“十面霾伏”，ADI專家解讀氣體監(jiān)測技術(shù)趨勢和解決

近段時間，全國各地集中出現(xiàn)霧霾天氣，PM2.5爆表，口罩脫銷，空氣嚴(yán)重污染……一度成為網(wǎng)絡(luò)的熱門關(guān)鍵詞。一時之間，環(huán)境監(jiān)測相關(guān)設(shè)備備受關(guān)注。日前，在一場由易維訊信息咨詢公司主辦的“2013產(chǎn)業(yè)和技術(shù)展望媒體研討會”上，ADI公司亞太區(qū)儀表行業(yè)市場經(jīng)理葉裕民(Brian)先生做了題為“環(huán)境監(jiān)測中氣體監(jiān)測的技術(shù)以及發(fā)展趨勢”的演講，這在眼下灰霾圍城的敏感時期，引發(fā)了在場各媒體及嘉賓的高度關(guān)注。

圖1.ADI公司亞太區(qū)儀表行業(yè)市場經(jīng)理葉裕民在“2013產(chǎn)業(yè)和技術(shù)展望媒體研討會”上分析氣體監(jiān)測技術(shù)趨勢。

Brian指出，最近變得非常熱門的空氣污染防治，主要是顆粒物PM (Particulate Matter) 監(jiān)測。PM2.5是特指直徑小于或等于2.5微米的顆粒物，不易被阻擋，被吸入人體后會直接進入支氣管，干擾肺部的氣體交換，引發(fā)包括哮喘、支氣管炎和心血管病等方面的疾病。PM2.5是嚴(yán)重危害人體健康的污染物已經(jīng)被科學(xué)證實，新的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》頒布后， 至2012年9月，已有195個站點完成PM2.5儀器安裝調(diào)試并試運行，有138個站點開始正式PM2.5監(jiān)測并發(fā)布數(shù)據(jù)。

前段時間全國各地PM2.5“爆表門”事件發(fā)生后，對該行業(yè)來說無疑是一股猛烈的催化劑，將快速幫助該市場實現(xiàn)從試點到規(guī)模應(yīng)用的轉(zhuǎn)變。根據(jù)“十二五”規(guī)劃，全國將建設(shè)1500個PM2.5監(jiān)測站點。僅此一項，將產(chǎn)生20億元以上空氣監(jiān)測儀器采購市場，預(yù)計在近兩年內(nèi)，僅該市場相關(guān)監(jiān)測儀器市場規(guī)模將遠(yuǎn)超百億元。

Brian還強調(diào)，其實氣體監(jiān)測器除了用于空氣污染防治，還有另一大重要應(yīng)用就是工業(yè)安全領(lǐng)域。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;燃燒消費類包裝材料會釋放出氰化氫。因此，了解有毒氣體濃度是否達到危險程度十分重要。

為符合人體對有毒氣體的暴露劑量限制, 氣體監(jiān)測器需要檢測出ppm(百萬分之一)等級濃度的有毒氣體, 如一氧化碳。為此，安全法規(guī)要求危險工作場所, 像是煤礦、化學(xué)工廠等, 必須在一定空間內(nèi)裝置有毒氣體與易爆氣體監(jiān)測器;而便攜式氣體檢測器則可佩帶在工人的服裝上，隨時隨地提供危險警報。

圖2：包括氣體監(jiān)測在內(nèi)的各種環(huán)境監(jiān)測設(shè)備市場高速成長，發(fā)展趨勢包括：便攜式(低功耗)、高可靠、易用、多功能等。

Brian指出：“環(huán)境監(jiān)測是一個高成長的市場，因為大家都對身處的環(huán)境和危害身體健康、生命安全的部分越來越重視。在氣體監(jiān)測儀器產(chǎn)品方面，很多中國儀器儀表中小企業(yè)產(chǎn)品賣得不錯，目前是一個百家爭鳴的狀況。”

