低功耗有毒氣體探測器的設計

　　摘要：許多工業過程涉及到有毒化合物，對于檢測或測量有毒氣體濃度的儀器，電化學傳感器能夠提供多項優勢。
　　
　　在美國，國家職業安全與健康研究所（NIOSH）和美國政府工業衛生學家會議（ACGIH）已規定了許多有毒工業氣體的短時間和長時間接觸限值。“閾限值—時間加權平均值”（TLV-TWA）是指大多數工人可以在正常8小時工作日內反復接觸而不會受到有害影響的時間加權平均濃度。“閾限值—短時間接觸限值”（TLV-S）是指大多數工人可以短時間接觸而不會受到刺激或傷害的濃度。“立即威脅生命或健康的濃度”（IDLHC）是一種限制性濃度，它會對生命立即或緩慢產生威脅，導致不可逆轉的健康損害，或者影響工人獨立逃生的能力。表1列出了幾種常見氣體的限值。
　　　　
　　對于檢測或測量有毒氣體濃度的儀器，電化學傳感器能夠提供多項優勢。大多數傳感器都是針對特定氣體而設計，可用分辨率小于氣體濃度的百萬分之一（1PPM），所需工作電流極小，非常適合便攜式電池供電的儀器。電化學傳感器的一個重要特性是響應緩慢：上電后，傳感器可能需要數分鐘時間才能建立至zui終輸出值；暴露于中間量程的氣體濃度時，傳感器可能需要25到40秒時間才能達到zui終輸出值的90%。
　　
　　本文描述一種使用電化學傳感器的便攜式一氧化碳（CO）探測器。一氧化碳的IDLH濃度遠高于大多數其它有毒氣體，處理起來相對更安全。但一氧化碳仍然屬于致命性氣體，測試本文所述電路時應極其小心并采取適當的通風措施。　　　　
　　圖1所示為Alphasense公司的CO-AX傳感器。表2是CO-AX傳感器技術規格摘要。　　　　
　　對于這種應用中的便攜式儀表，實現zui長的電池壽命是zui重要的目標，因此，必須將功耗降到zui低，這一點至關重要。在典型的低功耗系統中，測量電路上電后執行一次測量，然后關斷進入長時間待機狀態。然而，在這種應用中，由于電化學傳感器的時間常數很長，測量電路必須始終保持上電狀態。幸運的是，因為響應緩慢，所以我們可以使用微功耗放大器、高值電阻和低頻濾波器，從而將*噪聲和1/f噪聲降至zui低。此外，單電源供電可避免雙極性電源的功率浪費現象。
　　
　　圖2給出了該便攜式氣體探測器的電路。雙通道微功耗放大器ADA4505-2在恒電位配置（U2-A）和跨導配置（U2-B）下使用。該放大器的功耗和輸入偏置電流非常低，對于恒電位部分和跨導部分都是很好的選擇。每個放大器的功耗僅10μA，因此電池壽命非常長。　　　　
　　在三電極電化學傳感器中，目標氣體擴散到傳感器，通過一層薄膜后作用于工作電極（WE）。恒電位電路檢測參考電極（RE）的電壓，并向輔助電極（CE）提供電流，使RE端與WE端之間的電壓保持恒定。RE端沒有電流流進或流出，因此流出CE端的電流流進WE端，該電流與目標氣體濃度成正比。流過WE端的電流可能是正值，也可能是負值，具體取決于傳感器中發生的是還原反應還是氧化反應。對于一氧化碳，發生氧化時，CE端電流為負值（電流流入恒電位運算放大器的輸出端）。電阻R4通常非常小，因此WE端的電壓約等于VREF.
