一种浓度稳定可控的臭氧发生装置的设计与实现

吴岩磊，姜雪兵，张 涛，高雪莲，杨雅楠，陈志娟

(1.天津同阳科技发展有限公司 天津300384；2.天津市环境监测技术企业重点实验室 天津300384)

0 引 言

臭氧以及挥发性有机物，正在成为影响人们身体健康的“隐形杀手”。臭氧污染控制已成为环境保护重要的一环，臭氧浓度的监测也是环境空气质量检测中重要的一项。因而对于环境监测设备的校准和检测准确度要求将越来越严格。为了提高检测设备的测量精度和数据的可靠性，需要一种浓度稳定的标准气体作为校准参考源，而臭氧气体由于自身的不稳定性，很难像其他气体一样制备成标准气体存储使用。因此，一种浓度可设置的、稳定的臭氧气体发生装置成为现实的需求。

按照产生方式来划分，臭氧的产生一般有3 种方式：高压放电式，电解式和紫外线照射式。高压放电式臭氧发生器是类似于自然界的闪电放电的形式，即使用一定频率的高压电流制造高压电晕电场，使电场内和电场周围的氧分子发生电化学反应，从而生成臭氧，这种臭氧发生器的技术成熟、工作稳定、臭氧产量大、使用寿命长，但产生臭氧的浓度存在很大的波动，难以精准控制。电解式通常是通过电解纯净水而产生臭氧，这种发生器制造成本低、能制取高浓度的臭氧水、使用和维修简单，但由于有臭氧产量无法做大、电极使用寿命短、臭氧不容易收集等方面的缺点，使其适用范围受到限制。

紫外线照射式，也叫光化学法，即利用特定波长的紫外光照射方式使氧分子(O2)分解并聚合成臭氧(O3)。采用这种方法，如果能够有效控制紫外光的光强保持不变，那么臭氧的转换效率就是恒定的，即可以产生稳定的臭氧输出。

本设计的目的在于，针对当前环境空气质量检测设备校准的需求，对于臭氧检测设备的校准需要一种浓度和流量稳定的臭氧源，能够产生指定浓度的臭氧气体，同时保证臭氧气体浓度稳定、气体流量可调节，以满足设备不同监测点的校准需求。

1 设计思路

光波中的紫外光能够将氧分子(O2)分解并聚合成臭氧(O3)，其中波长为185 nm(或254 nm)的紫外光效率最高，在此波长的紫外光下，光量子被O2吸收率最大，其反应基本过程为：

式中：hr 为紫外光量子；M 为类似氮、反应器壁、二氧化碳气体分子等存在的任何惰性物体。

臭氧发生中的紫外波长可选 185 nm 或者254 nm，在我们的设计和测试中，选用254 nm 波长的紫外灯管。

系统设计的目的是控制紫外灯点亮，并在应用范围内调节其亮度，控制紫外灯正常工作并维持稳定的光照强度，同时控制反应气体的流量稳定。气体流量的控制可以通过流量计直接完成，而设计的重点和难点在于紫外灯光强的控制。

对于紫外灯，需要有效值大于1 200 V 的高压交流电来点亮。常规设备多是由AC220 V 市电供电，而且大多设备内部会有AC-DC 电源模块，有低压DC电源。考虑常规设备状态，此臭氧发生装置设计中电源控制单元的功能则是通过控制信号大小判定，将低压直流电逆变为高压交流电，来激发紫外灯点亮，并保持稳定的输出光强，进而保证臭氧(O3)的转换效率稳定可靠。

2 硬件电路设计

2.1 紫外照射式混合集成电路

紫外照射式混合集成电路包括通信接口、MCU控制单元、电源控制、反馈放大、紫外灯、光电检测等模块。如图1 所示，紫外灯管安装于密闭的气室结构中，通信接口接收到设置命令后，由MCU 控制单元通过预设的数据拟合寻迹算法，输出一个控制信号来改变电源控制单元参数，电源控制单元将DC24 V 直流电逆变为AC1200RMS 高压交流电，激发点亮紫外灯；光电检测单元响应紫外灯所产生的光强，将光信号转化为电信号，经反馈放大，得到一个反馈信号。控制信号与反馈信号由MCU 控制单元进行比较，使电源控制单元输出恒定灯电流。紫外灯电流的调整控制与紫外光强的响应反馈，二者相互制约，电路达到动态平衡，紫外灯的亮度达到稳定状态，系统完成闭环回路的控制。

