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低功耗有毒气体探测器设计

导读: 本文描述一种使用电化学传感器的便携式一氧化碳(CO)探测器。一氧化碳的IDLH浓度远高于大多数其它有毒气体,处理起来相对更安全。但一氧化碳仍然属于致命性气体,测试本文所述电路时应极其小心并采取适当的通风措施。

  安全第一!许多工业过程涉及到有毒化合物,例如:制造塑料、农用化学品和医药产品会用到氯气;生产半导体需要使用磷化氢和砷化氢;燃烧消费类包装材料会释放出氰化氢。因此,了解有毒气体浓度是否达到危险程度十分重要。

  在美国,国家职业安全与健康研究所(NIOSH)和美国政府工业卫生学家会议(ACGIH)已规定了许多有毒工业气体的短时间和长时间接触限值。“阈限值—时间加权平均值”(TLV-TWA)是指大多数工人可以在正常8小时工作日内反复接触而不会受到有害影响的时间加权平均浓度。“阈限值—短时间接触限值”(TLV-STEL)是指大多数工人可以短时间接触而不会受到刺激或伤害的浓度。“立即威胁生命或健康的浓度”(IDLHC)是一种限制性浓度,它会对生命立即或缓慢产生威胁,导致不可逆转的健康损害,或者影响工人独立逃生的能力。表1列出了几种常见气体的限值。

  表1. 某些常见工业有毒气体的接触限值

 某些常见工业有毒气体的接触限值

  对于检测或测量有毒气体浓度的仪器,电化学传感器能够提供多项优势。大多数传感器都是针对特定气体而设计,可用分辨率小于气体浓度的百万分之一(1 PPM),所需工作电流极小,非常适合便携式电池供电的仪器。电化学传感器的一个重要特性是响应缓慢:首次上电后,传感器可能需要数分钟时间才能建立至最终输出值;暴露于中间量程的气体浓度时,传感器可能需要25到40秒时间才能达到最终输出值的90%。

  本文描述一种使用电化学传感器的便携式一氧化碳(CO)探测器。一氧化碳的IDLH浓度远高于大多数其它有毒气体,处理起来相对更安全。但一氧化碳仍然属于致命性气体,测试本文所述电路时应极其小心并采取适当的通风措施。

  CO-AX一氧化碳传感器

  图1. CO-AX一氧化碳传感器

  图1所示为 Alphasense公司的CO-AX传感器。表2是CO-AX传感器技术规格摘要。

  表2. CO-AX传感器技术规格

 CO-AX传感器技术规格

  对于这种应用中的便携式仪表,实现最长的电池寿命是最重要的目标,因此,必须将功耗降到最低,这一点至关重要。在典型的低功耗系统中,测量电路上电后执行一次测量,然后关断进入长时间待机状态。然而,在这种应用中,由于电化学传感器的时间常数很长,测量电路必须始终保持上电状态。幸运的是,因为响应缓慢,所以我们可以使用微功耗放大器、高值电阻和低频滤波器,从而将约翰逊噪声和1/f噪声降至最低。此外,单电源供电可避免双极性电源的功率浪费现象。

  图2给出了该便携式气体探测器的电路。双通道微功耗放大器 ADA4505-2在恒电位配置(U2-A)和跨导配置(U2-B)下使用。该放大器的功耗和输入偏置电流非常低,对于恒电位部分和跨导部分都是很好的选择。每个放大器的功耗仅10 μA,因此电池寿命非常长。

  使用电化学传感器的便携式气体探测器

  图2. 使用电化学传感器的便携式气体探测器

  在三电极电化学传感器中,目标气体扩散到传感器,通过一层薄膜后作用于工作电极(WE)。恒电位电路检测参考电极(RE)的电压,并向辅助电极(CE)提供电流,使RE端与WE端之间的电压保持恒定。RE端没有电流流进或流出,因此流出CE端的电流流进WE端,该电流与目标气体浓度成正比。流过WE端的电流可能是正值,也可能是负值,具体取决于传感器中发生的是还原反应还是氧化反应。对于一氧化碳,发生氧化时,CE端电流为负值(电流流入恒电位运算放大器的输出端)。电阻R4通常非常小,因此WE端的电压约等于VREF.

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