中心議題：
- 描述一種使用電化學(xué)傳感器的便攜式CO探測器
- 某些常見工業(yè)有毒氣體的接觸限值
- 使用電化學(xué)傳感器的便攜式氣體探測器介紹
解決方案：
- 可針對不同的氣體傳感器采用相同的結(jié)構(gòu)和材料
- 本電路使用P溝道MOSFET
安全第一！許多工業(yè)過程涉及到有毒化合物，例如：制造塑料、農(nóng)用化學(xué)品和醫(yī)藥產(chǎn)品會用到氯氣；生產(chǎn)半導(dǎo)體需要使用磷化氫和砷化氫；燃燒消費(fèi)類包裝材料會釋放出氰化氫。因此，了解有毒氣體濃度是否達(dá)到危險程度十分重要。
在美國，國家職業(yè)安全與健康研究所（NIOSH）和美國政府工業(yè)衛(wèi)生學(xué)家會議（ACGIH）已規(guī)定了許多有毒工業(yè)氣體的短時間和長時間接觸限值。"閾限值-時間加權(quán)平均值"（TLV-TWA）是指大多數(shù)工人可以在正常8小時工作日內(nèi)反復(fù)接觸而不會受到有害影響的時間加權(quán)平均濃度。"閾限值-短時間接觸限值"（TLV-STEL）是指大多數(shù)工人可以短時間接觸而不會受到刺激或傷害的濃度。"立即威脅生命或健康的濃度"（IDLHC）是一種限制性濃度，它會對生命立即或緩慢產(chǎn)生威脅，導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的健康損害，或者影響工人獨(dú)立逃生的能力。表1列出了幾種常見氣體的限值。
表1. 某些常見工業(yè)有毒氣體的接觸限值
對于檢測或測量有毒氣體濃度的儀器，電化學(xué)傳感器能夠提供多項優(yōu)勢。大多數(shù)傳感器都是針對特定氣體而設(shè)計，可用分辨率小于氣體濃度的百萬分之一（1 PPM），所需工作電流極小，非常適合便攜式電池供電的儀器。電化學(xué)傳感器的一個重要特性是響應(yīng)緩慢：首次上電后，傳感器可能需要數(shù)分鐘時間才能建立至最終輸出值；暴露于中間量程的氣體濃度時，傳感器可能需要25到40秒時間才能達(dá)到最終輸出值的90%.
本文描述一種使用電化學(xué)傳感器的便攜式一氧化碳（CO）探測器。一氧化碳的IDLH濃度遠(yuǎn)高于大多數(shù)其它有毒氣體，處理起來相對更安全。但一氧化碳仍然屬于致命性氣體，測試本文所述電路時應(yīng)極其小心并采取適當(dāng)?shù)耐L(fēng)措施。
圖1. CO-AX一氧化碳傳感器
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圖1所示為 Alphasense公司的CO-AX傳感器。表2是CO-AX傳感器技術(shù)規(guī)格摘要。
表2. CO-AX傳感器技術(shù)規(guī)格
對于這種應(yīng)用中的便攜式儀表，實現(xiàn)最長的電池壽命是最重要的目標(biāo)，因此，必須將功耗降到最低，這一點(diǎn)至關(guān)重要。在典型的低功耗系統(tǒng)中，測量電路上電后執(zhí)行一次測量，然后關(guān)斷進(jìn)入長時間待機(jī)狀態(tài)。然而，在這種應(yīng)用中，由于電化學(xué)傳感器的時間常數(shù)很長，測量電路必須始終保持上電狀態(tài)。幸運(yùn)的是，因為響應(yīng)緩慢，所以我們可以使用微功耗放大器、高值電阻和低頻濾波器，從而將約翰遜噪聲和1/f噪聲降至最低。此外，單電源供電可避免雙極性電源的功率浪費(fèi)現(xiàn)象。
圖2給出了該便攜式氣體探測器的電路。雙通道微功耗放大器 ADA4505-2在恒電位配置（U2-A）和跨導(dǎo)配置（U2-B）下使用。該放大器的功耗和輸入偏置電流非常低，對于恒電位部分和跨導(dǎo)部分都是很好的選擇。每個放大器的功耗僅10 μA,因此電池壽命非常長。
圖2. 使用電化學(xué)傳感器的便攜式氣體探測器
在三電極電化學(xué)傳感器中，目標(biāo)氣體擴(kuò)散到傳感器，通過一層薄膜后作用于工作電極（WE）。恒電位電路檢測參考電極（RE）的電壓，并向輔助電極（CE）提供電流，使RE端與WE端之間的電壓保持恒定。RE端沒有電流流進(jìn)或流出，因此流出CE端的電流流進(jìn)WE端，該電流與目標(biāo)氣體濃度成正比。流過WE端的電流可能是正值，也可能是負(fù)值，具體取決于傳感器中發(fā)生的是還原反應(yīng)還是氧化反應(yīng)。對于一氧化碳，發(fā)生氧化時，CE端電流為負(fù)值（電流流入恒電位運(yùn)算放大器的輸出端）。電阻R4通常非常小，因此WE端的電壓約等于VREF.
