氣相色譜傳感器解決環(huán)境監(jiān)測需求

簡介

廢氣監(jiān)測在環(huán)境保護中扮演著至關(guān)重要的角色。隨著工業(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(yán)重影響自然環(huán)境和人類健康。

因此，環(huán)境監(jiān)測已成為公眾關(guān)注的焦點，旨在減少這些有害排放。然而，傳統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)在速度和準(zhǔn)確性方面無法滿足當(dāng)前的需求。更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)是，環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)亟需進一步提升，以應(yīng)對日益增長的高精度要求。

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(tǒng)示意圖

氣相色譜系統(tǒng)主要由進氣系統(tǒng)、自動采樣器系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、檢測器系統(tǒng)和數(shù)據(jù)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相，受測樣本為指定固定相，包括固體和液體混合物。隨著載氣的流動，固定相分離并依次流出色譜柱，隨后進入檢測器，產(chǎn)生離子流信號。通過在記錄儀上放大到適當(dāng)?shù)恼穹?，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單獨樣本的過程。綠色和紫色代表兩個不同的樣本，藍(lán)色代表混合物。

圖2 分離的過程

氣相色譜系統(tǒng)解決方案

在圖1的基礎(chǔ)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足系統(tǒng)要求，并針對低功耗和噪聲性能進行了優(yōu)化。

進氣系統(tǒng)

為了控制載氣準(zhǔn)確流經(jīng)檢測器系統(tǒng)以分離混合物，高精度必不可少，這一點可通過使用氣體傳感器來實現(xiàn)。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所示為進氣系統(tǒng)的信號鏈。

圖3 進氣系統(tǒng)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(zhuǎn)換，同時提供超低輸入偏置電流（飛安級），確保器件達(dá)到系統(tǒng)的精確性能目標(biāo)。該器件還具有低失調(diào)電壓、低失調(diào)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(yīng)用。

圖4 ADA4530-1數(shù)據(jù)手冊

將電流信號轉(zhuǎn)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(zhǔn)確的結(jié)果。AD7175是一款低噪聲、快速建立、多路復(fù)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4-20mA信號傳輸?shù)目諝鈧鞲衅鬏敵鲞M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(shù)字信號調(diào)理模塊，可為使用的每個模擬輸入通道配置八種單獨的設(shè)置。對于完全建立的數(shù)據(jù)，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路檢測功能，支持采用5 V或3.3 V單電源的系統(tǒng)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(zhǔn)電壓。或者，一種低成本的方案是使用微控制器單元(MCU)的內(nèi)部ADC進行采樣，但這可能會犧牲測量精度。

溫度控制系統(tǒng)

溫度由閉環(huán)系統(tǒng)控制：LT1241用于驅(qū)動以脈寬調(diào)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(yīng)用。為了提高溫度采集精度，該器件可支持2線式熱電偶，并針對3線式RTD配置進行了優(yōu)化，以滿足不同客戶的期望。

此外，提供集成了TEC控制器的ADN8835。圖5所示為溫度控制系統(tǒng)示意圖。

圖5 溫度控制系統(tǒng)的信號鏈

檢測器系統(tǒng)

檢測器系統(tǒng)是最后一級，用于描述色譜圖。流量和壓力傳感器用于監(jiān)測載氣的流動，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(tǒng)的信號鏈

進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(diào)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輸入量程實現(xiàn)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，并針對隨時間、溫度和電壓條件變化的總精度進行了優(yōu)化。

電源

系統(tǒng)電源來源于24 VDC，并連接到降壓轉(zhuǎn)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(fù)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(shè)計復(fù)雜性，同時提供高EMI抗擾度。

圖7 系統(tǒng)的電源鏈

結(jié)論

氣相色譜法在監(jiān)測污染物方面發(fā)揮著重要作用，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(jiān)測更多物質(zhì)。為了解決現(xiàn)在和未來可能出現(xiàn)的需求，ADI提供廣泛的低噪聲和高精度解決方案來滿足客戶要求并簡化系統(tǒng)設(shè)計。

水質(zhì)監(jiān)測

■   地表水和地下水主要受到硝基苯類化合物、重金屬離子的污染。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，溶解的污染物因相變不完全而有所殘留，對公共健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。氣相色譜法可以高度精確地監(jiān)測污染物。

土壤殘留農(nóng)藥監(jiān)測

■   在農(nóng)業(yè)活動中，農(nóng)民在作物上噴灑的農(nóng)藥可以殺死害蟲，但也會損害人們的健康。氣相色譜法可以準(zhǔn)確分析農(nóng)藥的成分。

一般來說，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(gòu)廣泛使用的一種技術(shù)。與此同時，ADI提供低噪聲、高精度信號鏈解決方案，以降低系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性，并實現(xiàn)高分辨率、高穩(wěn)健性等優(yōu)異性能。

作者簡介

Linlong Zhang于2019年獲得新加坡南洋理工大學(xué)集成電路設(shè)計碩士學(xué)位。他于2019年加入ADI公司，擔(dān)任面向消費電子和醫(yī)療健康市場的現(xiàn)場應(yīng)用工程師。自2022年以來，他一直專注于多個市場的應(yīng)用。