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低功耗有毒氣體探測器設計
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時(shí)間：2016-12-16
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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安全第一！許多工業(yè)過(guò)程涉及到有毒化合物，例如：制造塑料、農用化學(xué)品和醫藥產(chǎn)品會(huì )用到氯氣；生產(chǎn)半導體需要使用磷化氫和砷化氫；燃燒消費類(lèi)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到危險程度十分重要。
在美國，國家職業(yè)安全與健康研究所(NIOSH)和美國政府工業(yè)衛生學(xué)家會(huì )議(ACGIH)已規定了許多有毒工業(yè)氣體的短時(shí)間和長(cháng)時(shí)間接觸限值。“閾限值—時(shí)間加權平均值”(TLV-TWA)是指大多數工人可以在正常8小時(shí)工作日內反復接觸而不會(huì )受到有害影響的時(shí)間加權平均濃度。“閾限值—短時(shí)間接觸限值”(TLV-STEL)是指大多數工人可以短時(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 )對生命立即或緩慢產(chǎn)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(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
對于檢測或測量有毒氣體濃度的儀器，電化學(xué)傳感器能夠提供多項優(yōu)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(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)重要特性是響應緩慢：首次上電后，傳感器可能需要數分鐘時(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(lái)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(shí)應極其小心并采取適當的通風(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)規格摘要。
表2. CO-AX傳感器技術(shù)規格
對于這種應用中的便攜式儀表，實(shí)現最長(cháng)的電池壽命是最重要的目標，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中，測量電路上電后執行一次測量，然后關(guān)斷進(jìn)入長(cháng)時(shí)間待機狀態(tài)。然而，在這種應用中，由于電化學(xué)傳感器的時(shí)間常數很長(cháng)，測量電路必須始終保持上電狀態(tài)。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，對于恒電位部分和跨導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(cháng)。
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