低功耗有毒氣體探測(cè)器設(shè)計(jì)方案

中心議題：

描述一種使用電化學(xué)傳感器的便攜式CO探測(cè)器

某些常見工業(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(cè)器介紹

解決方案：

可針對(duì)不同的氣體傳感器采用相同的結(jié)構(gòu)和材料

本電路使用P溝道MOSFET

安全第一!許多工業(yè)過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。

在美國(guó)，國(guó)家職業(yè)安全與健康研究所(NIOSH)和美國(guó)政府工業(yè)衛(wèi)生學(xué)家會(huì)議(ACGIH)已規(guī)定了許多有毒工業(yè)氣體的短時(shí)間和長(zhǎng)時(shí)間接觸限值。"閾限值-時(shí)間加權(quán)平均值"(TLV-TWA)是指大多數(shù)工人可以在正常8小時(shí)工作日內(nèi)反復(fù)接觸而不會(huì)受到有害影響的時(shí)間加權(quán)平均濃度。"閾限值-短時(shí)間接觸限值"(TLV-STEL)是指大多數(shù)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(duì)生命立即或緩慢產(chǎn)生威脅，導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的健康損害，或者影響工人獨(dú)立逃生的能力。表1列出了幾種常見氣體的限值。

表1. 某些常見工業(yè)有毒氣體的接觸限值

對(duì)于檢測(cè)或測(cè)量有毒氣體濃度的儀器，電化學(xué)傳感器能夠提供多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。大多數(shù)傳感器都是針對(duì)特定氣體而設(shè)計(jì)，可用分辨率小于氣體濃度的百萬分之一(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(yīng)緩慢：首次上電后，傳感器可能需要數(shù)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(dá)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(cè)器。一氧化碳的IDLH濃度遠(yuǎn)高于大多數(shù)其它有毒氣體，處理起來相對(duì)更安全。但一氧化碳仍然屬于致命性氣體，測(cè)試本文所述電路時(shí)應(yīng)極其小心并采取適當(dāng)?shù)耐L(fēng)措施。

圖1. CO-AX一氧化碳傳感器

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(guī)格摘要。

表2. CO-AX傳感器技術(shù)規(guī)格

對(duì)于這種應(yīng)用中的便攜式儀表，實(shí)現(xiàn)最長(zhǎng)的電池壽命是最重要的目標(biāo)，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(tǒng)中，測(cè)量電路上電后執(zhí)行一次測(cè)量，然后關(guān)斷進(jìn)入長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)狀態(tài)。然而，在這種應(yīng)用中，由于電化學(xué)傳感器的時(shí)間常數(shù)很長(zhǎng)，測(cè)量電路必須始終保持上電狀態(tài)。幸運(yùn)的是，因?yàn)轫憫?yīng)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(fèi)現(xiàn)象。

圖2給出了該便攜式氣體探測(cè)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(dǎo)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(duì)于恒電位部分和跨導(dǎo)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(zhǎng)。

圖2. 使用電化學(xué)傳感器的便攜式氣體探測(cè)器

在三電極電化學(xué)傳感器中，目標(biāo)氣體擴(kuò)散到傳感器，通過一層薄膜后作用于工作電極(WE)。恒電位電路檢測(cè)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(biāo)氣體濃度成正比。流過WE端的電流可能是正值，也可能是負(fù)值，具體取決于傳感器中發(fā)生的是還原反應(yīng)還是氧化反應(yīng)。對(duì)于一氧化碳，發(fā)生氧化時(shí)，CE端電流為負(fù)值(電流流入恒電位運(yùn)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(dǎo)致U2-A的輸出端產(chǎn)生相對(duì)于WE端的負(fù)電壓。對(duì)于一氧化碳傳感器，此電壓通常為數(shù)百毫伏，但對(duì)于其它類型的傳感器，此電壓可能高達(dá)1 V.為采用單電源供電，微功耗基準(zhǔn)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(zhǔn)電壓，以使模數(shù)轉(zhuǎn)換器可對(duì)此電路的輸出進(jìn)行數(shù)字化處理。

跨導(dǎo)放大器的輸出電壓為：

其中：

IWE 為流入WE端的電流。

Rf 為跨導(dǎo)電阻(在圖2中顯示為U4)。

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.因此，最大輸出電流為180 μA,最大輸出電壓由跨導(dǎo)電阻決定，如公式2所示。

針對(duì)不同氣體或來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(duì)不同的氣體傳感器采用相同的結(jié)構(gòu)和材料。此外，這樣的產(chǎn)品還支持調(diào)換傳感器，因?yàn)槲⒖刂破骺梢葬槍?duì)不同的氣體傳感器，將AD5271設(shè)置為適當(dāng)?shù)碾娮柚?。AD5271的溫度系數(shù)為5 ppm/°C,優(yōu)于大多數(shù)分立電阻;其電源電流為1 μA,對(duì)系統(tǒng)功耗的影響極小。

采用5 V單電源供電時(shí)，根據(jù)公式1可知，跨導(dǎo)放大器U2-B的輸出范圍為2.5 V.如果將AD5271設(shè)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。

使用65 nA/ppm的典型傳感器響應(yīng)，可以通過下式將輸出電壓轉(zhuǎn)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(zhǔn)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(xiàng)。

電阻R4使跨導(dǎo)放大器的噪聲增益保持在合理水平。R4的值需權(quán)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(duì)于本電路，R4 = 33 Ω，由此可計(jì)算噪聲增益等于380,如公式4所示。

跨導(dǎo)放大器的輸入噪聲應(yīng)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(dāng)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(yīng)非常慢，因此由R5和C6構(gòu)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(shù)為1秒，與傳感器的30秒響應(yīng)時(shí)間相比可忽略不計(jì)。

Q1為P溝道JFET.電路啟動(dòng)時(shí)，柵極電壓為VCC,晶體管斷開。系統(tǒng)關(guān)斷時(shí)，柵極電壓降至0 V,JFET開啟，使RE端和WE端保持相同的電位。當(dāng)電路再次啟動(dòng)時(shí)，這可以大大改善傳感器的開啟建立時(shí)間。

該電路由兩節(jié)AAA電池供電。使用二極管提供反向電壓保護(hù)會(huì)浪費(fèi)寶貴的電能，因此本電路使用P溝道MOSFET (Q2)。該MOSFET通過阻塞反向電壓來保護(hù)電路，施加正電壓時(shí)導(dǎo)通。MOSFET的導(dǎo)通電阻小于100 mΩ，因此它引起的壓降遠(yuǎn)小于二極管。除AAA電池以外，降壓-升壓調(diào)節(jié)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(gòu)成的濾波器可消除模擬電源軌產(chǎn)生的任何開關(guān)噪聲。連接外部電源時(shí)，該儀表不是通過一個(gè)電路來斷開電池，而是利用一個(gè)插孔以機(jī)械方式斷開電池，從而避免電能浪費(fèi)。

使用AAA電池時(shí)，正常情況(未檢測(cè)到氣體)下的總功耗約為100 μA,最差情況(檢測(cè)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(cè)量時(shí)可進(jìn)入低功耗待機(jī)模式，則電池壽命可達(dá)1年以上。