曾立武 蘭紫娟 黃曉鋒 何凌燕

摘 要： 臭氧污染已成為我國大氣污染治理的重點與難點，臭氧監(jiān)測也是我國環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)中一項重要內(nèi)容。為了更加靈活、便捷地標定臭氧監(jiān)測儀，研制一種基于TL494雙端式開關(guān)電源控制芯片的便攜式臭氧發(fā)生器，經(jīng)過一級標準的臭氧分析儀校正后，可方便對二級在線臭氧監(jiān)測儀進行常規(guī)有效的濃度梯度檢驗。該發(fā)生器的基本原理為，通入設(shè)定流量的干空氣進入到一個恒溫腔體，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。通過調(diào)節(jié)紫外燈強度即可產(chǎn)生不同濃度的臭氧，輸出用于后端應(yīng)用。經(jīng)實測驗證，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)測儀； 紫外燈

中圖分類號： TN782?34； X851； TP23 文獻標識碼： A 文章編號： 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個氧原子。大部分集中在10～30 km的平流層，對流層[1]O3僅占10%。低濃度的臭氧具有殺菌消毒作用，但在大氣中達到一定的濃度時就會造成環(huán)境污染。在2012年，我國新修訂的《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》首次將臭氧濃度納入空氣質(zhì)量評價體系，臭氧監(jiān)測也成為國家環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站的常規(guī)監(jiān)測項目之一 [2]。目前在國際上最流行的物理檢測方法是紫外吸收法。它是利用臭氧對253.7 nm波長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，只要選擇合適長度的吸收池，就可以檢測臭氧，且線形在4～5個數(shù)量級內(nèi)都很好。該方法已被我國作為環(huán)境空氣中測定臭氧的標準方法[2?3]。

同時，為了對臭氧分析儀進行檢驗標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。一般可通過無聲放電、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、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，通過控制汞燈照射強度以及介質(zhì)氣體流量調(diào)節(jié)臭氧產(chǎn)出量，其精度可控制在2 ppb。通過一級校準源的標準傳遞，該儀器可方便應(yīng)用于日常便攜臭氧分析儀檢驗。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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

O2+hν（<240 nm）→O+O，O+O2=O3

同時，O3分子對254 nm波長的紫外光有強烈的吸收，其公式如下[4]：

O3+hν→O+O2

因此產(chǎn)生的臭氧等級取決于以下幾個因素：185 nm的紫外輻射強度，254 nm的紫外輻射強度，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。在實際應(yīng)用中，反應(yīng)室大小是固定的且單次使用時介質(zhì)氣體也固定，本文主要介紹通過改變紫外燈照射強度，以及改變氣體流量來控制臭氧的生成濃度。其主要結(jié)構(gòu)見圖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后進入設(shè)備。為防止水汽進入影響臭氧生成效率，內(nèi)置了硅膠干燥管，而后進入可控的質(zhì)量流量計輸出穩(wěn)定的流量，再進入一個帶有恒溫裝置的臭氧反應(yīng)腔。在輸出時預(yù)置一個排空口，防止高壓氣體直接壓入后端設(shè)備造成破壞。

臭氧具有很強的氧化性，鋅鋁等金屬接觸后會被強烈氧化，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的硅橡膠等材料。本文所設(shè)計的反應(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

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

汞燈電源是整個系統(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芯片對可變的直流電源逆變方式輸出高壓交流電對汞燈供電，工作頻率設(shè)計為25 kHz，同時在反應(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

TL494是美國德州儀器公司生產(chǎn)的電流控制型脈寬調(diào)制芯片，其主要應(yīng)用于開關(guān)電源設(shè)計。該芯片功能強大，工作頻率高，使用較少外圍器件即可實現(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個振蕩器、2個比較器、2個誤差放大器、1個觸發(fā)器、雙與門和雙或非門、1個5 V基準電源、2個NPN輸出晶體管等組成。

電源電路設(shè)計如圖3所示，采用推挽逆變電路（腳13與腳14相連），其結(jié)構(gòu)簡單、變壓器磁芯利用率高，尤其適用于本文中小功率場合[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 的兩個輸入控制信號綜合比較后確定的。腳4為死區(qū)時間控制端，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工作燒壞電路。R7，C2中端接入腳4組成上電軟啟動電路，上電時電容C2兩端的電壓由0 V逐步升高，當C2兩端電壓達到5 V以上時，才允許IC內(nèi)部的脈寬調(diào)制電路開始工作。當電源斷電后，C2通過電阻R7放電，保證下次上電時的軟啟動電路正常工作，加大電阻或電容緩啟動時間變長。

