“十面霾伏”,ADI專(zhuān)家解讀氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)趨勢(shì)和解決方案 - 全文

　　電子發(fā)燒友網(wǎng)訊：近段時(shí)間，全國(guó)各地集中出現(xiàn)霧霾天氣，PM2.5爆表，口罩脫銷(xiāo)，空氣嚴(yán)重污染……一度成為網(wǎng)絡(luò)的熱門(mén)關(guān)鍵詞。一時(shí)之間，環(huán)境監(jiān)測(cè)相關(guān)設(shè)備備受關(guān)注。日前，在一場(chǎng)由易維訊信息咨詢(xún)公司主辦的“2013產(chǎn)業(yè)和技術(shù)展望媒體研討會(huì)”上，ADI公司亞太區(qū)儀表行業(yè)市場(chǎng)經(jīng)理葉裕民（Brian）先生做了題為“環(huán)境監(jiān)測(cè)中氣體監(jiān)測(cè)的技術(shù)以及發(fā)展趨勢(shì)”的演講，這在眼下灰霾圍城的敏感時(shí)期，引發(fā)了在場(chǎng)各媒體及嘉賓的高度關(guān)注。

　　Brian指出，最近變得非常熱門(mén)的空氣污染防治，主要是顆粒物PM （Particulate Matter） 監(jiān)測(cè)。PM2.5是特指直徑小于或等于2.5微米的顆粒物，不易被阻擋，被吸入人體后會(huì)直接進(jìn)入支氣管，干擾肺部的氣體交換，引發(fā)包括哮喘、支氣管炎和心血管病等方面的疾病。PM2.5是嚴(yán)重危害人體健康的污染物已經(jīng)被科學(xué)證實(shí)，新的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》頒布后， 至2012年9月，已有195個(gè)站點(diǎn)完成PM2.5儀器安裝調(diào)試并試運(yùn)行，有138個(gè)站點(diǎn)開(kāi)始正式PM2.5監(jiān)測(cè)并發(fā)布數(shù)據(jù)。

　　圖1.ADI公司亞太區(qū)儀表行業(yè)市場(chǎng)經(jīng)理葉裕民在“2013產(chǎn)業(yè)和技術(shù)展望媒體研討會(huì)”上分析氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)趨勢(shì)

?

　　前段時(shí)間全國(guó)各地PM2.5“爆表門(mén)”事件發(fā)生后，對(duì)該行業(yè)來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一股猛烈的催化劑，將快速幫助該市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)從試點(diǎn)到規(guī)模應(yīng)用的轉(zhuǎn)變。根據(jù)“十二五”規(guī)劃，全國(guó)將建設(shè)1500個(gè)PM2.5監(jiān)測(cè)站點(diǎn)。僅此一項(xiàng)，將產(chǎn)生20億元以上空氣監(jiān)測(cè)儀器采購(gòu)市場(chǎng)，預(yù)計(jì)在近兩年內(nèi)，僅該市場(chǎng)相關(guān)監(jiān)測(cè)儀器市場(chǎng)規(guī)模將遠(yuǎn)超百億元。

　　Brian還強(qiáng)調(diào)，其實(shí)氣體監(jiān)測(cè)器除了用于空氣污染防治，還有另一大重要應(yīng)用就是工業(yè)安全領(lǐng)域。許多工業(yè)過(guò)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(huì)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(lèi)包裝材料會(huì)釋放出氰化氫。因此，了解有毒氣體濃度是否達(dá)到危險(xiǎn)程度十分重要。

　　為符合人體對(duì)有毒氣體的暴露劑量限制， 氣體監(jiān)測(cè)器需要檢測(cè)出ppm（百萬(wàn)分之一）等級(jí)濃度的有毒氣體， 如一氧化碳。為此，安全法規(guī)要求危險(xiǎn)工作場(chǎng)所， 像是煤礦、化學(xué)工廠等， 必須在一定空間內(nèi)裝置有毒氣體與易爆氣體監(jiān)測(cè)器；而便攜式氣體檢測(cè)器則可佩帶在工人的服裝上，隨時(shí)隨地提供危險(xiǎn)警報(bào)。

　　圖2：包括氣體監(jiān)測(cè)在內(nèi)的各種環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備市場(chǎng)高速成長(zhǎng)，發(fā)展趨勢(shì)包括：便攜式（低功耗）、高可靠、易用、多功能等。

