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(jiàn)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構和材料
• 本電路使用P溝道MOSFET

安全第一！許多工業(yè)過(guò)程涉及到有毒化合物，例如：制造塑料、農用化學(xué)品和醫藥產(chǎn)品會(huì )用到氯氣；生產(chǎn)半導體需要使用磷化氫和砷化氫；燃燒消費類(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到危險程度十分重要?！　?br />
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)衛生學(xué)家會(huì )議（ACGIH）已規定了許多有毒工業(yè)氣體的短時(shí)間和長(cháng)時(shí)間接觸限值。"閾限值-時(shí)間加權平均值"（TLV-TWA）是指大多數工人可以在正常8小時(shí)工作日內反復接觸而不會(huì )受到有害影響的時(shí)間加權平均濃度。"閾限值-短時(shí)間接觸限值"（TLV-STEL）是指大多數工人可以短時(shí)間接觸而不會(huì )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(huì )對生命立即或緩慢產(chǎn)生威脅，導致不可逆轉的健康損害，或者影響工人獨立逃生的能力。表1列出了幾種常見(jiàn)氣體的限值。
 

表1. 某些常見(jiàn)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。大多數傳感器都是針對特定氣體而設計，可用分辨率小于氣體濃度的百萬(wàn)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(gè)重要特性是響應緩慢：首次上電后，傳感器可能需要數分鐘時(shí)間才能建立至最終輸出值；暴露于中間量程的氣體濃度時(shí)，傳感器可能需要25到40秒時(shí)間才能達到最終輸出值的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濃度遠高于大多數其它有毒氣體，處理起來(lái)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(shí)應極其小心并采取適當的通風(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)規格摘要。
 

表2. CO-AX傳感器技術(shù)規格　　

 

對于這種應用中的便攜式儀表，實(shí)現最長(cháng)的電池壽命是最重要的目標，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中，測量電路上電后執行一次測量，然后關(guān)斷進(jìn)入長(cháng)時(shí)間待機狀態(tài)。然而，在這種應用中，由于電化學(xué)傳感器的時(shí)間常數很長(cháng)，測量電路必須始終保持上電狀態(tài)。幸運的是，因為響應緩慢，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現象。

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部分都是很好的選擇。每個(gè)放大器的功耗僅10 μA,因此電池壽命非常長(cháng)。
 

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，目標氣體擴散到傳感器，通過(guò)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(méi)有電流流進(jìn)或流出，因此流出CE端的電流流進(jìn)WE端，該電流與目標氣體濃度成正比。流過(guò)WE端的電流可能是正值，也可能是負值，具體取決于傳感器中發(fā)生的是還原反應還是氧化反應。對于一氧化碳，發(fā)生氧化時(shí)，CE端電流為負值（電流流入恒電位運算放大器的輸出端）。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(huì )導致U2-A的輸出端產(chǎn)生相對于WE端的負電壓。對于一氧化碳傳感器，此電壓通常為數百毫伏，但對于其它類(lèi)型的傳感器，此電壓可能高達1 V.為采用單電源供電，微功耗基準電壓源 ADR291（U1）將整個(gè)電路提升到地以上2.5 V.ADR291的功耗僅12 μA;它還能提供基準電壓，以使模數轉換器可對此電路的輸出進(jìn)行數字化處理?！　?br />
跨導放大器的輸出電壓為：　　

其中：　　

IWE 為流入WE端的電流?！　?br />
Rf 為跨導電阻（在圖2中顯示為U4）?！　?br />
傳感器的最大響應為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電阻決定，如公式2所示?！?br />
針對不同氣體或來(lái)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構和材料。此外，這樣的產(chǎn)品還支持調換傳感器，因為微控制器可以針對不同的氣體傳感器，將AD5271設置為適當的電阻值。AD5271的溫度系數為5 ppm/°C,優(yōu)于大多數分立電阻；其電源電流為1 μA,對系統功耗的影響極小?！　?br /> [page]
采用5 V單電源供電時(shí)，根據公式1可知，跨導放大器U2-B的輸出范圍為2.5 V.如果將AD5271設置為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，可以通過(guò)下式將輸出電壓轉換為一氧化碳的ppm:　　

采用差分輸入ADC時(shí)，只需將2.5 V基準電壓輸出端連接到ADC的AIN-端，從而消除公式3中的2.5 V項?！　?br />
電阻R4使跨導放大器的噪聲增益保持在合理水平。R4的值需權衡兩個(gè)因素：噪聲增益的幅度和暴露于高濃度氣體時(shí)傳感器的建立時(shí)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。

跨導放大器的輸入噪聲應乘以此增益。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。幸好傳感器響應非常慢，因此由R5和C6構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(shí)間常數為1秒，與傳感器的30秒響應時(shí)間相比可忽略不計?！　?br />
Q1為P溝道JFET.電路啟動(dòng)時(shí)，柵極電壓為VCC,晶體管斷開(kāi)。系統關(guān)斷時(shí)，柵極電壓降至0 V,JFET開(kāi)啟，使RE端和WE端保持相同的電位。當電路再次啟動(dòng)時(shí)，這可以大大改善傳感器的開(kāi)啟建立時(shí)間?！　?br />
該電路由兩節AAA電池供電。使用二極管提供反向電壓保護會(huì )浪費寶貴的電能，因此本電路使用P溝道MOSFET （Q2）。該MOSFET通過(guò)阻塞反向電壓來(lái)保護電路，施加正電壓時(shí)導通。MOSFET的導通電阻小于100 mΩ，因此它引起的壓降遠小于二極管。除AAA電池以外，降壓-升壓調節器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(shí)，ADP2503的功耗僅38 μA.由L2、C12和C13構成的濾波器可消除模擬電源軌產(chǎn)生的任何開(kāi)關(guān)噪聲。連接外部電源時(shí)，該儀表不是通過(guò)一個(gè)電路來(lái)斷開(kāi)電池，而是利用一個(gè)插孔以機械方式斷開(kāi)電池，從而避免電能浪費?！　?br />
使用AAA電池時(shí)，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(gè)微控制器相連，在不進(jìn)行測量時(shí)可進(jìn)入低功耗待機模式，則電池壽命可達1年以上。