基于电化学传感器的气体监测系统研究与应用

(1.中国地质装备集团北京海光仪器有限公司 北京 100015)(2.北京信息科技大学自动化学院 北京 100192)

引言

电化学传感器国外追溯到到20世纪50年代，当时用于氧气监测。到了20世纪80年代[1-2]，电化学传感器开始用于监测多种不同的气体。近年来越来越受到广泛重视和关注[3-4]，已广泛应用于工业、矿下、环境保护和控制、生物医学、科研、国防等领域[5]。

电化学传感器是基于待测物的电化学性质并将待测物化学量转变成电学量进行传感监测的一种传感器，具有低功耗、高精度、高灵敏度、线性范围宽良好的重复性和稳定性特点。

本文基于三电极电化学传感器设计了一套实验室气体监测报警系统，该系统已在原子荧光分析实验室应用，具有灵敏度高、抗干扰能力强的特点。在实验室有害气体挥发、泄露达到一定浓度时，能够有效报警。

一、整体设计

(一)系统设计原理

本文以炜盛科技ME4-NO2、ME4-HCL三电极电化学传感器为研究对象，该类型传感器是定电位电解型传感器，待测实验室气体与氧气在工作电极和对电极上发生相应的氧化还原反应并释放电荷形成电流，产生的电流与待测气体浓度成正比，通过测试电流大小即可判定待测气体浓度的高低。

气体监测报警系统主要包含传感器、恒电位电路、检测电流电路，滤波电路、放大电路、AD采样电路、嵌入式软件设计。

(二)恒电位电路设计

三电极电化学传感器有工作电极W、参比电极R、对电极C。工作电极W上氧化或还原目标气体，产生与气体浓度成比例的电流，通过对电极C将该电流提供给传感器。参比电极R安装在电解质中，与工作电极临近，在没有电流通过的前提下，用来维持工作电极与参比电极间电压的恒定。

假如直接在工作电极和参比电极加电压，二者之间形成回路，工作电极化学反应产生的电流通过参比电极输出，随着气体浓度的变化，反应电流在变化，那么工作电极和参比电极间电压也发生变化，无法保持恒定。加入对电极就是通过反馈作用工作电极和参比电极电压恒定，强迫反应电流全部通过对电极流出，恒电位电路的设计如图1所示。

图1 恒电位电路图

恒电位电路将参比电极加到放大器反向端，放大器的输出端连接到对电极形成闭环负反馈调节系统，恒电位的调节依靠深度电压负反馈来实现。当气体浓度增加时，UWE↑→UCE↑→URE↓,UWE-URE=U0保持不变，体现了恒电位的自动调节能力。当达到平衡之后，

(1)

式(1)中URE、UWE、UCE分别为参考电极、工作电极、对电极电压，R1、R2为如图1所示中的电阻。

图1中参数设置，R1、R2为防止输入运放电流过大，一般取经典值10K。C1、C2滤除纹波，取经典值0.1μF。

(三)电流检测电路

ME4-NO2电化学传感器工作电极W端产生的电流是流出传感器器，需要将电流值转换为电压值，前级放大器的输出是负值，经后级反相放大，转变为正电压值供模数转换。

前级放大电路将电流值转换为电压值的换算关系如下：

(2)

式(2)中，u1为前级放大器输出值，i为传感器工作电极W端的电流。

图2中传感器电流通过R6、R5和RNTC1的等效电阻放大，为负反馈系数电阻，起到补偿作用。因为传感器在相同气体浓度下，随温度的高低还是有微小的差别，通过负反馈系数电阻来补偿。前级放大器C3的作用是高频滤波，减小电路噪声。

测量电路中使用负载电阻、内部传感器电阻以及内部传感器电容的组合来建立RC电路，负载电阻R7的选择应综合考虑最快响应时间和最佳信噪比之间的折中，通常取0-100Ω即可。

