曾立武 蘭紫娟 黃曉鋒 何凌燕

摘 要： 臭氧污染已成為我國(guó)大氣污染治理的重點(diǎn)與難點(diǎn)，臭氧監(jiān)測(cè)也是我國(guó)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中一項(xiàng)重要內(nèi)容。為了更加靈活、便捷地標(biāo)定臭氧監(jiān)測(cè)儀，研制一種基于TL494雙端式開(kāi)關(guān)電源控制芯片的便攜式臭氧發(fā)生器，經(jīng)過(guò)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的臭氧分析儀校正后，可方便對(duì)二級(jí)在線臭氧監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行常規(guī)有效的濃度梯度檢驗(yàn)。該發(fā)生器的基本原理為，通入設(shè)定流量的干空氣進(jìn)入到一個(gè)恒溫腔體，腔體內(nèi)使用185 nm紫外燈照射，使空氣中的氧激發(fā)生成臭氧。通過(guò)調(diào)節(jié)紫外燈強(qiáng)度即可產(chǎn)生不同濃度的臭氧，輸出用于后端應(yīng)用。經(jīng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證，該發(fā)生器性能穩(wěn)定，控制電壓與發(fā)生濃度相關(guān)性可達(dá)0.999。

關(guān)鍵詞： 臭氧發(fā)生器； TL494； 臭氧污染； 空氣質(zhì)量； 臭氧監(jiān)測(cè)儀； 紫外燈

中圖分類號(hào)： TN782?34； X851； TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）16?0001?04

Abstract： Ozone pollution has become an emphasis and difficulty of air pollution regulation in China， so ozone monitoring is an important content of the domestic ambient air quality monitoring. A portable ozonizer based on the dual?end switching power supply control chip TL494 is developed to calibrate the ozone monitor flexibly and conveniently. After calibration of the first?level standard ozone analyzer， it is convenient to carry out the routine and effective concentration and gradient detection for the second?level online ozone monitor. The basic principle of the ozonizer is that， the dry air with set flow is pumped into a cavity with constant temperature， and a 185 nm ultraviolet lamp is adopted to illuminate in the cavity to make the oxygen in the air stimulated and generate ozone. The intensity of the ultraviolet lamp is adjusted to generate ozone with different concentrations， which is output for back?end application. The actual test result indicates that the ozonizer is stable， and the correlation between the control voltage and the concentration reaches 0.999.

Keywords： ozonizer； TL494； ozone pollution； air quality； ozone monitor； ultraviolet lamp

0 引 言

臭氧（O3）是地球大氣中一種微量氣體，是氧氣的同素異形體。它是由于大氣中氧分子受太陽(yáng)輻射分解成氧原子后，氧原子又與周圍的氧分子結(jié)合而形成的，含有3個(gè)氧原子。大部分集中在10～30 km的平流層，對(duì)流層[1]O3僅占10%。低濃度的臭氧具有殺菌消毒作用，但在大氣中達(dá)到一定的濃度時(shí)就會(huì)造成環(huán)境污染。在2012年，我國(guó)新修訂的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》首次將臭氧濃度納入空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，臭氧監(jiān)測(cè)也成為國(guó)家環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的常規(guī)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目之一 [2]。目前在國(guó)際上最流行的物理檢測(cè)方法是紫外吸收法。它是利用臭氧對(duì)253.7 nm波長(zhǎng)的紫外線特征吸收的特性，依據(jù)比爾?郎伯（Beer?Lambert）定律制造出的分析儀器，只要選擇合適長(zhǎng)度的吸收池，就可以檢測(cè)臭氧，且線形在4～5個(gè)數(shù)量級(jí)內(nèi)都很好。該方法已被我國(guó)作為環(huán)境空氣中測(cè)定臭氧的標(biāo)準(zhǔn)方法[2?3]。

