氧化碳测定器设计。主要设计信号采集、放大、滤波及结合实验数据、MCU进行温度补偿及显示，实现了满足行业标准的便携式单探头一氧化碳测定器。

1　整体功能方案设计

三电极电化探头主要由工作电极、参比电极和源电极组成。当气体扩散到电极上时，工作电极将感应到的一氧化碳与水氧化反应生成二氧化碳、氢离子与电子。这些离子和电子在电解液里移动到源电极发生还原反应生成水。通过氧化还原反应维持工作电极和源电极之间的电势差。参比电极为一恒电位，当电极随着探头浓度高低变化时，相对恒电位也是随之变化。从而实现不同浓度一氧化碳气体的采集。

如图1所示为测定器的整体结构。MCU选用TI公司的超微功耗单片机MSP430F5438为作为信号AD转换及数据处理。温度采集采用DALLAS公司的DS18B20单总线数字温度传感器。一次电化学元件将感应到的一氧化碳气体浓度值转换成微弱的电流信号，经I/V变换、信号放大、滤波等环节将数据送入MCU的AD引脚进行模数转换。经标定、数据温度补偿处理后完成对一氧化碳浓度值的精确测量。

图1　测定器整体结构

2　关键电路设计

如图所示为SUSA公司电化学一次元件4CO-SF的信号采集调理电路。电路中一次元件的灵敏度为75Na/PPM，当有一氧化碳气体存在时，探头输出微弱的nA级信号，经过U2运放的I/V变换及放大电路对信号进行放大，从而将随浓度变化的电压信号转换为430单片机12位AD可以识别的信号。

电路中参考电压Vr为电路提供恒电位。电路中R5的选取可在10Ω-40Ω之间。R1的值越大，则系统的噪声越小，但相应的电路响应变慢，为保证响应时间小于25s且能保证电路噪声合理的情况下，可以适当调节R1的值。尽量保证R1两端的电压不高于10mV。

电路中运放必须选择一个偏置电压较小的运放，若偏置电压较大则会在上电开启时经过较长时间才能稳定。本设计才有OP2177大增益、低失调运放来对调理电路进行设计。

图2　信号采集及处理电路

3　温度数据采集及校正

如图所示为对探头更好的进行温度补偿，实验采用每隔10度对气体进行一次恒温实验。测试温度范围为-30℃-55℃，温度测试结果如下。通过图中可以看出，当温度在-30℃-55℃范围变化时，温度漂移达到50%以上，为了提高仪表精度，需进行温度校正。

对温度实验测试数据分析，通过单片机及存储器实现对标定数据的存储，主要包含标定时的温度数据、气体浓度数据。每次标定数据存储在外部存储器中。当环境温度变化时，MCU根据现场温度与标定温度对比，自动完成温度的漂移补偿。因探头量程为0-1000ppm，所以标定气体选择500ppm附近的气样。

4　效果测试

在测定器开机后，用500ppm的气对测定器进行标定。标定后分别选择不同温度通入350ppm的气体进行试验，测试结果如表所示。

表1　高低温数据测试

通过数据对比可以看出，温度补偿效果非常明显。便于更多领域的应用。通过整机待机电流测试，待机耗电20mA，对于一节1800mAh电池理论可用90小时，相比于传统8小时充电，大大增加了使用时间。

5　结论

本文本着实用、精准的原则对一氧化碳测定器进行设计，通过实时温度信息对电化学探头进行温度补偿，通过实验测试可用看出探头受温度影响很小，实现了较好测补偿。

参考文献

［1］ 刘丽静.矿用电化学CO传感器设计［J］. 工矿自动化. 2010（11）

［2］ Kobayashi T，Imade Y，Shihara D， et al.All solid-state battery with sulfurelectrode and thio-LISICON electrolyte. Journal of Power Sources . 2008

图3　一氧化碳温度曲线

Design of low power carbon monoxide detector with temperature compensation

Sun Xiaodong
（Shenyang Research Institute of Coal Group Co.，Ltd.Shenyang Liaoning，110000）

Abstract：A good product is more focused on the customer experience and practical. This paper to Susa company production 4CO-SF series of electrochemical sensor as the primary elements of design，through test analysis of temperature characteristics of the probe with temperature sensor for temperature correction，in order to achieve high accuracy carbon monoxide detector design. The power consumption of the sensor，using ultra low power 16 bit of TI company 5 series were determination of embedded device design，the changes in temperature -30~55 temperature range，the temperature error in the range of 2% and improve the accuracy of the instrument，prolong the using time of instrument，more practical， reliable.

Keywords：Electrochemistry；embedded；temperature calibration；practical