2021年11月25日 | 基于高集成度电化学方案的气体与水质检测

企查查数据显示，目前我国现存“环境监测”相关企业共25.5万家。2020年是近十年注册量的高峰期，全年共注册7.2万家企业，同比增长100.3%；今年上半年共注册5.0万家，同比增长72.4%。随着中国政府对环境质量提出更高要求，以及降低碳排放的3060目标设定，“十四五”期间全行业将继续要提高监测质量，常规监测正在从“有没有”向“好不好”转变，新领域监测实现从无到有的突破。

有效的监管下，中国生态环境污染状况近年来实现了快速的逆转。生态环境部前不久通报了2021年7月和1-7月全国地表水、环境空气质量状况显示，3641个国家地表水考核断面中，水质优良断面比例为81.1%，同比上升0.4个百分点，劣Ⅴ类断面比例为1.7%，同比下降0.8个百分点；全国339个地级及以上城市平均优良天数比例为85.5%，同比上升2.2个百分点。有效的监管离不开监测平台方案，目前各种气体、液体监测平台方案在其中发挥了关键作用，本文以ADI的两款气体及液体检测信号链方案来分析。

具有传感器诊断功能的电化学气体测量系统

气体检测仪器广泛应用于从家用空气质量测量设备到工业有毒气体检测解决方案的各种应用。其中许多仪器使用电化学气体传感器。这种传感器技术需要专门的前端电路来进行偏

置和测量。利用内置诊断特性（例如阻抗频谱或偏置电压脉冲与斜坡），可以检查传感器健康状况，补偿老化或温度引起的精度漂移，估计传感器的剩余寿命而无需用户干预。这种功能允许各个边缘节点更换智能、精确的传感器。集成超低功耗微控制器直接偏置电化学气体传感器并运行板载诊断算法。

双通道集成气体检测信号链

电化学气体检测的基本原理是目标气体在电极处发生氧化或还原，进而产生电流，测量此电流便可检测到目标气体。 最常见的传感器有两个或三个电极。一些传感器还有第四个电极。在3电极配置中，各电极分别被称为工作电极（WE， 也称为检测电极(SE)）、参比电极(RE)和反电极(CE)。下图为这种电化学单元的简化示意图。

电化学气体传感器简化图

目标气体通过多孔工作电极进入传感器室并扩散到电解质 （最常见的是酸）中，在那里它被氧化或还原。此反应产 生的电流随即被外部恒电位仪电路检测到，并转换为相应 的电压电平。常常需要在传感器电极上施加连续或脉冲式 偏置电压，以确保性能最优。对于3电极传感器，偏置电压 施加于RE和WE之间。CE处发生与RE和WE之间等量但相反 的反应。如果WE处发生还原反应，则CE处发生氧化反应。

多参数水质与土壤监测的电路方案设计

饮料生产、制药厂、废水处理厂等多个行业都依靠水质监测系统对重要水质指标进行测量和控制。定义水的物理、化学和生物学特性的参数可作为水质指标。例如：物理参数的温度和浊度；化学参数的pH值、氧化还原电位(ORP)、电导率和溶解氧；生物学的藻类和细菌；等等。

进行化学测量参数可以实现对水质这些指标的监测。电化学是化学的一个分支，通过测量电子从一种反应物到另一种反应物的转移来表征还原-氧化反应的行为。电化学技术可以直接或间接用于检测和测量上述水质指标。电化学测量系统主要由两个模块组成：一种用于测量水质指标并产生相应电信号的传感器；测量和处理电信号的测量和处理单元。通常整个加工厂中部署单独的有线传感器。现场传感器需要经常清洗、校准和更换。无线网络可减少一些这样的负担，但通常被认为不够可靠，不能部署在这些应用的恶劣环境中。

pH值是衡量水溶液中氢离子和氢氧化物离子相对量的一项指标，是常用的水质监测测量方法。pH探针是由玻璃电极和参考电极组成的电化学传感器。将pH探针插入溶液中时，测量电极会产生一个电压，该电压取决于溶液的氢离子活性，然后该电压与内部参比电极的电位进行比较。将pH探针插入溶液中时，测量电极会产生一个电压，该电压取决于溶液的氢离子活性，然后该电压与内部参比电极的电位进行比较。温度变化也可能改变测量电极的灵敏度，进而引起测量误差。该误差是可预测的，并且可通过全温度范围内的探针校准和后续测量期间的温度校正来解决。温度传感器通常集成到pH探针中。温度传感器可以是负温度系数(NTC)热敏电阻或RTD，如PT100或PT1000。

液体PH值测试电路设计

解决电化学传感器检测挑战的高集成度平台方案

环境监测中无论是气体监测还是水质监测，我们常用到的是电化学传感器方案，例如在水质检测应用中，用于测量PH、电导率、ORP等指标的传感器都属于电化学传感器。过去的传感器探查技术已在电化学领域使用了数十年，但这些测量所需的设备通常很昂贵且笨重，使用这种设备根本无法测试现场部署的大量气体或液体传感器。为了实现远程内置传感器健康状况分析，必须将诊断特性直接集成为信号链的一部分。借助集成的诊断功能，可以在无需人工干预的情况下自动测试传感器。

为解决上述挑战，并让客户设计出更智能、更精确、更具竞争力的气体检测系统，ADI公司推出了一种针对气体检测和水分析应用的单芯片电化学测量系统，即其超低功耗混合信号微控制器`ADuCM355。

ADuCM355集成了两个电化学测量通道，一个用于传感器诊断的阻抗测量引擎，以及一个用于运行用户应用程序和传感器诊断补偿算法的超低功耗混合信号微控制器。作为一个高度集成的片内测量系统，其中包括：

•一个16位400 kSPS ADC

•两个双输出DAC，用于产生电化学电池的偏置电压

•两个带TIA放大器的超低功耗、低噪声恒电位仪

•一个具有高速TIA的高速12位DAC

•支持诊断测量的模拟硬件加速器（波形发生器、数字傅立叶变换模块和数字滤波器）

•内部温度传感器

•26 MHz ARM Cortex-M3微控制器

ADuCM355的简化功能框图

ADuCM355提供了克服电化学气体检测技术挑战的手段。两个测量通道不仅支持最常见的3电极气体传感器，还支持4电极传感器配置。第四个电极既可用于诊断目的，也可以在双重气体传感器中用作第二目标气体的工作电极。任一恒电位仪也可以配置为休眠模式以降低功耗，同时保持传感器偏置电压，从而减少传感器在正常运行之前可能需要的稳定时间。模拟硬件加速器模块支持传感器诊断测量，例如电化学阻抗谱和计时安培分析法。集成的微控制器可用于运行补偿算法、存储校准参数以及运行用户应用程序。