同時(shí)，為了對(duì)臭氧分析儀進(jìn)行檢驗(yàn)標(biāo)定以及殺菌消毒等應(yīng)用，需要有臭氧發(fā)生裝置制備臭氧。一般可通過(guò)無(wú)聲放電、紫外線照射、電解稀硫酸、液體氧氣加熱以及化學(xué)反應(yīng)等方法。本文所述臭氧發(fā)生器以單片機(jī)、TL494脈寬調(diào)制芯片為基礎(chǔ)，采用小型低壓汞燈照射干燥氣源的方式，通過(guò)控制汞燈照射強(qiáng)度以及介質(zhì)氣體流量調(diào)節(jié)臭氧產(chǎn)出量，其精度可控制在2 ppb。通過(guò)一級(jí)校準(zhǔn)源的標(biāo)準(zhǔn)傳遞，該儀器可方便應(yīng)用于日常便攜臭氧分析儀檢驗(yàn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通過(guò)185 nm波長(zhǎng)的紫外線照射，空氣中的氧分子分解產(chǎn)生游離氧，即活性氧。因游離氧所攜正負(fù)電子不平衡，所以需與氧分子結(jié)合，進(jìn)而產(chǎn)生臭氧，其轉(zhuǎn)化公式如下[4]：

O2+hν（<240 nm）→O+O，O+O2=O3

同時(shí)，O3分子對(duì)254 nm波長(zhǎng)的紫外光有強(qiáng)烈的吸收，其公式如下[4]：

O3+hν→O+O2

因此產(chǎn)生的臭氧等級(jí)取決于以下幾個(gè)因素：185 nm的紫外輻射強(qiáng)度，254 nm的紫外輻射強(qiáng)度，介質(zhì)氣體，介質(zhì)氣體的流量以及臭氧發(fā)生器室的尺寸。在實(shí)際應(yīng)用中，反應(yīng)室大小是固定的且單次使用時(shí)介質(zhì)氣體也固定，本文主要介紹通過(guò)改變紫外燈照射強(qiáng)度，以及改變氣體流量來(lái)控制臭氧的生成濃度。其主要結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖中高壓氣瓶可選用干空氣（21%O2/79%N2）或者氧氣源，減壓至0.2 MPa后進(jìn)入設(shè)備。為防止水汽進(jìn)入影響臭氧生成效率，內(nèi)置了硅膠干燥管，而后進(jìn)入可控的質(zhì)量流量計(jì)輸出穩(wěn)定的流量，再進(jìn)入一個(gè)帶有恒溫裝置的臭氧反應(yīng)腔。在輸出時(shí)預(yù)置一個(gè)排空口，防止高壓氣體直接壓入后端設(shè)備造成破壞。

臭氧具有很強(qiáng)的氧化性，鋅鋁等金屬接觸后會(huì)被強(qiáng)烈氧化，但金，鉑或者含鉻鐵合金（25% Cr不銹鋼）基本上不受臭氧腐蝕，因此反應(yīng)腔首選不銹鋼材料。另外，聚四氟乙烯因具有良好的熱穩(wěn)定性，也不受氧氣、臭氧和紫外光的影響，且不易老化，也可應(yīng)用在臭氧發(fā)生部件上，其密封接觸面可采用耐腐蝕能力強(qiáng)的硅橡膠等材料。本文所設(shè)計(jì)的反應(yīng)腔即采用低成本的鋁件加工并在內(nèi)部鍍上聚四氟乙烯，使用效果良好。

2 臭氧發(fā)生模塊的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所用紫外燈采用美國(guó)Jelight公司生產(chǎn)的雙孔型低壓汞燈[5]，其特點(diǎn)是體積小、光譜線分離清晰、輸出穩(wěn)定、操作溫度低且壽命長(zhǎng)（可達(dá)3×104 h）。其功率6 W，主要光譜線在184.9 nm和253.7 nm，燈表面強(qiáng)度可達(dá)1.3 mW/cm2。

