“十面霾伏”，ADI專家解讀氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)趨勢(shì)和解決

近段時(shí)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(shí)之間，環(huán)境監(jiān)測(cè)相關(guān)設(shè)備備受關(guān)注。日前，在一場(chǎng)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(huì)”上，ADI公司亞太區(qū)儀表行業(yè)市場(chǎng)經(jīng)理葉裕民(Brian)先生做了題為“環(huán)境監(jiān)測(cè)中氣體監(jiān)測(cè)的技術(shù)以及發(fā)展趨勢(shì)”的演講，這在眼下灰霾圍城的敏感時(shí)期，引發(fā)了在場(chǎng)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(chǎng)經(jīng)理葉裕民在“2013產(chǎn)業(yè)和技術(shù)展望媒體研討會(huì)”上分析氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)趨勢(shì)。

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(cè)。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(huì)直接進(jìn)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(shí)，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(gè)站點(diǎn)完成PM2.5儀器安裝調(diào)試并試運(yùn)行，有138個(gè)站點(diǎn)開始正式PM2.5監(jiān)測(cè)并發(fā)布數(shù)據(jù)。

前段時(shí)間全國各地PM2.5“爆表門”事件發(fā)生后，對(duì)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(chǎng)實(shí)現(xiàn)從試點(diǎn)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(gè)PM2.5監(jiān)測(cè)站點(diǎn)。僅此一項(xiàng)，將產(chǎn)生20億元以上空氣監(jiān)測(cè)儀器采購市場(chǎng)，預(yù)計(jì)在近兩年內(nèi)，僅該市場(chǎng)相關(guān)監(jiān)測(cè)儀器市場(chǎng)規(guī)模將遠(yuǎn)超百億元。

Brian還強(qiáng)調(diào)，其實(shí)氣體監(jiān)測(cè)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(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。

為符合人體對(duì)有毒氣體的暴露劑量限制, 氣體監(jiān)測(cè)器需要檢測(cè)出ppm(百萬分之一)等級(jí)濃度的有毒氣體, 如一氧化碳。為此，安全法規(guī)要求危險(xiǎn)工作場(chǎng)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(cè)器;而便攜式氣體檢測(cè)器則可佩帶在工人的服裝上，隨時(shí)隨地提供危險(xiǎn)警報(bào)。

圖2：包括氣體監(jiān)測(cè)在內(nèi)的各種環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備市場(chǎng)高速成長(zhǎng)，發(fā)展趨勢(shì)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(cè)是一個(gè)高成長(zhǎng)的市場(chǎng)，因?yàn)榇?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/家">家都對(duì)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(cè)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(cuò)，目前是一個(gè)百家爭(zhēng)鳴的狀況。”

氣體監(jiān)測(cè)儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)分析

圖3所示這種毒氣監(jiān)測(cè)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(chǎng)。多數(shù)便攜式低功耗有毒氣體檢測(cè)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(cè)方法相比，電化學(xué)傳感器具有功耗低、交叉靈敏度低、長(zhǎng)期穩(wěn)定性出色等特點(diǎn)，非常適合電池供電的便攜式應(yīng)用。

圖3. 一種毒氣監(jiān)測(cè)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(bào)警單元。

對(duì)于圖3中的電化學(xué)傳感器，工作電極(WE)檢測(cè)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(diǎn)上產(chǎn)生的電流達(dá)到平衡。恒電位電路保持RE節(jié)點(diǎn)電壓，并提供CE節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的電流。I/V電路把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)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(jī)接口用于系統(tǒng)設(shè)置和顯示。LED、蜂鳴器和振動(dòng)電機(jī)有助于提高警報(bào)的可靠性。

“氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)的瓶頸在于氣體傳感器本身。因?yàn)闅怏w傳感器技術(shù)上的限制，就使得可以輸入的信號(hào)比較微弱。很多放大器可能會(huì)有誤差，這就可能會(huì)對(duì)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(cè)到的信號(hào)，那么測(cè)量的結(jié)果一定是不準(zhǔn)的。”

Brian進(jìn)一步指出：“如檢測(cè)PM2.5時(shí)可能會(huì)用光的方式，即光電二極管也會(huì)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(cè)儀器之后，通常希望能夠長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定，且不需要經(jīng)過校準(zhǔn)就能夠長(zhǎng)時(shí)間使用，所以氣體監(jiān)測(cè)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(cè)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)所面臨的主要挑戰(zhàn)。”

1、 低功耗——由于有毒氣體檢測(cè)需要在盡可能無需維護(hù)的情況下持續(xù)地對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控。因而，盡量延長(zhǎng)電池壽命對(duì)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(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)傳輸電路在實(shí)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(cè)器，為此這些檢測(cè)器需要高度可靠。高精度、抗干擾能力以及出色的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，這些都是設(shè)計(jì)過程中需要考慮的重要因素。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，就需要精確、強(qiáng)健、低漂移的信號(hào)鏈。

3、 降低噪聲——為了充分發(fā)揮電化學(xué)傳感器的動(dòng)態(tài)范圍的優(yōu)勢(shì)，在設(shè)計(jì)信號(hào)鏈時(shí)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(cè)最新方案

針對(duì)以上客戶在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中所遇到的挑戰(zhàn)，ADI提供了完整多樣的信號(hào)鏈器件、最新的實(shí)驗(yàn)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(shí)間完成自己產(chǎn)品的設(shè)計(jì)并快速推向市場(chǎng)。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(jì)靈活的天然優(yōu)勢(shì)。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(jì)。