|
作者：Linlong Zhang，ADI公司現場應用工程師 摘要 本文概述了用于環境質量監測的氣相色譜傳感器系統的工作原理及其關鍵組件。文中將介紹氣相色譜法如何精確地分析與水和土壤污染相關的化合物，探討氣相色譜系統的主要組成部分，包括進氣口、溫度控制裝置、檢測器和電源子系統。此外，我們還將提供低噪聲放大器、模數轉換器(ADC)、基準電壓和電源管理IC方面的建議，以實現高精度的測量。 簡介 廢氣監測在環境保護中扮演著至關重要的角色。隨著工業廢棄物的增加，一些揮發性有機化合物不斷釋放到空氣中，嚴重影響自然環境和人類健康。 因此，環境監測已成為公眾關注的焦點，旨在減少這些有害排放。然而，傳統的傳感器系統在速度和準確性方面無法滿足當前的需求。更為嚴峻的挑戰是，環境監測系統亟需進一步提升，以應對日益增長的高精度要求。 本文概述了新興氣相色譜技術以及可用的解決方案。 氣相色譜基本理論 
圖1.氣相色譜系統示意圖。 氣相色譜系統主要由進氣系統、自動采樣器系統、分離系統、控制系統、檢測器系統和數據處理組成。圖1所示為氣相色譜法的功能框圖。 氣相色譜法的載氣為流動相，受測樣本為指定固定相，包括固體和液體混合物。隨著載氣的流動，固定相分離并依次流出色譜柱，隨后進入檢測器，產生離子流信號。通過在記錄儀上放大到適當的振幅，這些小信號反映到色譜圖的不同部分。圖2所示為從混合物分離成兩個單獨樣本的過程。綠色和紫色代表兩個不同的樣本，藍色代表混合物。
圖2.分離的過程。 氣相色譜系統解決方案 在圖1的基礎上，ADI公司提供可適用于氣相色譜信號與電源鏈的各種組件。這些組件能夠很好地滿足系統要求，并針對低功耗和噪聲性能進行了優化。 進氣系統 為了控制載氣準確流經檢測器系統以分離混合物，高精度必不可少，這一點可通過使用氣體傳感器來實現。氣體傳感器的輸出多種多樣，比如電流信號、4-20mA環路信號、電壓信號等。圖3所示為進氣系統的信號鏈。
圖3.進氣系統的信號鏈。 ► 電流信號：ADA4530-1是一款飛安級輸入偏置電流運算放大器，適合用作I/V（電流到電壓）轉換，同時提供超低輸入偏置電流（飛安級），確保器件達到系統的精確性能目標。該器件還具有低失調電壓、低失調漂移、低電壓噪聲和電流噪聲特性，適合要求極低漏電流的應用。
圖4.ADA4530-1數據手冊。 將電流信號轉換為電壓信號后，使用AD7175（24位、8/16通道、250 kSPS、Σ-Δ型ADC）可獲得準確的結果。AD7175是一款低噪聲、快速建立、多路復用、8/16通道（全差分/偽差分）Σ-Δ型ADC，可用于低帶寬輸入。 ► 4-20mA信號采樣：若要對通過4-20mA信號傳輸的空氣傳感器輸出進行采樣，AD4111 ADC是理想選擇，因為它集成了用于電流和電壓采樣的檢測電阻，因此具有良好的通道匹配。該器件是一款低功耗、低噪聲、24位Σ-Δ型ADC，它集成了一個模擬前端(AFE)，支持全差分或單端高阻抗(≥1 MΩ)雙極性±10 V電壓輸入和0 mA至20 mA電流輸入。該ADC還集成了關鍵的模擬和數字信號調理模塊，可為使用的每個模擬輸入通道配置八種單獨的設置。對于完全建立的數據，AD4114的最大通道掃描速率為6.21 kSPS (161 μs)。該器件還有獨特的電壓輸入開路檢測功能，支持采用5 V或3.3 V單電源的系統級診斷。 ► 電壓信號：如果選擇具有高分辨率的外部ADC，ADR4xxx系列（即ADR4525/ADR4530）可為該ADC提供高精度基準電壓。或者，一種低成本的方案是使用微控制器單元(MCU)的內部ADC進行采樣，但這可能會犧牲測量精度。 溫度控制系統 溫度由閉環系統控制：LT1241用于驅動以脈寬調制(PWM)作為熱電冷卻器(TEC)電路的MOSFET橋，從而控制熱冷卻器，而電阻溫度檢測器(RTD)回讀溫度，并連接到具有超低噪聲、超低功耗的Σ-Δ型ADC AD7124。AD7124適用于溫度測量應用。為了提高溫度采集精度，該器件可支持2線式熱電偶，并針對3線式RTD配置進行了優化，以滿足不同客戶的期望。 此外，提供集成了TEC控制器的ADN8835。圖5所示為溫度控制系統示意圖。
圖5.溫度控制系統的信號鏈。 檢測器系統 檢測器系統是最后一級，用于描述色譜圖。流量和壓力傳感器用于監測載氣的流動，它們具有不同的采樣要求，故而選擇具有多通道的AD7124和LTC2498。
圖6.檢測器系統的信號鏈。 進入檢測器的離子電流信號通常為皮安級，ADA4530-1用作靜電計放大器，不僅具有低輸入偏置電流，還提供低噪聲和低失調特性。ADA4530-1也是一款具有2 MHz增益帶寬積的運算放大器，由于信號帶寬通常不到幾kHz，因此增益的反饋電阻可能會非常高。級聯的ADA4522-2器件采用具有超低噪聲、超低溫漂的放大器作為第二級放大器，為ADC輸入量程實現足夠的增益。ADA4522-2提供具有低噪聲、低功耗、接地檢測輸入和軌到軌輸出的零漂運算放大器，并針對隨時間、溫度和電壓條件變化的總精度進行了優化。 電源 系統電源來源于24 VDC，并連接到降壓轉換器，以便為放大器、ADC、處理器等電路提供電源。 LT8471和LTM4655是具有正電壓和負電壓的雙輸出。LTM4655的信號鏈包含控制器、功率MOSFET、電感和濾波器，旨在降低設計復雜性，同時提供高EMI抗擾度。
圖7.系統的電源鏈。 結論 氣相色譜法在監測污染物方面發揮著重要作用，幫助保護我們的環境。此外，該技術有潛力、也有能力集成到液相色譜等其他技術中，從而測量和監測更多物質。為了解決現在和未來可能出現的需求，ADI提供廣泛的低噪聲和高精度解決方案來滿足客戶要求并簡化系統設計。 水質監測 ► 地表水和地下水主要受到硝基苯類化合物、重金屬離子的污染。在工業生產過程中，溶解的污染物因相變不完全而有所殘留，對公共健康構成嚴重威脅。氣相色譜法可以高度精確地監測污染物。 土壤殘留農藥監測 ► 在農業活動中，農民在作物上噴灑的農藥可以殺死害蟲，但也會損害人們的健康。氣相色譜法可以準確分析農藥的成分。 一般來說，氣相色譜法也可以輕松集成到液相色譜等其他技術中，以便測量更多物質。因此，這已成為眾多行業與測試機構廣泛使用的一種技術。與此同時，ADI提供低噪聲、高精度信號鏈解決方案，以降低系統設計的復雜性，并實現高分辨率、高穩健性等優異性能。 作者簡介 Linlong Zhang于2019年獲得新加坡南洋理工大學集成電路設計碩士學位。他于2019年加入ADI公司，擔任面向消費電子和醫療健康市場的現場應用工程師。自2022年以來，他一直專注于多個市場的應用。 |
