【導讀】本文概述了用于環(huán)境質(zhì)量監測的氣相色譜傳感器系統的工作原理及其關(guān)鍵組件。文中將介紹氣相色譜法如何精確地分析與水和土壤污染相關(guān)的化合物，探討氣相色譜系統的主要組成部分，包括進(jìn)氣口、溫度控制裝置、檢測器和電源子系統。此外，我們還將提供低噪聲放大器、模數轉換器(ADC)、基準電壓和電源管理IC方面的建議，以實(shí)現高精度的測量。
摘要
本文概述了用于環(huán)境質(zhì)量監測的氣相色譜傳感器系統的工作原理及其關(guān)鍵組件。文中將介紹氣相色譜法如何精確地分析與水和土壤污染相關(guān)的化合物，探討氣相色譜系統的主要組成部分，包括進(jìn)氣口、溫度控制裝置、檢測器和電源子系統。此外，我們還將提供低噪聲放大器、模數轉換器(ADC)、基準電壓和電源管理IC方面的建議，以實(shí)現高精度的測量。
簡(jiǎn)介
廢氣監測在環(huán)境保護中扮演著(zhù)至關(guān)重要的角色。隨著(zhù)工業(yè)廢棄物的增加，一些揮發(fā)性有機化合物不斷釋放到空氣中，嚴重影響自然環(huán)境和人類(lèi)健康。
因此，環(huán)境監測已成為公眾關(guān)注的焦點(diǎn)，旨在減少這些有害排放。然而，傳統的傳感器系統在速度和準確性方面無(wú)法滿(mǎn)足當前的需求。更為嚴峻的挑戰是，環(huán)境監測系統亟需進(jìn)一步提升，以應對日益增長(cháng)的高精度要求。
本文概述了新興氣相色譜技術(shù)以及可用的解決方案。
氣相色譜基本理論
圖1.氣相色譜系統示意圖。
氣相色譜系統主要由進(jìn)氣系統、自動(dòng)采樣器系統、分離系統、控制系統、檢測器系統和數據處理組成。圖1所示為氣相色譜法的功能框圖。
氣相色譜法的載氣為流動(dòng)相，受測樣本為指定固定相，包括固體和液體混合物。隨著(zhù)載氣的流動(dòng)，固定相分離并依次流出色譜柱，隨后進(jìn)入檢測器，產(chǎn)生離子流信號。通過(guò)在記錄儀上放大到適當的振幅，這些小信號反映到色譜圖的不同部分。圖2所示為從混合物分離成兩個(gè)單獨樣本的過(guò)程。綠色和紫色代表兩個(gè)不同的樣本，藍色代表混合物。
圖2.分離的過(guò)程。
氣相色譜系統解決方案
在圖1的基礎上，ADI公司提供可適用于氣相色譜信號與電源鏈的各種組件。這些組件能夠很好地滿(mǎn)足系統要求，并針對低功耗和噪聲性能進(jìn)行了優(yōu)化。
進(jìn)氣系統
為了控制載氣準確流經(jīng)檢測器系統以分離混合物，高精度必不可少，這一點(diǎn)可通過(guò)使用氣體傳感器來(lái)實(shí)現。氣體傳感器的輸出多種多樣，比如電流信號、4-20mA環(huán)路信號、電壓信號等。圖3所示為進(jìn)氣系統的信號鏈。
圖3.進(jìn)氣系統的信號鏈。
?電流信號：ADA4530-1是一款飛安級輸入偏置電流運算放大器，適合用作I/V（電流到電壓）轉換，同時(shí)提供超低輸入偏置電流（飛安級），確保器件達到系統的精確性能目標。該器件還具有低失調電壓、低失調漂移、低電壓噪聲和電流噪聲特性，適合要求極低漏電流的應用。
圖4.ADA4530-1數據手冊。
將電流信號轉換為電壓信號后，使用AD7175（24位、8/16通道、250 kSPS、Σ-Δ型ADC）可獲得準確的結果。AD7175是一款低噪聲、快速建立、多路復用、8/16通道（全差分/偽差分）Σ-Δ型ADC，可用于低帶寬輸入。
?4-20mA信號采樣：若要對通過(guò)4-20mA信號傳輸的空氣傳感器輸出進(jìn)行采樣，AD4111 ADC是理想選擇，因為它集成了用于電流和電壓采樣的檢測電阻，因此具有良好的通道匹配。該器件是一款低功耗、低噪聲、24位Σ-Δ型ADC，它集成了一個(gè)模擬前端(AFE)，支持全差分或單端高阻抗(≥1 MΩ)雙極性±10 V電壓輸入和0 mA至20 mA電流輸入。該ADC還集成了關(guān)鍵的模擬和數字信號調理模塊，可為使用的每個(gè)模擬輸入通道配置八種單獨的設置。對于完全建立的數據，AD4114的最大通道掃描速率為6.21 kSPS (161 μs)。該器件還有獨特的電壓輸入開(kāi)路檢測功能，支持采用5 V或3.3 V單電源的系統級診斷。