　　Brian指出：“環(huán)境監(jiān)測(cè)是一個(gè)高成長(zhǎng)的市場(chǎng)，因?yàn)榇蠹叶紝?duì)身處的環(huán)境和危害身體健康、生命安全的部分越來(lái)越重視。在氣體監(jiān)測(cè)儀器產(chǎn)品方面，很多中國(guó)儀器儀表中小企業(yè)產(chǎn)品賣(mài)得不錯(cuò)，目前是一個(gè)百家爭(zhēng)鳴的狀況。”

　　氣體監(jiān)測(cè)儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)分析

　　圖3所示這種毒氣監(jiān)測(cè)器系統(tǒng)可以讓工人隨身攜帶，也可每隔一定距離安裝在工作現(xiàn)場(chǎng)。多數(shù)便攜式低功耗有毒氣體檢測(cè)器都是以電化學(xué)傳感器為基礎(chǔ)的，涵蓋工業(yè)環(huán)境中的多數(shù)常見(jiàn)氣體，比如一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）、硫化氫（H2S）、和二氧化氮（NO2）。與其他有毒氣體監(jiān)測(cè)方法相比，電化學(xué)傳感器具有功耗低、交叉靈敏度低、長(zhǎng)期穩(wěn)定性出色等特點(diǎn)，非常適合電池供電的便攜式應(yīng)用。

　　圖3. 一種毒氣監(jiān)測(cè)器的系統(tǒng)框圖，其中包括氣體傳感器、恒壓電路、I/V電路（電流-電壓轉(zhuǎn)換）、微控制器、供電電路、接口和報(bào)警單元。

　　對(duì)于圖3中的電化學(xué)傳感器，工作電極（WE）檢測(cè)有毒氣體，并根據(jù)氣體濃度按比例產(chǎn)生電流，參考電極（RE）使工作電極的電壓保持穩(wěn)定，以便傳感器工作于線(xiàn)性范圍之內(nèi)，輔助電極（CE）可以使WE節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生的電流達(dá)到平衡。恒電位電路保持RE節(jié)點(diǎn)電壓，并提供CE節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的電流。I/V電路把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)傳送至ADC（無(wú)論是集成在MCU中還是分立式）。包括LCD和鍵陣列在內(nèi)的人機(jī)接口用于系統(tǒng)設(shè)置和顯示。LED、蜂鳴器和振動(dòng)電機(jī)有助于提高警報(bào)的可靠性。

　　“氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)的瓶頸在于氣體傳感器本身。因?yàn)闅怏w傳感器技術(shù)上的限制，就使得可以輸入的信號(hào)比較微弱。很多放大器可能會(huì)有誤差，這就可能會(huì)對(duì)偏置電流造成問(wèn)題。如果本身器件的噪聲誤差已經(jīng)大于傳感器感測(cè)到的信號(hào)，那么測(cè)量的結(jié)果一定是不準(zhǔn)的?！?/p>

　　Brian進(jìn)一步指出：“如檢測(cè)PM2.5時(shí)可能會(huì)用光的方式，即光電二極管也會(huì)產(chǎn)生非常小的電流，還有它本身的功耗。而我們一旦安置了氣體監(jiān)測(cè)儀器之后，通常希望能夠長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定，且不需要經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)就能夠長(zhǎng)時(shí)間使用，所以氣體監(jiān)測(cè)儀器的功耗和可靠度要很好。低功耗、高可靠性、降低噪聲是氣體監(jiān)測(cè)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)所面臨的主要挑戰(zhàn)?！?/p>

　　1、 低功耗——由于有毒氣體檢測(cè)需要在盡可能無(wú)需維護(hù)的情況下持續(xù)地對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控。因而，盡量延長(zhǎng)電池壽命對(duì)這種應(yīng)用來(lái)說(shuō)是非常重要的。由于電化學(xué)氣體傳感器只需極少電流即可工作，因此剩下的信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)傳輸電路在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

　　2、 高可靠性——在某些工業(yè)環(huán)境中，人的生命依賴(lài)于有毒氣體檢測(cè)器，為此這些檢測(cè)器需要高度可靠。高精度、抗干擾能力以及出色的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，這些都是設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮的重要因素。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，就需要精確、強(qiáng)健、低漂移的信號(hào)鏈。

　　3、 降低噪聲——為了充分發(fā)揮電化學(xué)傳感器的動(dòng)態(tài)范圍的優(yōu)勢(shì)，在設(shè)計(jì)信號(hào)鏈時(shí)需要考慮降噪問(wèn)題。