流入WE端的電流會導(dǎo)致U2-A的輸出端產(chǎn)生相對于WE端的負(fù)電壓。對于一氧化碳傳感器，此電壓通常為數(shù)百毫伏，但對于其它類型的傳感器，此電壓可能高達(dá)1 V.為采用單電源供電，微功耗基準(zhǔn)電壓源 ADR291（U1）將整個電路提升到地以上2.5 V.ADR291的功耗僅12 μA;它還能提供基準(zhǔn)電壓，以使模數(shù)轉(zhuǎn)換器可對此電路的輸出進(jìn)行數(shù)字化處理?！ ?br />
跨導(dǎo)放大器的輸出電壓為：
其中：
IWE 為流入WE端的電流?！ ?br />
Rf 為跨導(dǎo)電阻（在圖2中顯示為U4）?！ ?br />
傳感器的最大響應(yīng)為90 nA/ppm,如表2所示，其最大輸入范圍為2,000 ppm.因此，最大輸出電流為180 μA,最大輸出電壓由跨導(dǎo)電阻決定，如公式2所示?！?br />
針對不同氣體或來自不同制造商的傳感器具有不同的電流輸出范圍。如果U4使用可編程變阻器AD5271,而不是固定電阻，就可以針對不同的氣體傳感器采用相同的結(jié)構(gòu)和材料。此外，這樣的產(chǎn)品還支持調(diào)換傳感器，因為微控制器可以針對不同的氣體傳感器，將AD5271設(shè)置為適當(dāng)?shù)碾娮柚?。AD5271的溫度系數(shù)為5 ppm/°C,優(yōu)于大多數(shù)分立電阻；其電源電流為1 μA,對系統(tǒng)功耗的影響極小?！ ?br />
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采用5 V單電源供電時，根據(jù)公式1可知，跨導(dǎo)放大器U2-B的輸出范圍為2.5 V.如果將AD5271設(shè)置為12.5 kΩ，就可以利用傳感器最差靈敏度情況下的范圍，并能提供大約10%的超量程能力?！ ?br />
使用65 nA/ppm的典型傳感器響應(yīng)，可以通過下式將輸出電壓轉(zhuǎn)換為一氧化碳的ppm:
采用差分輸入ADC時，只需將2.5 V基準(zhǔn)電壓輸出端連接到ADC的AIN-端，從而消除公式3中的2.5 V項?！ ?br />
電阻R4使跨導(dǎo)放大器的噪聲增益保持在合理水平。R4的值需權(quán)衡兩個因素：噪聲增益的幅度和暴露于高濃度氣體時傳感器的建立時間誤差。對于本電路，R4 = 33 Ω，由此可計算噪聲增益等于380,如公式4所示。
跨導(dǎo)放大器的輸入噪聲應(yīng)乘以此增益。ADA4505-2的0.1 Hz至10 Hz輸入電壓噪聲為2.95 μV p-p,因此輸出端的噪聲為：
該輸出噪聲相當(dāng)于1.3 ppm p-p以上的氣體濃度，這種低頻噪聲難以濾除。幸好傳感器響應(yīng)非常慢，因此由R5和C6構(gòu)成的低通濾波器可以具有0.16 Hz的截止頻率。此濾波器的時間常數(shù)為1秒，與傳感器的30秒響應(yīng)時間相比可忽略不計。
Q1為P溝道JFET.電路啟動時，柵極電壓為VCC,晶體管斷開。系統(tǒng)關(guān)斷時，柵極電壓降至0 V,JFET開啟，使RE端和WE端保持相同的電位。當(dāng)電路再次啟動時，這可以大大改善傳感器的開啟建立時間?！ ?br />
該電路由兩節(jié)AAA電池供電。使用二極管提供反向電壓保護(hù)會浪費(fèi)寶貴的電能，因此本電路使用P溝道MOSFET （Q2）。該MOSFET通過阻塞反向電壓來保護(hù)電路，施加正電壓時導(dǎo)通。MOSFET的導(dǎo)通電阻小于100 mΩ，因此它引起的壓降遠(yuǎn)小于二極管。除AAA電池以外，降壓-升壓調(diào)節(jié)器ADP2503還允許使用最高5.5 V的外部電源。在省電模式下工作時，ADP2503的功耗僅38 μA.由L2、C12和C13構(gòu)成的濾波器可消除模擬電源軌產(chǎn)生的任何開關(guān)噪聲。連接外部電源時，該儀表不是通過一個電路來斷開電池，而是利用一個插孔以機(jī)械方式斷開電池，從而避免電能浪費(fèi)?！ ?br />
使用AAA電池時，正常情況（未檢測到氣體）下的總功耗約為100 μA,最差情況（檢測到2,000 ppm CO）下的總功耗約為428 μA.如果該儀表與一個微控制器相連，在不進(jìn)行測量時可進(jìn)入低功耗待機(jī)模式，則電池壽命可達(dá)1年以上。