?電壓信號：如果選擇具有高分辨率的外部ADC，ADR4xxx系列（即ADR4525/ADR4530）可為該ADC提供高精度基準電壓?；蛘?，一種低成本的方案是使用微控制器單元(MCU)的內部ADC進(jìn)行采樣，但這可能會(huì )犧牲測量精度。
溫度控制系統
溫度由閉環(huán)系統控制：LT1241用于驅動(dòng)以脈寬調制(PWM)作為熱電冷卻器(TEC)電路的MOSFET橋，從而控制熱冷卻器，而電阻溫度檢測器(RTD)回讀溫度，并連接到具有超低噪聲、超低功耗的Σ-Δ型ADC AD7124。AD7124適用于溫度測量應用。為了提高溫度采集精度，該器件可支持2線(xiàn)式熱電偶，并針對3線(xiàn)式RTD配置進(jìn)行了優(yōu)化，以滿(mǎn)足不同客戶(hù)的期望。
此外，提供集成了TEC控制器的ADN8835。圖5所示為溫度控制系統示意圖。
圖5.溫度控制系統的信號鏈。
檢測器系統
檢測器系統是最后一級，用于描述色譜圖。流量和壓力傳感器用于監測載氣的流動(dòng)，它們具有不同的采樣要求，故而選擇具有多通道的AD7124和LTC2498。
圖6.檢測器系統的信號鏈。
進(jìn)入檢測器的離子電流信號通常為皮安級，ADA4530-1用作靜電計放大器，不僅具有低輸入偏置電流，還提供低噪聲和低失調特性。ADA4530-1也是一款具有2 MHz增益帶寬積的運算放大器，由于信號帶寬通常不到幾kHz，因此增益的反饋電阻可能會(huì )非常高。級聯(lián)的ADA4522-2器件采用具有超低噪聲、超低溫漂的放大器作為第二級放大器，為ADC輸入量程實(shí)現足夠的增益。ADA4522-2提供具有低噪聲、低功耗、接地檢測輸入和軌到軌輸出的零漂運算放大器，并針對隨時(shí)間、溫度和電壓條件變化的總精度進(jìn)行了優(yōu)化。
電源
系統電源來(lái)源于24 VDC，并連接到降壓轉換器，以便為放大器、ADC、處理器等電路提供電源。
LT8471和LTM4655是具有正電壓和負電壓的雙輸出。LTM4655的信號鏈包含控制器、功率MOSFET、電感和濾波器，旨在降低設計復雜性，同時(shí)提供高EMI抗擾度。
圖7.系統的電源鏈。
結論
氣相色譜法在監測污染物方面發(fā)揮著(zhù)重要作用，幫助保護我們的環(huán)境。此外，該技術(shù)有潛力、也有能力集成到液相色譜等其他技術(shù)中，從而測量和監測更多物質(zhì)。為了解決現在和未來(lái)可能出現的需求，ADI提供廣泛的低噪聲和高精度解決方案來(lái)滿(mǎn)足客戶(hù)要求并簡(jiǎn)化系統設計。
水質(zhì)監測
?地表水和地下水主要受到硝基苯類(lèi)化合物、重金屬離子的污染。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，溶解的污染物因相變不完全而有所殘留，對公共健康構成嚴重威脅。氣相色譜法可以高度精確地監測污染物。
土壤殘留農藥監測
?在農業(yè)活動(dòng)中，農民在作物上噴灑的農藥可以殺死害蟲(chóng)，但也會(huì )損害人們的健康。氣相色譜法可以準確分析農藥的成分。
一般來(lái)說(shuō)，氣相色譜法也可以輕松集成到液相色譜等其他技術(shù)中，以便測量更多物質(zhì)。因此，這已成為眾多行業(yè)與測試機構廣泛使用的一種技術(shù)。與此同時(shí)，ADI提供低噪聲、高精度信號鏈解決方案，以降低系統設計的復雜性，并實(shí)現高分辨率、高穩健性等優(yōu)異性能。
（來(lái)源：ADI公司，作者：Linlong Zhang，現場(chǎng)應用工程師）
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