“十面霾伏”，ADI专家解读气体监测技术趋势和解决方案

        近段时间，全国各地集中出现雾霾天气，PM2.5爆表，口罩脱销，空气严重污染……一度成为网络的热门关键词。一时之间，环境监测相关设备备受关注。日前，在一场由易维讯信息咨询公司主办的“2013产业和技术展望媒体研讨会”上，ADI公司亚太区仪表行业市场经理叶裕民（Brian）先生做了题为“环境监测中气体监测的技术以及发展趋势”的演讲，这在眼下灰霾围城的敏感时期，引发了在场各媒体及嘉宾的高度关注。

图1.ADI公司亚太区仪表行业市场经理叶裕民在“2013产业和技术展望媒体研讨会”上分析气体监测技术趋势。

    Brian指出，最近变得非常热门的空气污染防治，主要是颗粒物PM (Particulate Matter) 监测。PM2.5是特指直径小于或等于2.5微米的颗粒物，不易被阻挡，被吸入人体后会直接进入支气管，干扰肺部的气体交换，引发包括哮喘、支气管炎和心血管病等方面的疾病。PM2.5是严重危害人体健康的污染物已经被科学证实，新的《环境空气质量标准》颁布后， 至2012年9月，已有195个站点完成PM2.5仪器安装调试并试运行，有138个站点开始正式PM2.5监测并发布数据。

    前段时间全国各地PM2.5“爆表门”事件发生后，对该行业来说无疑是一股猛烈的催化剂，将快速帮助该市场实现从试点到规模应用的转变。根据“十二五”规划，全国将建设1500个PM2.5监测站点。仅此一项，将产生20亿元以上空气监测仪器采购市场，预计在近两年内，仅该市场相关监测仪器市场规模将远超百亿元。

    Brian还强调，其实气体监测器除了用于空气污染防治，还有另一大重要应用就是工业安全领域。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。

    为符合人体对有毒气体的暴露剂量限制, 气体监测器需要检测出ppm(百万分之一)等级浓度的有毒气体, 如一氧化碳。为此，安全法规要求危险工作场所, 像是煤矿、化学工厂等, 必须在一定空间内装置有毒气体与易爆气体监测器；而便携式气体检测器则可佩带在工人的服装上，随时随地提供危险警报。

图2：包括气体监测在内的各种环境监测设备市场高速成长，发展趋势包括：便携式（低功耗）、高可靠、易用、多功能等。

    Brian指出：“环境监测是一个高成长的市场，因为大家都对身处的环境和危害身体健康、生命安全的部分越来越重视。在气体监测仪器产品方面，很多中国仪器仪表中小企业产品卖得不错，目前是一个百家争鸣的状况。”

气体监测仪系统设计挑战分析

    图3所示这种毒气监测器系统可以让工人随身携带，也可每隔一定距离安装在工作现场。多数便携式低功耗有毒气体检测器都是以电化学传感器为基础的，涵盖工业环境中的多数常见气体，比如一氧化碳(CO)、二氧化硫(SO2)、硫化氢(H2S)、和二氧化氮(NO2)。与其他有毒气体监测方法相比，电化学传感器具有功耗低、交叉灵敏度低、长期稳定性出色等特点，非常适合电池供电的便携式应用。

图3. 一种毒气监测器的系统框图，其中包括气体传感器、恒压电路、I/V电路(电流-电压转换)、微控制器、供电电路、接口和报警单元。

    对于图3中的电化学传感器，工作电极(WE)检测有毒气体，并根据气体浓度按比例产生电流，参考电极(RE)使工作电极的电压保持稳定，以便传感器工作于线性范围之内，辅助电极(CE)可以使WE节点上产生的电流达到平衡。恒电位电路保持RE节点电压，并提供CE节点产生的电流。I/V电路把电流信号转换为电压信号传送至ADC(无论是集成在MCU中还是分立式)。包括LCD和键阵列在内的人机接口用于系统设置和显示。LED、蜂鸣器和振动电机有助于提高警报的可靠性。