图1 硬件电路结构框图Fig.1 Structure diagram of hardware circuit

电路通过控制和改变紫外灯的电流，来改变灯的光照强度，维持紫外灯光照强度恒定，从而保证臭氧(O3)转换效率稳定。设计中，将RS232 通信接口作为对外输出端口。可外部访问，设置和读取整个电路的工作状态，通过设置指令，设置灯电流的大小，通过读取指令，得到当前的工作状态。设置和读取工作状态参数来判断臭氧(O3)的转换效率，从而设定或者读取当前的臭氧浓度。

针对旅游风景区的垃圾产生与之相关联的因素，我们考虑人群因素为最主要的产生源，其中人群因素分为游客、管理人员和常住居民三大类[3]。对于管理人员和常住居民，因其流动性比较弱，可以考虑其不变动，产生的垃圾量确定为一个固定值；对于游客，因其属于流动人群，所以导致它的流动性强，因此，它是景区垃圾产生的不确定人群，它的任一变化都将会引起景区垃圾产生量变化[4]。根据景区垃圾的产生源，我们可以得出景区垃圾主要集中于人员密集度比较大、游客停留时间较长和景区服务设施较好的区域[5]。

系统设计中的关键为电源控制部分和光电检测部分的设计。

电源控制部分(图2)完成电源逆变功能，将低电压直流电源逆变为高电压小电流的高压电源，同时通过反馈参数达到动态调整紫外灯电流的目的。电源控制选用凌特公司的LT1172。系统上电时，FB 管脚电压低于内部参考1.23 V，此时VSW 引脚可发生全占空比的PWM 调制，脉宽信号经电感L1 传导电流通过Q1、Q2 形成开关调制，变压器T1 次级出现高压交流响应，激发紫外汞灯点亮。此时FB 管脚的电压会随之升高，PWM 调制脉宽随之改变。如果仅是上述电源电路，FB 管脚得不到反馈控制，PWM 调制会瞬间消失，变压器T1 次级不会产生持续响应的高压电流，紫外灯是不能点亮的。为了保证紫外灯点亮，并且维持在一个恒定的光强，需要电路形成闭环反馈，光电检测部分(图3)则完成这个功能。

光电检测部分电路的目的是采集紫外光照强度，将光照强度作为一个反馈信号，与电源控制部分建立电路反馈控制平衡。图3 中D4 为光电二极管，选用Ifw-Optronics 公司JEA 系列。当有紫外频段的光线照射到后，D4 会产生响应电流，其响应电流的大小，与接收到光强的能量成正比例关系。响应电流经U8运算放大器放大、转换成电压信号由ADC_JEC 端输出，此时的电压信号幅值即可表明紫外光强度的大小。电路设计中，由于运放的放大倍数较大，不建议使用传统的运算放大设计，而是采用T 型电阻网络的结构形式，来保证工作的稳定性和电阻差异性影响，电路中R32 可调整运放的放大倍数，R34 用于调整运放的静态偏置点。

图2 电源控制部分电路设计Fig.2 Circuit design of power control section

图3 光电检测部分电路设计Fig.3 Circuit design of photoelectric detection part

光电检测放大后的电压信号，经ADC_JEC 端输出，此电压由MCU 控制单元采样、比较。其输出结果反馈到电源控制电路的FB 管脚，达到电路平衡后，电源控制电路中FB 管脚电压维持在1.23 V，紫外灯输出稳定光强。当MCU 控制单元更改比较电压时，电路会重新建立平衡，改变紫外灯的光照强度。

MCU 控制单元，控制上述反馈过程，完成紫外灯的点亮和光强调整，形成闭环反馈控制。同时，设置流量计，完成气体流量控制。

2.2 结构设计

完成电路控制设计，接下来要给气体的反应、采集提供一个密闭的腔室，并将电路控制和气路设计联系起来。其中，气室结构部分包括密闭气室、进气口、出气口及紫外灯发光管、光电检测模块(图4)。紫外灯发光管部分固定安装于气室内部，光电检测模块设置在气室侧面开孔处，正对紫外灯发光管，且使用密封圈密封，保证不漏气。气流由进气口进入，出气口流出。

图4 气室结构示意图Fig.4 Schematic diagram of air chamber structure

由于原本空气中存在微量的臭氧(O3)，会给校准和臭氧发生带来一定的误差干扰，为了保证臭氧(O3)的纯度和稳定性，需要将空气中的干扰气体去除掉，在空气进入进气口之前增加零气发生器，去除干扰气体。为了保证出气口输出的臭氧浓度稳定，控制好气流的稳定性，装置采用流量计来控制气流的平稳度。

