中心議題：

• 描述一種使用電化學傳感器的便攜式CO探測器
• 某些常見工業有毒氣體的接觸限值
• 使用電化學傳感器的便攜式氣體探測器介紹

解決方案：

• 可針對不同的氣體傳感器采用相同的結構和材料
• 本電路使用P溝道MOSFET

安全第一！許多工業過程涉及到有毒化合物，例如：製造塑料、農用化學品和醫藥產品會用到氯氣
；生產半導體需要使用磷化氫和砷化氫；燃燒消費類包裝材料會釋放出氰化氫。因此，了解有毒氣體濃度是否達到危險程度十分重要。　　

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小時工作日內反複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-STEL）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）是一種限製性濃度，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。
 

表1. 某些常見工業有毒氣體的接觸限值　　

 

對dui於yu檢jian測ce或huo測ce量liang有you毒du氣qi體ti濃nong度du的de儀yi器qi，電dian化hua學xue傳chuan感gan器qi能neng夠gou提ti供gong多duo項xiang優you勢shi。大da多duo數shu傳chuan感gan器qi都dou是shi針zhen對dui特te定ding氣qi體ti而er設she計ji，可ke用yong分fen辨bian率lv小xiao於yu氣qi體ti濃nong度du的de百bai萬wan分fen之zhi一yi（1 PPM），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：首次上電後，傳感器可能需要數分鍾時間才能建立至最終輸出值

；暴露於中間量程的氣體濃度時


，傳感器可能需要25到40秒時間才能達到最終輸出值的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(nong)度(du)遠(yuan)高(gao)於(yu)大(da)多(duo)數(shu)其(qi)它(ta)有(you)毒(du)氣(qi)體(ti)

，處(chu)理(li)起(qi)來(lai)相(xiang)對(dui)更(geng)安(an)全(quan)。但(dan)一(yi)氧(yang)化(hua)碳(tan)仍(reng)然(ran)屬(shu)於(yu)致(zhi)命(ming)性(xing)氣(qi)體(ti)
，測(ce)試(shi)本(ben)文(wen)所(suo)述(shu)電(dian)路(lu)時(shi)應(ying)極(ji)其(qi)小(xiao)心(xin)並(bing)采(cai)取(qu)適(shi)當(dang)的(de)通(tong)風(feng)措(cuo)施(shi)。
 

圖1. CO-AX一氧化碳傳感器　　

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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。
 

表2. CO-AX傳感器技術規格　　

 

對dui於yu這zhe種zhong應ying用yong中zhong的de便bian攜xie式shi儀yi表biao，實shi現xian最zui長chang的de電dian池chi壽shou命ming是shi最zui重zhong要yao的de目mu標biao
，因yin此ci，必bi須xu將jiang功gong耗hao降jiang到dao最zui低di

，這zhe一yi點dian至zhi關guan重zhong要yao。在zai典dian型xing的de低di功gong耗hao係xi統tong中zhong，測ce量liang電dian路lu上shang電dian後hou執zhi行xing一yi次ci測ce量liang
，然ran後hou關guan斷duan進jin入ru長chang時shi間jian待dai機ji狀zhuang態tai。然ran而er，在zai這zhe種zhong應ying用yong中zhong，由you於yu電dian化hua學xue傳chuan感gan器qi的de時shi間jian常chang數shu很hen長chang，測ce量liang電dian路lu必bi須xu始shi終zhong保bao持chi上shang電dian狀zhuang態tai。幸xing運yun的de是shi，因yin為wei響xiang應ying緩huan慢man，所suo以yi我wo們men可ke以yi使shi用yong微wei功gong耗hao放fang大da器qi、高值電阻和低頻濾波器，從而將約翰遜噪聲和1/f噪聲降至最低。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，對於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10 μA,因此電池壽命非常長。
 

圖2. 使用電化學傳感器的便攜式氣體探測器

在三電極電化學傳感器中
，目標氣體擴散到傳感器
，通過一層薄膜後作用於工作電極（WE）。恒電位電路檢測參考電極（RE）的電壓
，並向輔助電極（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，具體取決於傳感器中發生的是還原反應還是氧化反應。對於一氧化碳
，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端的電壓約等於VREF.　　

流入WE端的電流會導致U2-A的輸出端產生相對於WE端的負電壓。對於一氧化碳傳感器，此電壓通常為數百毫伏

，但對於其它類型的傳感器，此電壓可能高達1 V.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2.5 V.ADR291的功耗僅12 μA;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）。　　

傳感器的最大響應為90 nA/ppm,如表2所示，其最大輸入範圍為2,000 ppm.因此
，最大輸出電流為180 μA,最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製造商的傳感器具有不同的電流輸出範圍。如果U4使用可編程變阻器AD5271,而er不bu是shi固gu定ding電dian阻zu，就jiu可ke以yi針zhen對dui不bu同tong的de氣qi體ti傳chuan感gan器qi采cai用yong相xiang同tong的de結jie構gou和he材cai料liao。此ci外wai，這zhe樣yang的de產chan品pin還hai支zhi持chi調tiao換huan傳chuan感gan器qi
，因yin為wei微wei控kong製zhi器qi可ke以yi針zhen對dui不bu同tong的de氣qi體ti傳chuan感gan器qi，將jiangAD5271設置為適當的電阻值。AD5271的溫度係數為5 ppm/°C,優於大多數分立電阻；其電源電流為1 μA,對係統功耗的影響極小。　　
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采用5 V單電源供電時，根據公式1可知，跨導放大器U2-B的輸出範圍為2.5 V.如果將AD5271設置為12.5 kΩ，就可以利用傳感器最差靈敏度情況下的範圍，並能提供大約10%的超量程能力。　　

使用65 nA/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
，隻需將2.5 V基準電壓輸出端連接到ADC的AIN-端，從而消除公式3中的2.5 V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於高濃度氣體時傳感器的建立時間誤差。對於本電路，R4 = 33 Ω，由此可計算噪聲增益等於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0.1 Hz至10 Hz輸入電壓噪聲為2.95 μV p-p,因此輸出端的噪聲為：　　

該輸出噪聲相當於1.3 ppm p-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0.16 Hz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。係統關斷時，柵極電壓降至0 V,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的導通電阻小於100 mΩ，因此它引起的壓降遠小於二極管。除AAA電池以外，降壓-升壓調節器ADP2503還允許使用最高5.5 V的外部電源。在省電模式下工作時，ADP2503的功耗僅38 μA.由L2、C12和C13gouchengdelvboqikexiaochumonidianyuanguichanshengderenhekaiguanzaosheng。lianjiewaibudianyuanshi，gaiyibiaobushitongguoyigedianlulaiduankaidianchi
，ershiliyongyigechakongyijixiefangshiduankaidianchi，congerbimiandiannenglangfei。　　

使用AAA電池時，正常情況（未檢測到氣體）下的總功耗約為100 μA,最差情況（檢測到2,000 ppm CO）下的總功耗約為428 μA.如果該儀表與一個微控製器相連，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。