    “气体监测技术的瓶颈在于气体传感器本身。因为气体传感器技术上的限制，就使得可以输入的信号比较微弱。很多放大器可能会有误差，这就可能会对偏置电流造成问题。如果本身器件的噪声误差已经大于传感器感测到的信号，那么测量的结果一定是不准的。”

    Brian进一步指出：“如检测PM2.5时可能会用光的方式，即光电二极管也会产生非常小的电流，还有它本身的功耗。而我们一旦安置了气体监测仪器之后，通常希望能够长时间的稳定，且不需要经过校准就能够长时间使用，所以气体监测仪器的功耗和可靠度要很好。低功耗、高可靠性、降低噪声是气体监测器系统设计所面临的主要挑战。”

    1、 低功耗——由于有毒气体检测需要在尽可能无需维护的情况下持续地对环境进行监控。因而，尽量延长电池寿命对这种应用来说是非常重要的。由于电化学气体传感器只需极少电流即可工作，因此剩下的信号调理和数据传输电路在实现系统低功耗方面发挥着关键作用。

    2、 高可靠性——在某些工业环境中，人的生命依赖于有毒气体检测器，为此这些检测器需要高度可靠。高精度、抗干扰能力以及出色的长期稳定性，这些都是设计过程中需要考虑的重要因素。为了实现这一目标，就需要精确、强健、低漂移的信号链。

    3、 降低噪声——为了充分发挥电化学传感器的动态范围的优势，在设计信号链时需要考虑降噪问题。

高分辨率、低噪声、低功耗的ADI气体监测最新方案

    针对以上客户在实际系统设计过程中所遇到的挑战，ADI提供了完整多样的信号链器件、最新的实验室电路原理图、物料清单和演示电路板，帮助客户能够以最快时间完成自己产品的设计并快速推向市场。相比较其他厂商的单片集成方案，ADI的分立方案带来了设计灵活的天然优势。在一些干扰较大的工作环境，其方案的灵活性还可以方便客户完成抗干扰的产品设计。

    以一个ADI已经可以提供给客户的实验室电路CN0234——“使用电化学传感器的单电源、微功耗有毒气体探测器”（ http://www.analog.com/zh/circuits-from-the-lab/CN0234/vc.html ）为例：

    1.低功耗——正常条件下，实验室电路中的ADI放大器、dc-to-dc转换器和基准电压源需要消耗大约100μA的电流。单电源工作模式可以避免双极电源的功耗浪费问题。

    2.高可靠性——ADI致力于提供精确、低漂移的信号链产品，如放大器、基准电压源和ADC等，以帮助设计师构造出精确、稳定的系统。相应的产品列于下面的主产品表中。另外，运算放大器反馈回路上RC (R1、R2、C1、C2)滤波器、串联电阻Rs和反馈电容Cf将使系统保持稳定，以抵消气体传感器极大的电容(mF量级)带来的影响。

    3.降低噪声——由于受传感器限制的慢速响应(约30秒)，ADC之前的RC (R3、C3)滤波器的截止频率可以设为极低水平很低。不但可以降低系统的白噪声，而且也可降低1/f噪声，从而优化系统分辨率。关于ADC分辨率，ADI提供多种选择，例如分立式16位ADC和集成在MCU里的12位ADC。

    CN0234实验室电路的放大器是采用双通道微功耗放大器ADA4505-2，具有轨对轨输入与输出摆幅，采用1.8 V～5 V单电源或±0.9 V～±2.5 V双电源供电。这款低成本放大器采用最新的电路技术，具有零输入交越失真，出众的PSRR与CMRR性能以及极低的偏置电流，工作时每个放大器的电源电流不到10μA。

