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低功耗有毒氣體探測器設計 探測器技術指標

時間:2020-07-30    來源:儀多多儀器網(wǎng)    作者:儀多多商城     
安全第一!許多工業(yè)過程涉及到有毒化合物,例如:制造塑料、農(nóng)用化學品和醫(yī)藥產(chǎn)品會用到氯氣;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(yè)安全與健康研究所(NIOSH)和美國政府工業(yè)衛(wèi)生學家會議(ACGIH)已規(guī)定了許多有毒工業(yè)氣體的短時間和長時間接觸限值?!伴撓拗怠獣r間加權平均值”(TLV-TWA)是指大多數(shù)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-STEL)是指大多數(shù)工人可以短時間接觸而不會受到刺激或傷害的濃度?!傲⒓赐{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(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(yōu)勢。大多數(shù)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(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:首次上電后,傳感器可能需要數(shù)分鐘時間才能建立至最終輸出值;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濃度遠高于大多數(shù)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?shù)耐L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傳感器技術規(guī)格摘要。


表2. CO-AX傳感器技術規(guī)格

對于這種應用中的便攜式儀表,實現(xiàn)最長的電池壽命是較為重要的目標,因此,必須將功耗降到最低,這一點至關重要。在典型的低功耗系統(tǒng)中,測量電路上電后執(zhí)行一次測量,然后關斷進入長時間待機狀態(tài)。然而,在這種應用中,由于電化學傳感器的時間常數(shù)很長,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(xiàn)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(fā)生的是還原反應還是氧化反應。對于一氧化碳,發(fā)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(chǎn)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(shù)百毫伏,但對于其它類型的傳感器,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(shù)轉換器可對此電路的輸出進行數(shù)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,其最大輸入范圍為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(chǎn)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?shù)碾娮柚?。AD5271的溫度系數(shù)為5 ppm/°C,優(yōu)于大多數(shù)分立電阻;其電源電流為1 μA,對系統(tǒng)功耗的影響極小。

采用5 V單電源供電時,根據(jù)公式1可知,跨導放大器U2-B的輸出范圍為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范圍,并能提供大約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,只需將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于高濃度氣體時傳感器的建立時間誤差。對于本電路,R4 = 33 Ω,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0.1 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:

該輸出噪聲相當于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(shù)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(tǒng)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(jié)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100 mΩ,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(jié)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C13構成的濾波器可消除模擬電源軌產(chǎn)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。

參考文獻
NIOSH化學危害袖珍指南
http://www.cdc.gov/niosh/npg/
Alphasense CO-AX數(shù)據(jù)手冊
http://www.alphasense.com/pdf/COAX.pdf

作者簡介
Luis Orozco [luis.orozco@analog.com] 是ADI公司工業(yè)和儀器儀表部系統(tǒng)應用工程師,主要涉足精密儀器儀表、化學分析和環(huán)境監(jiān)測應用。他于2011年2月加入ADI公司。
探測器的那些類目及特點

    氣體探測器由傳感器和變送電路部分組成,安裝在一個殼體內。

    電路部分用以轉換,放大和處理傳感器的檢測信號,分為模擬量電路(普通型)和數(shù)字量電路(智能型)兩種類型。

    探測器按檢測對象和檢測原理分類:

    常用可燃氣體探測器(催化燃燒式可燃氣體探測器,紅外吸收式可燃氣體探測器,半導體式可燃氣體探測器)

    常用有毒氣體探測器(電化學式有毒氣體探測器,光離子化式有毒氣體探測器,半導體式有毒氣體探測器)

    按電路特點分類:(普通型:模擬量電路,智能型:數(shù)字量電路)

    另外,還有隔爆型和本安型,帶顯示型和不帶顯示型等多種分類方法。

    由于探測器安裝在條件較差的現(xiàn)場,而且長期連續(xù)自動檢測;

    因此,要求具有以下特點:

    高穩(wěn)定性,包括靈敏度和零點都要有較高的穩(wěn)定性

    凋零和標定方便

    抗中毒能力強,使用壽命長

    要有防爆功能

    牢固可靠,防水防塵

    更換傳感器方便

    安裝方便可靠,配備專用工具

    有毒氣體探測器帶LED現(xiàn)場顯示探測器采用紅外遙控器操作;

    無顯示探測器采用磁棒操作,現(xiàn)場無須開蓋即可調整零點和滿度,可與報警控制器配套使用,也可直接接入DCS或PLC系統(tǒng)。

標簽: 探測器
探測器標簽: 探測器的那些類目及特點_探測器組合標題:
氣體探測器的原理與維護

    新型氣體檢測儀器采用高性能催化燃燒氣敏元器件和微控制器技術,結合精良SMD工藝制造而成,具有良好的重復性和溫濕度特性、使用壽命長、操作方便等優(yōu)點。

    適應于工業(yè)環(huán)境中檢測氣體濃度??扇細怏w探測器將空氣中可燃氣體濃度信號轉化為數(shù)字信號顯示,采用三線制4~20mA的電流信號輸出方式,具有傳輸距離遠、抗干擾性能好等特點。

    可燃氣體探測器適用于煉油廠、化工廠、液化氣站、燃氣鍋爐房、加油加氣站、噴漆房等存在可燃氣體的工業(yè)現(xiàn)場,進行氣體安全檢測報警。

 

    維修與保養(yǎng)

    1.保持探測器表面清潔,以免堵塞,而影響使用。

    2.經(jīng)常檢查探測器有無意外進水,以免因元件浸水,而影響其性能。

    3.嚴謹用戶和非專業(yè)人員私自拆卸儀器。

    4.嚴謹用大量氣體直沖探測器,否則影響傳感器壽命。

    5.正常工作狀態(tài)下,每年標定一次。

    6.本儀器保修一年,終生服務。

    原理

    入射粒子使高壓電極和收集電極間的氣體電離,生成的電子離子對電場的作用下向兩極漂移,在收集電極上產(chǎn)生輸出脈沖,反饋到測量系統(tǒng)稱為具體的電信號并顯示在屏幕上。

    (錯。這是氣體核輻射探測器的原理,不是可燃氣體探測器的原理??扇細怏w探測器的大致原理是用電化學方式檢測被測氣體。

    而氣體核輻射探測器是用工作氣體檢測入射粒子個數(shù)的計數(shù)器,像蓋革計數(shù)器、正比計數(shù)器之類的東西。)

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氣體探測器 氣體探測器的原理與維護_氣體探測器

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