設(shè)計(jì)低功耗有毒氣體檢測(cè)儀

安全第一！許多工業(yè)過程涉及有毒化合物，包括用于制造塑料、農(nóng)用化學(xué)品和醫(yī)藥產(chǎn)品的氯;用于生產(chǎn)半導(dǎo)體的磷化氫和砷烷;以及燃燒消費(fèi)品包裝材料時(shí)釋放的氰化氫。重要的是要知道何時(shí)存在危險(xiǎn)濃度。

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(huì)議（ACGIH）已經(jīng)為許多有毒工業(yè)氣體制定了短期和長(zhǎng)期暴露限值。閾值極限值-時(shí)間加權(quán)平均值 （TLV-TWA） 是大多數(shù)工人可以在 8 小時(shí)內(nèi)反復(fù)接觸而不會(huì)產(chǎn)生不利影響的 TWA 濃度;閾值限值-短期暴露限值（TLV-STEL）是大多數(shù)工人可以在短時(shí)間內(nèi)連續(xù)暴露而不會(huì)受到刺激，損害或損害的濃度;立即危及生命或健康濃度（IDLHC）是一種限制濃度，對(duì)生命構(gòu)成直接或延遲的威脅，會(huì)造成不可逆轉(zhuǎn)的不利健康影響，或會(huì)干擾個(gè)人獨(dú)立逃脫的能力。表1顯示了幾種常見氣體的限值。

表 1.一些常見工業(yè)有毒氣體的暴露限值

電化學(xué)傳感器為檢測(cè)或測(cè)量有毒氣體濃度的儀器提供了幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。大多數(shù)傳感器都是氣體專用的，可用分辨率低于氣體濃度的百萬分之一，并且在非常小的電流下工作，使其非常適合便攜式電池供電儀器。電化學(xué)傳感器的一個(gè)重要特點(diǎn)是響應(yīng)緩慢：首次通電時(shí)，傳感器可能需要幾分鐘才能穩(wěn)定到其最終輸出值;當(dāng)暴露于氣體濃度的中間量程時(shí)，傳感器可能需要 25 到 40 秒才能達(dá)到其最終輸出值的 90%。

本文介紹使用電化學(xué)傳感器的便攜式一氧化碳（CO）檢測(cè)器。一氧化碳的IDLH濃度遠(yuǎn)高于大多數(shù)其他有毒氣體，因此處理起來相對(duì)安全。盡管如此，一氧化碳仍然是致命的，因此在測(cè)試此處描述的電路時(shí)要格外小心和適當(dāng)?shù)耐L(fēng)。

表 2.同軸傳感器規(guī)格

實(shí)現(xiàn)盡可能長(zhǎng)的電池壽命是便攜式儀器在此應(yīng)用中最重要的目標(biāo)，因此將功耗降至最低至關(guān)重要。在典型的低功耗系統(tǒng)中，測(cè)量電路上電進(jìn)行測(cè)量，然后關(guān)斷很長(zhǎng)時(shí)間。然而，在此應(yīng)用中，由于電化學(xué)傳感器的時(shí)間常數(shù)較長(zhǎng)，測(cè)量電路必須保持連續(xù)供電。幸運(yùn)的是，低響應(yīng)允許使用微功率放大器、高阻值電阻和低頻濾波器，從而最大限度地減少約翰遜噪聲和 1/f 噪聲。此外，單電源操作避免了雙極性電源的功耗浪費(fèi)。

圖2顯示了便攜式氣體檢測(cè)儀的電路。ADA4505-2雙通道微功耗放大器采用恒電位儀配置（U2-A）和跨阻配置（U2-B）。該放大器是恒電位儀和跨阻部分的理想選擇，因?yàn)樗墓暮洼斎肫秒娏鳂O低。每個(gè)放大器僅消耗10 μA電流，可實(shí)現(xiàn)非常長(zhǎng)的電池壽命。

圖2.使用電化學(xué)傳感器的便攜式氣體檢測(cè)儀。

在三電極電化學(xué)傳感器中，目標(biāo)氣體在與工作電極（WE）相互作用之前通過膜擴(kuò)散到傳感器中。恒電位儀電路檢測(cè)參比電極 （RE） 上的電壓，并為對(duì)電極 （CE） 提供在 RE 和 WE 端子之間保持恒定電壓所需的電流。沒有電流流入或流出RE端子，因此從CE端子流出的電流流入WE端子。該電流與目標(biāo)氣體濃度成正比。通過WE端子的電流可以是正的，也可以是負(fù)的，這取決于傳感器中是發(fā)生還原還是氧化。對(duì)于一氧化碳，會(huì)發(fā)生氧化，導(dǎo)致CE端電流為負(fù)（電流流入恒電位儀運(yùn)算放大器的輸出）。電阻R4通常非常小，因此WE端子的電壓大約等于V裁判.