汞燈電源是整個(gè)系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵，其供電方式既可用交流又可用直流。本系統(tǒng)采用TL494芯片對(duì)可變的直流電源逆變方式輸出高壓交流電對(duì)汞燈供電，工作頻率設(shè)計(jì)為25 kHz，同時(shí)在反應(yīng)腔內(nèi)安裝溫控模塊保證燈功率輸出穩(wěn)定。

2.1 燈電源參數(shù)設(shè)計(jì)

TL494是美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的電流控制型脈寬調(diào)制芯片，其主要應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)。該芯片功能強(qiáng)大，工作頻率高，使用較少外圍器件即可實(shí)現(xiàn)輸出電壓電流的雙閉環(huán)控制。TL494內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示[6]。

由圖2可知，本IC由1個(gè)振蕩器、2個(gè)比較器、2個(gè)誤差放大器、1個(gè)觸發(fā)器、雙與門和雙或非門、1個(gè)5 V基準(zhǔn)電源、2個(gè)NPN輸出晶體管等組成。

電源電路設(shè)計(jì)如圖3所示，采用推挽逆變電路（腳13與腳14相連），其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、變壓器磁芯利用率高，尤其適用于本文中小功率場(chǎng)合[7]。其工作頻率由腳5和腳6外接的電阻[R6]和電容[C1]確定，計(jì)算公式如下：

推挽輸出方式其工作頻率需除以2，本電源頻率25 kHz，算得R6=2 kΩ，C1=0.1 μF。

TL494 輸出調(diào)制脈沖的寬度是由腳5電容端的正向鋸齒波和腳3、腳4 的兩個(gè)輸入控制信號(hào)綜合比較后確定的。腳4為死區(qū)時(shí)間控制端，由于內(nèi)部集成死區(qū)電路，即使接地了也能保證最大占空比只有45%，可防止外接功率管同時(shí)工作燒壞電路。R7，C2中端接入腳4組成上電軟啟動(dòng)電路，上電時(shí)電容C2兩端的電壓由0 V逐步升高，當(dāng)C2兩端電壓達(dá)到5 V以上時(shí)，才允許IC內(nèi)部的脈寬調(diào)制電路開(kāi)始工作。當(dāng)電源斷電后，C2通過(guò)電阻R7放電，保證下次上電時(shí)的軟啟動(dòng)電路正常工作，加大電阻或電容緩啟動(dòng)時(shí)間變長(zhǎng)。

誤差放大器1與升壓器功率管相連，起到過(guò)流保護(hù)作用。具體工作原理是：基準(zhǔn)電壓5 V（腳14）通過(guò)R9，R11，R13分壓，使得腳2電壓保持在0.58 V；當(dāng)流經(jīng)取樣電阻R17，R18（=0.5 Ω）的電流超過(guò)1.16 A時(shí)，腳1誤差放大器負(fù)端電壓超過(guò)0.58 V，此時(shí)誤差放大器開(kāi)始工作，促使PWM減少占空比，進(jìn)而減少流經(jīng)取樣電阻的電流，誤差放大器停止工作，達(dá)到平衡。誤差放大器2作為臭氧反應(yīng)室恒溫模塊的反饋回路，其作用是保證反應(yīng)室達(dá)到預(yù)置溫度后才開(kāi)啟紫外燈電源。其中腳16為誤差放大器正端，同樣通過(guò)基準(zhǔn)腳以及R9，R11，R13分壓，使得該腳電壓保持在3.5 V，腳15負(fù)端接到溫控模塊的反饋電壓上，當(dāng)反饋電壓低于3.5 V時(shí)，TL494無(wú)輸出。

2.2 主變壓器的參數(shù)設(shè)計(jì)