    该电路采用ADP2503 高效率、低静态电流开关电源升降压转换器，支持两节AAA电池的单电源供电，在节能模式下的功耗仅为38 μA。芯片内部的高开关频率让外部器件最小化，对小尺寸手持设备设计有很大帮助。因为外部有不同的电源，例如，锂电池、碱性电池、镍氢电池、PCMCIA和USB等标准输入电源，针对不同的电压，ADP2503/4都可以提供升降压功能。ADP2503的输入电压可以从2.3V到5.5V。ADP2503有固定输出版本和可调输出来两个选择，内部的补偿也减少了外部器件的数量。

    AD7790为适合低频测量应用的低功耗、完整模拟前端ADC （内置片内仪表放大器），主要优势是微小功耗、微小封装、高分辨率、可通过软件编程输出数据速率。其典型功耗不到100 µA。AD7790在默认输出数据速率为16.6 Hz时具有16位峰－峰值分辨率。AD7790采用内部时钟工作，因此用户不必为其提供时钟源。输出数据速率可通过软件编程设置，可在9.5 Hz至120 Hz的范围内变化。

图4.ADI气体检测演示系统。

过往成功案例

    “低功耗、长时间稳定度、高分辨率(灵敏度)、设计弹性与高性价比是ADI产品的主要优势。ADI还对气体监测器客户提供从构想、选型、设计到生产的完整解决方案手册；参考设计评估板；深入的技术文章及高性价比的产品；另外，客户还可依据个别需求设计出优化产品。” Brian表示。

    他还和与会媒体分享了ADI器件曾在气体监测应用方面的三个成功案例：

    成功案例一(ADP7102/7104)：低噪声、低压差300mA/500mA线性电压调节器(LDO)。

    气体检测特别是对有毒气体的检测，经常会用在如煤矿、油井等这种特殊的危险场所，这样的使用环境对气体检测仪器的可靠度要求极高，对仪器的误判要求零容忍。所以用在其中的LDO必须低噪声（ADP7102噪声仅为15μV rms（固定输出型））以提高系统分辨率，高电源抑制(PSRR：60 dB (10 kHz，VOUT = 3.3 V))。

    其次，在极低噪声的情况下，以前的电源方案通常需要一个非常大的外部电容，而这在煤矿防爆需求中是不被允许的。ADP7102/7104仅需一个1μF（相当于原来1/10的电容）小型陶瓷输出电容，便可实现出色的线路与负载瞬态响应性能，这在煤矿防爆需求中特别重要；

    ADP7102/7104在气体检测方面的另外一个主要优势是其宽输入电压范围(3.3 V至20 V)可容许输入电压变动与长距离电源线的电压耗损。

    成功案例二（ADuCM360/361）：集成低功耗ARM CORTEX M3和Σ-Δ型ADC的低功耗精密模拟微控制器。其在气体检测仪器上的主要优势包括：1、采用低功耗的标准ARM Cortex M3核心

    2、高集成度；3、高分辨率ADC。

    ADuCM360/ADuCM361专为要求低功耗工作的电池供电应用而设计。微控制器内核可配置为普通工作模式，功耗290 μA/MHz（包括flash/ SRAM IDD）。在两个ADC均打开（输入缓冲器关闭）、PGA增益为4、一个SPI端口打开和所有定时器均打开时，系统总电流消耗可以达到1 mA。

    ADuCM360/ADuCM361通过直接编程控制可配置为许多低功耗工作模式，包括休眠模式（内部唤醒定时器有效），此时能耗仅为4 μA。在休眠模式下，诸如外部中断或内部唤醒定时器等外设可以唤醒该器件。该模式可让器件在功耗极低的情况下运行，同时仍然响应外部异步或周期事件。

    成功案例三（AD5410/5420/5421）：ADI常用于工业现场仪表的串行输入、4~20毫安电流输出DAC。当时客户应用中需要一个4-20毫安的电流输出DAC。而ADI的这个产品就是把高分辨率的DAC和4-20毫安的电流输出结合起来。其在气体检测仪器上的主要优势为：高集成度；高分辨率；多种选择(12位DAC、16位DAC、环路供电)。例如有些客户需要低功耗，就可以选用环路供电，ADI也提供了专门为环路供电所设计的4-20毫安通信接口的DAC。