誤差放大器1與升壓器功率管相連，起到過流保護作用。具體工作原理是：基準電壓5 V（腳14）通過R9，R11，R13分壓，使得腳2電壓保持在0.58 V；當流經(jīng)取樣電阻R17，R18（=0.5 Ω）的電流超過1.16 A時，腳1誤差放大器負端電壓超過0.58 V，此時誤差放大器開始工作，促使PWM減少占空比，進而減少流經(jīng)取樣電阻的電流，誤差放大器停止工作，達到平衡。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)室達到預(yù)置溫度后才開啟紫外燈電源。其中腳16為誤差放大器正端，同樣通過基準腳以及R9，R11，R13分壓，使得該腳電壓保持在3.5 V，腳15負端接到溫控模塊的反饋電壓上，當反饋電壓低于3.5 V時，TL494無輸出。

2.2 主變壓器的參數(shù)設(shè)計

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，比如縮小整個變壓器體積，在相同的匝數(shù)下減少繞線線長的使用，降低銅損，繞制方便等。設(shè)計變壓器原邊輸入為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

汞燈在工作時會散發(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)計一套恒溫裝置。本恒溫裝置的溫度信號與TL494的誤差放大器2聯(lián)用，使其反應(yīng)室在未到達設(shè)定溫度時關(guān)閉汞燈電源。設(shè)計反應(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1N4148開關(guān)管將PNP管的b，e極鉗位在1.4 V，正電源通過限流電阻R9流經(jīng)功率管的e，c極。Rt選用25 ℃時電阻為10 kΩ的負溫度系數(shù)熱敏電阻NTC，在本例中設(shè)定溫度在72 ℃時，其阻值大概為2 kΩ。

其工作原理是上電啟動后，功率管開始工作并升溫，熱敏電阻隨著溫度升高而阻值降低，使得運放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。當溫度降低，熱敏電阻阻值重新變大，又啟動功率管加熱輸出，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管表面溫度達到72 ℃時恒溫。

3 系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)加入單片機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，將上位機的控制數(shù)據(jù)發(fā)送到設(shè)備達到自動化控制目的。制作完成的樣機通以干空氣（21%O2/79%N2）6 L/min，輸出口接入美國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

臭氧發(fā)生器標定后可以作為傳遞標準使用， 可對其他臭氧分析儀進行濃度校驗。為了得到校準曲線，必須使用一級標準的臭氧校準，如美國熱電公司生產(chǎn)的49iPS。由于受光強、流量和環(huán)境溫度影響，此校準曲線僅能在一段時間內(nèi)準確。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)腔體改進中將加入253.7 nm的濾光片進行去除，使得產(chǎn)生的臭氧量更大。

參考文獻

[1] 唐孝炎，張遠航，邵敏.大氣環(huán)境化學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2006.

TANG Xiaoyan， ZHANG Yuanhang， SHAO Min. Atmospheric environmental chemistry [M]. Beijing： Higher Education Press， 2006.

[2] 中國環(huán)境保護部.環(huán)境空氣質(zhì)量標準：GB 3095—2012[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2012.

Ministry of Environmental Protection of China. Ambient air quality standards： GB 3095—2012 [S]. Beijing： China Environmental Science Press， 2012.

[3] 中國環(huán)境保護部.環(huán)境空氣臭氧的測定紫外光度法：HJ 590—2010[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2010.

Ministry of Environmental Protection of China. Ambient air?Determination of ozone?Ultraviolet photometric method： HJ 590—2010 [S]. Beijing： China Environmental Science Press， 2010.

[4] 錢易，唐孝炎.環(huán)境保護與可持續(xù)發(fā)展[M].北京：高等教育出版社，2000.

QIAN Yi， TANG Xiaoyan. Environmental protection and sustainable development [M]. Beijing： Higher Education Press， 2000.

[5] Jelight Company Inc. Low pressure double?bore UV lamps [EB/OL]. [2017?04?09]. http：//www.jelight.com/low?pressure?mercury?lamps/.

[6] Texas Instrument. TL494 pulse?width?modulation control circuits [EB/OL]. [2017?03?01]. http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/tl494.pdf.

[7] 閆亮，許宜申，陶智，等.基于TL494的微型車載逆變器設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（15）：164?166.

YAN Liang， XU Yishen， TAO Zhi， et al. Design of mini?vehicle inverter based on TL494 [J]. Modern electronics technique， 2012， 35（15）： 164?166.

[8] 周澤義，周鑫，趙玉祥.痕量臭氧標準氣體發(fā)生裝置的研制[J].化學(xué)分析計量，2010，19（3）：4?6.

ZHOU Zeyi， ZHOU Xin， ZHAO Yuxiang. New development for producing standard reference gas of trace ozone [J]. Chemical analysis and meterage， 2010， 19（3）： 4?6.

[9] Thermo Fisher Scientific Inc. Model 49i UV photometric O3 analyzer instruction manual [EB/OL]. [2017?09?25]. https：//assets.thermofisher.com/TFS?Assets/EPM/manuals/EPM?manual?Model%2049i.pdf.

[10] Thermo Fisher Scientific Inc. Model 146i dynamic gas calibrator instruction manual [EB/OL]. [2013?04?16]. https：//assets.thermofisher.com/TFS?Assets/LSG/manuals/EPM?manual?Model%20146i.pdf.