第二级放大电路采用反相放大，利用反相器抗干扰能力强的特点，将前级放大器负值电压信号转换正压值。

图2 电路检测电路

(四)嵌入式软件设计

软件设计平台选用STM32F103系列ARM芯片，该芯片拥有丰富的外设资源，自带AD采样通道、直接存储器访问DMA。

本文中报警监测系统监测实验室中常见的三种气体NO2、HCL、H2S，循环采集三种传感器经放大器转换后的电压值，然后根据厂家提供的不同气体浓度下传感器电流值对应关系，根据采集的电压值反推实验室气体浓度。

AD采样过程STM32F103将ADC的转换分为规则通道组和注入通道组。规则通道组最多包含16个转换，注入通道组最多包含4个转换。本文采样规则采用规则通道组顺序循环采样，AD采样寄存器主要配置步骤及配置值如下：

(1)选择独立工作模式；

(2)连续转换循环扫描模式；

(3)关闭外部触发转换；

(4)采样数据右对齐方式；

(5)规则转换通道数目设置为3；

(6)ADC转换顺序及采样周期H2S、HCL、NO2分别为通道1、通道2、通道3；

(7)开启ADC时钟；

(8)开启复位校准并等待校准结束；

(9)开始指定校准状态并获取指定校准程序。

STM32F103支持直接存取器访问DMA，该种DMA传输方式无需CPU直接控制传输，也没有中断处理方式那样保留现场和恢复现场的过程，通过硬件为RAM和IO设备开辟一条直接传送数据的通路，使得CPU的效率大为提高。

STM32F103有DMA1、DMA2两种控制器，通过配置相应的外设寄存器，使得ADC与DMA联系起来，具体配置步骤及配置值如下：

(1)指定DMA外设ADC基地址，将DMA和ADC联系起来；

(2)指定DMA内存基地址，对于三通道ADC，需用一个三维数组来存储采样。DMA内存基地址指向该三维数组；

(3)选定DMA数据传输的方向，内存作为数据传输的目的地；

(4)确定DMA通道缓存的大小，即步骤2中三维数组的大小；

(5)配置外设寄存器地址不变，即DMA始终指向ADC基地址；

(6)配置内存地址寄存器为递增方式，即循环采样过程，AD采样数据依次在步骤(2)数组中存储；

(7)配置外设数据及内存数据长度为16位；

(8)确定DMA工作方式为循环工作方式，并拥有高优先级、失能内存到内存传输；

(9)开启DMA时钟。

为了平滑采集的数据，采集的不同通道的电压值，采用二次算术平均算法。

(1)每个通道采集10次数据，共3个通道。

(2)每个通道的平均值作为1个数，采集5个数据，再次做平均。

(3)根据厂家提供的传感器电流与浓度对应关系，将步骤(2)的电压平均值转换为相应的气体浓度值。

(4)将气体浓度值分为低中高3个等级，判断步骤(3)中的气体浓度值处于哪个级别，STM32F103处理器控制三色LED指示报警状态。

三、实验结果

将硬件电路和软件设计集成起来，制作成一个实验室气体检测系统报警装置，主要检测实验室NO2、HCL、H2S。其中NO2、HCL采用三电极电化学传感器，H2S采用平面半导体传感器。

上电后，报警装置前方的三个状态指示灯开始由“红-蓝-绿”循环闪烁，同时报警装置后侧的风扇开始运转，带动空气流动，传感器进入预热状态，约5分钟后进入工作状态。气体传感器状态指示与浓度关联关系如下表1所示。

表1 状态指示与浓度关系表

实验过程用50%的HNO3溶液挥发，模拟NO2气体监测，用50%的HCL溶液挥发，模拟HCL气体监测。用含醇类较高的物质如无水酒精挥发，模拟H2S气体监测。当气体浓度达到一定值，状态指示灯发出相应的报警信息，具有良好的可靠性。

四、结束语

本文基于电化学传感器的原理，设计了一款实验室气体监测报警系统，并且已经形成了市场效益。该报警系统主要用于实验室中氮氧化物(NO2)、氯化氢(HCl)和硫化氢(H2S)的指示性监测，报警信息准确率达99%以上。实验人员发现指示灯发出报警信号，可以及时处理实验室空气环境，比如加强室内空气循环、开窗通风、及时倾倒废液。本文提出的报警系统只对气体浓度做定性监测，下一步的研究方向是对气体浓度校准做定量监测。