　　
　　流入WE端的電流會導致U2-A的輸出端產生相對于WE端的負電壓。對于一氧化碳傳感器，此電壓通常為數百毫伏，但對于其它類型的傳感器，此電壓可能高達1V。為采用單電源供電，微功耗基準電壓源ADR291（U1）將整個電路提升到地以上2.5V。ADR291的功耗僅12μA；它還能提供基準電壓，以使模數轉換器可對此電路的輸出進行數字化處理。
　　
　　跨導放大器的輸出電壓為：　　
　　其中：
　　
　　IWE為流入WE端的電流。
　　
　　Rf為跨導電阻（在圖2中顯示為U4）。
　　
　　傳感器的zui大響應為90nA/ppm，如表2所示，其zui大輸入范圍為2，000ppm。因此，zui大輸出電流為180μA，zui大輸出電壓由跨導電阻決定，如公式2所示。　　
　　針對不同氣體或來自不同制造商的傳感器具有不同的電流輸出范圍。如果U4使用可編程變阻器AD5271，而不是固定電阻，就可以針對不同的氣體傳感器采用相同的結構和材料。此外，這樣的產品還支持調換傳感器，因為微控制器可以針對不同的氣體傳感器，將AD5271設置為適當的電阻值。AD5271的溫度系數為5ppm/°C，優于大多數分立電阻；其電源電流為1μA，對系統功耗的影響極小。
　　
　　采用5V單電源供電時，根據公式1可知，跨導放大器U2-B的輸出范圍為2.5V。如果將AD5271設置為12.5kΩ，就可以利用傳感器zui差靈敏度情況下的范圍，并能提供大約10%的超量程能力。
　　
　　使用65nA/ppm的典型傳感器響應，可以通過下式將輸出電壓轉換為一氧化碳的ppm：　　
　　采用差分輸入ADC時，只需將2.5V基準電壓輸出端連接到ADC的AIN-端，從而消除公式3中的2.5V項。
　　
　　電阻R4使跨導放大器的噪聲增益保持在合理水平。R4的值需權衡兩個因素：噪聲增益的幅度和暴露于高濃度氣體時傳感器的建立時間誤差。對于本電路，R4=33Ω，由此可計算噪聲增益等于380，如公式4所示。　　
　　跨導放大器的輸入噪聲應乘以此增益。ADA4505-2的0.1Hz至10Hz輸入電壓噪聲為2.95μVp-p，因此輸出端的噪聲為：　　
　　該輸出噪聲相當于1.3ppmp-p以上的氣體濃度，這種低頻噪聲難以濾除。幸好傳感器響應非常慢，因此由R5和C6構成的低通濾波器可以具有0.16Hz的截止頻率。此濾波器的時間常數為1秒，與傳感器的30秒響應時間相比可忽略不計。
　　
　　Q1為P溝道JFET。電路啟動時，柵極電壓為VCC，晶體管斷開。系統關斷時，柵極電壓降至0V，JFET開啟，使RE端和WE端保持相同的電位。當電路再次啟動時，這可以大大改善傳感器的開啟建立時間。
　　
　　該電路由兩節AAA電池供電。使用二極管提供反向電壓保護會浪費寶貴的電能，因此本電路使用P溝道MOSFET（Q2）。該MOSFET通過阻塞反向電壓來保護電路，施加正電壓時導通。MOSFET的導通電阻小于100mΩ，因此它引起的壓降遠小于二極管。除AAA電池以外，降壓-升壓調節器ADP2503還允許使用zui高5.5V的外部電源。在省電模式下工作時，ADP2503的功耗僅38μA。由L2、C12和C13構成的濾波器可消除模擬電源軌產生的任何開關噪聲。連接外部電源時，該儀表不是通過一個電路來斷開電池，而是利用一個插孔以機械方式斷開電池，從而避免電能浪費。
　　
　　使用AAA電池時，正常情況（未檢測到氣體）下的總功耗約為100μA，zui差情況（檢測到2，000ppmCO）下的總功耗約為428μA。如果該儀表與一個微控制器相連，在不進行測量時可進入低功耗待機模式，則電池壽命可達1年以上。