主變壓器是該電源的關(guān)健部件。本系統(tǒng)采用罐型鐵氧體磁芯，使用罐型磁芯有諸多優(yōu)點(diǎn)，比如縮小整個(gè)變壓器體積，在相同的匝數(shù)下減少繞線線長(zhǎng)的使用，降低銅損，繞制方便等。設(shè)計(jì)變壓器原邊輸入為24 V，輸出在960 V左右，故線圈匝數(shù)比為1∶40，繞制數(shù)據(jù)：次級(jí)采用0.16 mm漆包線繞制600匝，并用耐高溫絕緣膠帶纏繞兩圈。初級(jí)繞兩層，均采用0.32 mm漆包線各繞制15匝，各引出線頭。

2.3 恒溫模塊的參數(shù)設(shè)計(jì)

汞燈在工作時(shí)會(huì)散發(fā)出熱量引起反應(yīng)室溫度升高繼而影響汞燈工作，因此需在反應(yīng)室設(shè)計(jì)一套恒溫裝置。本恒溫裝置的溫度信號(hào)與TL494的誤差放大器2聯(lián)用，使其反應(yīng)室在未到達(dá)設(shè)定溫度時(shí)關(guān)閉汞燈電源。設(shè)計(jì)反應(yīng)室溫度為72 ℃，其電路圖如圖4所示。

本電路采用PNP型功率管作為加熱器件，可選用任意功率大于100 W的TO?3型封裝管，本系統(tǒng)采用MJ2955。兩個(gè)1N4148開(kāi)關(guān)管將PNP管的b，e極鉗位在1.4 V，正電源通過(guò)限流電阻R9流經(jīng)功率管的e，c極。Rt選用25 ℃時(shí)電阻為10 kΩ的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻NTC，在本例中設(shè)定溫度在72 ℃時(shí)，其阻值大概為2 kΩ。

其工作原理是上電啟動(dòng)后，功率管開(kāi)始工作并升溫，熱敏電阻隨著溫度升高而阻值降低，使得運(yùn)放LM358輸出端Vo逐漸增大直至飽和輸出，功率管b，e極電位一致，停止加熱。當(dāng)溫度降低，熱敏電阻阻值重新變大，又啟動(dòng)功率管加熱輸出，從而保證恒溫。其恒溫溫度由[R4]，[R5]決定。其運(yùn)放輸入/輸出公式如下：

選用常用的阻值搭配得R1=20 kΩ，R2=10 kΩ，R3=51 kΩ，R4=20 kΩ。R5選用10 kΩ電位器，調(diào)整阻值大概在6.35 kΩ，可以使得PNP管表面溫度達(dá)到72 ℃時(shí)恒溫。

3 系統(tǒng)測(cè)試

本系統(tǒng)加入單片機(jī)用于采集升壓器原邊控制電壓、反應(yīng)室溫度電壓、介質(zhì)氣體流量、介質(zhì)氣體溫濕度等數(shù)據(jù)，并輔以串口通信功能，將上位機(jī)的控制數(shù)據(jù)發(fā)送到設(shè)備達(dá)到自動(dòng)化控制目的。制作完成的樣機(jī)通以干空氣（21%O2/79%N2）6 L/min，輸出口接入美國(guó)熱電公司的紫外吸收法臭氧分析儀[8]中，分別調(diào)整升壓器原邊供電電壓，使其產(chǎn)出不同的臭氧量，數(shù)據(jù)如表1，圖5所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

臭氧發(fā)生器標(biāo)定后可以作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)使用， 可對(duì)其他臭氧分析儀進(jìn)行濃度校驗(yàn)。為了得到校準(zhǔn)曲線，必須使用一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的臭氧校準(zhǔn)，如美國(guó)熱電公司生產(chǎn)的49iPS。由于受光強(qiáng)、流量和環(huán)境溫度影響，此校準(zhǔn)曲線僅能在一段時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確。另外，由于采用的低壓紫外燈包含有253.7 nm的紫外光影響了臭氧的生成，故在后續(xù)腔體改進(jìn)中將加入253.7 nm的濾光片進(jìn)行去除，使得產(chǎn)生的臭氧量更大。

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