氣體監(jiān)測儀系統(tǒng)設(shè)計挑戰(zhàn)分析

圖3所示這種毒氣監(jiān)測器系統(tǒng)可以讓工人隨身攜帶，也可每隔一定距離安裝在工作現(xiàn)場。多數(shù)便攜式低功耗有毒氣體檢測器都是以電化學(xué)傳感器為基礎(chǔ)的，涵蓋工業(yè)環(huán)境中的多數(shù)常見氣體，比如一氧化碳(CO)、二氧化硫(SO2)、硫化氫(H2S)、和二氧化氮(NO2)。與其他有毒氣體監(jiān)測方法相比，電化學(xué)傳感器具有功耗低、交叉靈敏度低、長期穩(wěn)定性出色等特點，非常適合電池供電的便攜式應(yīng)用。

圖3. 一種毒氣監(jiān)測器的系統(tǒng)框圖，其中包括氣體傳感器、恒壓電路、I/V電路(電流-電壓轉(zhuǎn)換)、微控制器、供電電路、接口和報警單元。

對于圖3中的電化學(xué)傳感器，工作電極(WE)檢測有毒氣體，并根據(jù)氣體濃度按比例產(chǎn)生電流，參考電極(RE)使工作電極的電壓保持穩(wěn)定，以便傳感器工作于線性范圍之內(nèi)，輔助電極(CE)可以使WE節(jié)點上產(chǎn)生的電流達到平衡。恒電位電路保持RE節(jié)點電壓，并提供CE節(jié)點產(chǎn)生的電流。I/V電路把電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號傳送至ADC(無論是集成在MCU中還是分立式)。包括LCD和鍵陣列在內(nèi)的人機接口用于系統(tǒng)設(shè)置和顯示。LED、蜂鳴器和振動電機有助于提高警報的可靠性。

“氣體監(jiān)測技術(shù)的瓶頸在于氣體傳感器本身。因為氣體傳感器技術(shù)上的限制，就使得可以輸入的信號比較微弱。很多放大器可能會有誤差，這就可能會對偏置電流造成問題。如果本身器件的噪聲誤差已經(jīng)大于傳感器感測到的信號，那么測量的結(jié)果一定是不準(zhǔn)的。”

Brian進一步指出：“如檢測PM2.5時可能會用光的方式，即光電二極管也會產(chǎn)生非常小的電流，還有它本身的功耗。而我們一旦安置了氣體監(jiān)測儀器之后，通常希望能夠長時間的穩(wěn)定，且不需要經(jīng)過校準(zhǔn)就能夠長時間使用，所以氣體監(jiān)測儀器的功耗和可靠度要很好。低功耗、高可靠性、降低噪聲是氣體監(jiān)測器系統(tǒng)設(shè)計所面臨的主要挑戰(zhàn)。”

1、 低功耗——由于有毒氣體檢測需要在盡可能無需維護的情況下持續(xù)地對環(huán)境進行監(jiān)控。因而，盡量延長電池壽命對這種應(yīng)用來說是非常重要的。由于電化學(xué)氣體傳感器只需極少電流即可工作，因此剩下的信號調(diào)理和數(shù)據(jù)傳輸電路在實現(xiàn)系統(tǒng)低功耗方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

2、 高可靠性——在某些工業(yè)環(huán)境中，人的生命依賴于有毒氣體檢測器，為此這些檢測器需要高度可靠。高精度、抗干擾能力以及出色的長期穩(wěn)定性，這些都是設(shè)計過程中需要考慮的重要因素。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，就需要精確、強健、低漂移的信號鏈。

3、 降低噪聲——為了充分發(fā)揮電化學(xué)傳感器的動態(tài)范圍的優(yōu)勢，在設(shè)計信號鏈時需要考慮降噪問題。

高分辨率、低噪聲、低功耗的ADI氣體監(jiān)測最新方案

針對以上客戶在實際系統(tǒng)設(shè)計過程中所遇到的挑戰(zhàn)，ADI提供了完整多樣的信號鏈器件、最新的實驗室電路原理圖、物料清單和演示電路板，幫助客戶能夠以最快時間完成自己產(chǎn)品的設(shè)計并快速推向市場。相比較其他廠商的單片集成方案，ADI的分立方案帶來了設(shè)計靈活的天然優(yōu)勢。在一些干擾較大的工作環(huán)境，其方案的靈活性還可以方便客戶完成抗干擾的產(chǎn)品設(shè)計。