流入WE端子的電流導(dǎo)致U2-A輸出端相對(duì)于WE端子產(chǎn)生負(fù)電壓。對(duì)于一氧化碳傳感器，該電壓通常為幾百毫伏，但對(duì)于其他類型的傳感器，該電壓可能高達(dá)1 V。采用單電源供電時(shí)，ADR291微功耗基準(zhǔn)電壓源U1將整個(gè)電路提升至地以上2.5 V。ADR291的功耗僅為12 μA;它還可以為模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供基準(zhǔn)電壓，以對(duì)該電路的輸出進(jìn)行數(shù)字化處理。

跨阻放大器的輸出電壓簡(jiǎn)單為：

(1)

哪里：
我我們是進(jìn)入WE終端的電流。
Rf是跨阻電阻（如圖2中的U4所示）。

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。這導(dǎo)致最大輸出電流為180 μA，最大輸出電壓由跨阻電阻決定，如公式2所示。

不同氣體或來自不同制造商的傳感器將具有不同的電流輸出范圍。使用用于U4的可編程變阻器AD5271代替固定電阻，可以為不同的氣體傳感器保持單個(gè)組件和物料清單。此外，它還允許產(chǎn)品具有可互換的傳感器，因?yàn)?a target="_blank">微控制器可以將AD5271設(shè)置為每種不同氣體傳感器的適當(dāng)電阻值。AD5271的5 ppm/°C溫度系數(shù)優(yōu)于大多數(shù)分立電阻，其1 μA電源電流對(duì)系統(tǒng)功耗的影響非常小。

根據(jù)公式1，采用5 V單電源供電時(shí)，跨阻放大器U2-B的輸出端提供2.5 V范圍。將AD5271設(shè)置為12.5 kΩ可利用最差情況下傳感器靈敏度的可用范圍，并允許大約10%的超量程能力。

使用典型的 65nA/ppm 傳感器響應(yīng)，輸出電壓可以轉(zhuǎn)換為一氧化碳的 ppm，如下所示：

(3)

使用差分輸入 ADC，只需將 2.5V 基準(zhǔn)電壓源輸出連接到 ADC 的 A在– 端子，消除公式3中的2.5 V項(xiàng)。

電阻R4將跨阻放大器的噪聲增益保持在合理水平。R4的值是噪聲增益幅度與傳感器暴露于高濃度氣體時(shí)的建立時(shí)間誤差之間的折衷。對(duì)于本電路，R4 = 33 Ω，噪聲增益為380，如公式4所示。

(4)

跨阻放大器的輸入噪聲乘以該增益。ADA4505-2的0.1 Hz至10 Hz輸入電壓噪聲為2.95 μV p-p，因此在輸出端看到的噪聲為

(5)

輸出噪聲相當(dāng)于超過1.3 ppm p-p的氣體濃度。這種低頻噪聲很難濾除。幸運(yùn)的是，傳感器響應(yīng)非常慢，因此R5和C6形成的低通濾波器可以具有0.16 Hz的截止頻率。該濾波器的時(shí)間常數(shù)為1秒，與傳感器的30秒響應(yīng)時(shí)間相比可以忽略不計(jì)。

Q1 是 P 溝道 JFET。當(dāng)電路導(dǎo)通時(shí)，柵極處于V狀態(tài)抄送，并且晶體管關(guān)閉。當(dāng)系統(tǒng)斷電時(shí)，柵極降至0 V，JFET導(dǎo)通以將RE和WE端子保持在相同的電位。這大大改善了電路再次導(dǎo)通時(shí)傳感器的導(dǎo)通建立時(shí)間。

兩節(jié) AAA 電池為電路供電。使用二極管進(jìn)行反向電壓保護(hù)會(huì)浪費(fèi)寶貴的能量，因此本電路改用P溝道MOSFET （Q2）。MOSFET 通過阻斷反向電壓來保護(hù)電路，并在施加正電壓時(shí)導(dǎo)通。MOSFET 的導(dǎo)通電阻小于 100 mΩ，導(dǎo)致壓降比二極管小得多。ADP2503降壓-升壓穩(wěn)壓器允許使用高達(dá)5.5 V的外部電源以及AAA電池。在省電模式下工作時(shí)，ADP2503的功耗僅為38 μA。由L2、C12和C13組成的濾波器可消除模擬電源軌中的任何開關(guān)噪聲。連接外部電源時(shí)，使用機(jī)械斷開電池的插孔不是使用電路斷開電池，而是在插入外部電源連接器時(shí)機(jī)械斷開電池，從而避免了電源浪費(fèi)。

從 AAA 電池汲取的總電流在正常條件下（未檢測(cè)到氣體）約為 100 μA，在最壞情況下（檢測(cè)到 2，000 ppm CO）約為 428 μA。當(dāng)儀器連接到可以在不進(jìn)行測(cè)量的情況下進(jìn)入低功耗待機(jī)模式的微控制器時(shí)，電池壽命可以延長(zhǎng)到一年以上。

審核編輯：郭婷