低功耗有毒氣體探測(cè)器設(shè)計(jì)
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在美國(guó)，國(guó)家職業(yè)安全與健康研究所(NIOSH)和美國(guó)政府工業(yè)衛(wèi)生學(xué)家會(huì)議(ACGIH)已規(guī)定了許多有毒工業(yè)氣體的短時(shí)間和長(zhǎng)時(shí)間接觸限值。“閾限值—時(shí)間加權(quán)平均值”(TLV-TWA)是指大多數(shù)工人可以在正常8小時(shí)工作日內(nèi)反復(fù)接觸而不會(huì)受到有害影響的時(shí)間加權(quán)平均濃度。“閾限值—短時(shí)間接觸限值”(TLV-STEL)是指大多數(shù)工人可以短時(shí)間接觸而不會(huì)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(huì)對(duì)生命立即或緩慢產(chǎn)生威脅，導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的健康損害，或者影響工人獨(dú)立逃生的能力。表1列出了幾種常見(jiàn)氣體的限值。
表1. 某些常見(jiàn)工業(yè)有毒氣體的接觸限值
對(duì)于檢測(cè)或測(cè)量有毒氣體濃度的儀器，電化學(xué)傳感器能夠提供多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。大多數(shù)傳感器都是針對(duì)特定氣體而設(shè)計(jì)，可用分辨率小于氣體濃度的百萬(wàn)分之一(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(xué)傳感器的一個(gè)重要特性是響應(yīng)緩慢：首次上電后，傳感器可能需要數(shù)分鐘時(shí)間才能建立至最終輸出值；暴露于中間量程的氣體濃度時(shí)，傳感器可能需要25到40秒時(shí)間才能達(dá)到最終輸出值的90%。
本文描述一種使用電化學(xué)傳感器的便攜式一氧化碳(CO)探測(cè)器。一氧化碳的IDLH濃度遠(yuǎn)高于大多數(shù)其它有毒氣體，處理起來(lái)相對(duì)更安全。但一氧化碳仍然屬于致命性氣體，測(cè)試本文所述電路時(shí)應(yīng)極其小心并采取適當(dāng)?shù)耐L(fēng)措施。
圖1. CO-AX一氧化碳傳感器
圖1所示為 Alphasense公司的CO-AX傳感器。表2是CO-AX傳感器技術(shù)規(guī)格摘要。
表2. CO-AX傳感器技術(shù)規(guī)格
對(duì)于這種應(yīng)用中的便攜式儀表，實(shí)現(xiàn)最長(zhǎng)的電池壽命是最重要的目標(biāo)，因此，必須將功耗降到最低，這一點(diǎn)至關(guān)重要。在典型的低功耗系統(tǒng)中，測(cè)量電路上電后執(zhí)行一次測(cè)量，然后關(guān)斷進(jìn)入長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)狀態(tài)。然而，在這種應(yīng)用中，由于電化學(xué)傳感器的時(shí)間常數(shù)很長(zhǎng)，測(cè)量電路必須始終保持上電狀態(tài)。幸運(yùn)的是，因?yàn)轫憫?yīng)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(fèi)現(xiàn)象。
圖2給出了該便攜式氣體探測(cè)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(dǎo)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(duì)于恒電位部分和跨導(dǎo)部分都是很好的選擇。每個(gè)放大器的功耗僅10 μA，因此電池壽命非常長(zhǎng)。
評(píng)論