　　高分辨率、低噪聲、低功耗的ADI氣體監(jiān)測(cè)最新方案

　　針對(duì)以上客戶(hù)在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中所遇到的挑戰(zhàn)，ADI提供了完整多樣的信號(hào)鏈器件、最新的實(shí)驗(yàn)室電路原理圖、物料清單和演示電路板，幫助客戶(hù)能夠以最快時(shí)間完成自己產(chǎn)品的設(shè)計(jì)并快速推向市場(chǎng)。相比較其他廠商的單片集成方案，ADI的分立方案帶來(lái)了設(shè)計(jì)靈活的天然優(yōu)勢(shì)。在一些干擾較大的工作環(huán)境，其方案的靈活性還可以方便客戶(hù)完成抗干擾的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

　　以一個(gè)ADI已經(jīng)可以提供給客戶(hù)的實(shí)驗(yàn)室電路CN0234——“使用電化學(xué)傳感器的單電源、微功耗有毒氣體探測(cè)器”（http://www.analog.com/zh/circuits-from-the-lab/CN0234/vc.html）為例：

　　1.低功耗——正常條件下，實(shí)驗(yàn)室電路中的ADI放大器、dc-to-dc轉(zhuǎn)換器和基準(zhǔn)電壓源需要消耗大約100μA的電流。單電源工作模式可以避免雙極電源的功耗浪費(fèi)問(wèn)題。

　　2.高可靠性——ADI致力于提供精確、低漂移的信號(hào)鏈產(chǎn)品，如放大器、基準(zhǔn)電壓源和ADC等，以幫助設(shè)計(jì)師構(gòu)造出精確、穩(wěn)定的系統(tǒng)。相應(yīng)的產(chǎn)品列于下面的主產(chǎn)品表中。另外，運(yùn)算放大器反饋回路上RC （R1、R2、C1、C2）濾波器、串聯(lián)電阻Rs和反饋電容Cf將使系統(tǒng)保持穩(wěn)定，以抵消氣體傳感器極大的電容（mF量級(jí)）帶來(lái)的影響。

　　3.降低噪聲——由于受傳感器限制的慢速響應(yīng)（約30秒），ADC之前的RC （R3、C3）濾波器的截止頻率可以設(shè)為極低水平很低。不但可以降低系統(tǒng)的白噪聲，而且也可降低1/f噪聲，從而優(yōu)化系統(tǒng)分辨率。關(guān)于ADC分辨率，ADI提供多種選擇，例如分立式16位ADC和集成在MCU里的12位ADC。

　　CN0234實(shí)驗(yàn)室電路的放大器是采用雙通道微功耗放大器ADA4505-2，具有軌對(duì)軌輸入與輸出擺幅，采用1.8 V～5 V單電源或±0.9 V～±2.5 V雙電源供電。這款低成本放大器采用最新的電路技術(shù)，具有零輸入交越失真，出眾的PSRR與CMRR性能以及極低的偏置電流，工作時(shí)每個(gè)放大器的電源電流不到10μA。

　　該電路采用ADP2503 高效率、低靜態(tài)電流開(kāi)關(guān)電源升降壓轉(zhuǎn)換器，支持兩節(jié)AAA電池的單電源供電，在節(jié)能模式下的功耗僅為38 μA。芯片內(nèi)部的高開(kāi)關(guān)頻率讓外部器件最小化，對(duì)小尺寸手持設(shè)備設(shè)計(jì)有很大幫助。因?yàn)橥獠坑胁煌碾娫?，例如?a target="_blank">鋰電池、堿性電池、鎳氫電池、PCMCIA和USB等標(biāo)準(zhǔn)輸入電源，針對(duì)不同的電壓，ADP2503/4都可以提供升降壓功能。ADP2503的輸入電壓可以從2.3V到5.5V。ADP2503有固定輸出版本和可調(diào)輸出來(lái)兩個(gè)選擇，內(nèi)部的補(bǔ)償也減少了外部器件的數(shù)量。

　　AD7790為適合低頻測(cè)量應(yīng)用的低功耗、完整模擬前端ADC （內(nèi)置片內(nèi)儀表放大器），主要優(yōu)勢(shì)是微小功耗、微小封裝、高分辨率、可通過(guò)軟件編程輸出數(shù)據(jù)速率。其典型功耗不到100 μA。AD7790在默認(rèn)輸出數(shù)據(jù)速率為16.6 Hz時(shí)具有16位峰－峰值分辨率。AD7790采用內(nèi)部時(shí)鐘工作，因此用戶(hù)不必為其提供時(shí)鐘源。輸出數(shù)據(jù)速率可通過(guò)軟件編程設(shè)置，可在9.5 Hz至120 Hz的范圍內(nèi)變化。