图5 系统装配示意图Fig.5 System assembly diagram

如表1 所示，该装置产生的臭氧浓度存在10～15 mg/m3的波动，对于一般的应用没有什么影响，但作为仪器校准的基准源，则由于波动范围较大，导致无法使用。

2.3 整体设计的进一步改进

为进一步提高臭氧浓度稳定性，缩短系统预热时间，采取了进一步改进措施。通过分析紫外灯的特性，紫外灯的最佳工作温度在50～70 ℃的范围内，不同的紫外灯会存在一定的差异。为了缩短系统进入稳定状态的时间，添加了一个简易的温度控制设计，如图6、图7 所示。

表1 无气室温度控制模块的装置测试记录Tab.1 Test record of a device without gas chamber temperature control module

图6 装置整体结构示意框图Fig.6 Schematic diagram of overall structure

图7 温度检测电路Fig.7 Circuit of the temperature detection module

温度测量采用R70、R71、R72 和PT100(J1 接插件连接三线制PT100)组成测量电桥，当PT100 与R72 电阻值不相等时，电桥输出一个mV 级压差信号，这个压差信号经过U12 放大输出期望大小的一个电压信号ADC_T，MCU 单元通过AD 直接对ADC_T 进行采样，并计算出测量温度。

加热控制功能是通过MCU 单元产生PWM 信号，经Q3 放大、U3 隔离控制，由J2 控制加热片工作。加热片紧贴于气室外壁，且用保温棉包裹；温度检测装置探入到气室内壁，为保证气密性而不与气室连通。系统上电后，MCU 控制单元控制加热模块给气室加热，同时温度检测模块检测气室温度，当温度达到预设温度后，气室温度恒定在预设值保持不变。对改进设计后样机测试记录如表2 所示。

表2 增加气室温度控制模块的装置测试记录Tab.2 Test record of a device with a gas chamber temperature control module

改进后再次进行等条件下测试，臭氧浓度波动小于2 mg/m3，表明增加温度控制的作用非常明显，由实验数据可以看出，此时对产生臭氧浓度的控制非常的稳定。

3 数据分析

实验数据显示，表1 测试数据的标准差为4.32，表2 测试数据的标准差为0.46。如图8 所示，在同等实验条件下，增加气室温度控制模块比无气室温度控制模块的装置产生臭氧浓度的稳定性显著增加。

图8 改进先后数据走势对比Fig.8 Comparison of data before and after device improvement

综上所述，在紫外照射式基本原理的支持下，完成控制电路和测量气室的设计，并在实验的基础上增加温度控制模块。气室的温度控制模块使紫外灯处在恒定的温度环境中，保证了紫外灯工作状态更加稳定，有效减少了系统预热时间，使臭氧(O3)浓度保持稳定，同时减小环境状态变化对系统的影响。

系统通过MCU 控制单元对紫外灯亮度和气室温度2 个闭环反馈控制，实现了对紫外照射法产生臭氧O3的浓度的控制。为了提高实用性，可通过多组实验数据标定，MCU 控制单元建立数据拟合寻迹算法处理，从而实现臭氧O3不同浓度输出的需求。

在实际应用中，标定之后的臭氧发生装置，在工作稳定性、臭氧浓度发生的重复性中，都达到了优良的效果。上述设计满足了紫外光照强度的控制、气室温度的控制，将流量控制加入到MCU 控制单元的寻迹算法中，通过拟合、运算和校准，能够实现输出任意目标浓度和流量臭氧气体的目的。本系统在设计时，对外留有RS232 通信接口，所有的校准和设置命令均通过通信接口完成。故此系统既可以单独作为一个专门的稳定臭氧发生源来使用，也可以作为一个模块，安装于其他设备内部，只需要提供一个RS232接口，满足通信协议要求即可。

4 结 论

根据紫外照射法产生臭氧的原理，所设计的发生和反馈控制电路通过灯功率的线性控制来保证臭氧浓度、产量。臭氧浓度控制具有良好的重复性；同时，考虑到温度对整个系统预热时间和紫外灯工作状态的影响，设计增加温度补偿功能，提高了臭氧输出的稳定性。

本设计解决了常规产生臭氧带来的浓度波动较大、不稳定的问题。通过控制信号和反馈信号的自动调节功能产生了气体浓度稳定、流量可调整的臭氧气体，其稳定度达到仪器校准等级，同时预设的寻迹算法，保证了可以产生指定浓度和流量的臭氧气体，为检测仪器的数据精准性提供了可靠的保证。产生臭氧所用到的源气体为空气，价格低廉，取材便捷，无污染。同时臭氧发生装置体积小巧，留有对外的控制接口，为本设计的应用提供了便利条件，使其可作为功能模块安装到其他设备中，利用臭氧的强氧化性特点，也可应用于净化空气和消毒杀菌等设备。