　　圖4.ADI氣體檢測(cè)演示系統(tǒng)

　　過(guò)往成功案例

　　“低功耗、長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定度、高分辨率（靈敏度）、設(shè)計(jì)彈性與高性?xún)r(jià)比是ADI產(chǎn)品的主要優(yōu)勢(shì)。ADI還對(duì)氣體監(jiān)測(cè)器客戶(hù)提供從構(gòu)想、選型、設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的完整解決方案手冊(cè)；參考設(shè)計(jì)評(píng)估板；深入的技術(shù)文章及高性?xún)r(jià)比的產(chǎn)品；另外，客戶(hù)還可依據(jù)個(gè)別需求設(shè)計(jì)出優(yōu)化產(chǎn)品。” Brian表示。

　　他還和與會(huì)媒體分享了ADI器件曾在氣體監(jiān)測(cè)應(yīng)用方面的三個(gè)成功案例：

　　成功案例一（ADP7102/7104）：低噪聲、低壓差300mA/500mA線(xiàn)性電壓調(diào)節(jié)器（LDO）。

　　氣體檢測(cè)特別是對(duì)有毒氣體的檢測(cè)，經(jīng)常會(huì)用在如煤礦、油井等這種特殊的危險(xiǎn)場(chǎng)所，這樣的使用環(huán)境對(duì)氣體檢測(cè)儀器的可靠度要求極高，對(duì)儀器的誤判要求零容忍。所以用在其中的LDO必須低噪聲（ADP7102噪聲僅為15μV rms（固定輸出型））以提高系統(tǒng)分辨率，高電源抑制（PSRR：60 dB （10 kHz，VOUT = 3.3 V））。

　　其次，在極低噪聲的情況下，以前的電源方案通常需要一個(gè)非常大的外部電容，而這在煤礦防爆需求中是不被允許的。ADP7102/7104僅需一個(gè)1μF（相當(dāng)于原來(lái)1/10的電容）小型陶瓷輸出電容，便可實(shí)現(xiàn)出色的線(xiàn)路與負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)性能，這在煤礦防爆需求中特別重要；

　　ADP7102/7104在氣體檢測(cè)方面的另外一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是其寬輸入電壓范圍（3.3 V至20 V）可容許輸入電壓變動(dòng)與長(zhǎng)距離電源線(xiàn)的電壓耗損。

　　成功案例二（ADuCM360/361）：集成低功耗ARM CORTEX M3和Σ-Δ型ADC的低功耗精密模擬微控制器。其在氣體檢測(cè)儀器上的主要優(yōu)勢(shì)包括：1、采用低功耗的標(biāo)準(zhǔn)ARM Cortex M3核心；2、高集成度；3、高分辨率ADC。

　　ADuCM360/ADuCM361專(zhuān)為要求低功耗工作的電池供電應(yīng)用而設(shè)計(jì)。微控制器內(nèi)核可配置為普通工作模式，功耗290 μA/MHz（包括flash/ SRAM IDD）。在兩個(gè)ADC均打開(kāi)（輸入緩沖器關(guān)閉）、PGA增益為4、一個(gè)SPI端口打開(kāi)和所有定時(shí)器均打開(kāi)時(shí)，系統(tǒng)總電流消耗可以達(dá)到1 mA。

　　ADuCM360/ADuCM361通過(guò)直接編程控制可配置為許多低功耗工作模式，包括休眠模式（內(nèi)部喚醒定時(shí)器有效），此時(shí)能耗僅為4 μA。在休眠模式下，諸如外部中斷或內(nèi)部喚醒定時(shí)器等外設(shè)可以喚醒該器件。該模式可讓器件在功耗極低的情況下運(yùn)行，同時(shí)仍然響應(yīng)外部異步或周期事件。

　　成功案例三（AD5410/5420/5421）：ADI常用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)儀表的串行輸入、4~20毫安電流輸出DAC。當(dāng)時(shí)客戶(hù)應(yīng)用中需要一個(gè)4-20毫安的電流輸出DAC。而ADI的這個(gè)產(chǎn)品就是把高分辨率的DAC和4-20毫安的電流輸出結(jié)合起來(lái)。其在氣體檢測(cè)儀器上的主要優(yōu)勢(shì)為：高集成度；高分辨率；多種選擇（12位DAC、16位DAC、環(huán)路供電）。例如有些客戶(hù)需要低功耗，就可以選用環(huán)路供電，ADI也提供了專(zhuān)門(mén)為環(huán)路供電所設(shè)計(jì)的4-20毫安通信接口的DAC。