氣體偵測器廣泛地應用在我們的生活環境中，本文將從氣體偵測的原理出發，先介紹幾種常見的檢測方法，例如電化學(Electrochemical， EC)、非色散式紅外線(Non-Dispersive Infrared， NDIR)，與光離子化偵測器(Photo Ionization Detector， PID)。其次以ADI的 偵測器參考設計(電路筆記編號CN-0234與CN-0357)為例，用相同的電化學氣體感測器，分別針對低功耗與低雜訊兩個不同的設計目標，選用不同的晶片進行訊號處理，製作出兩款一氧化碳有毒氣體偵測器展示評估板，並解釋其設計考量、操作原理與測試結果。最後再說明如何用ADI最新發布內建激勵源、轉阻放大器、類比數位轉換器、微控制器、液晶顯示驅動、電容式觸控按鍵、聲音警報與USB2.0介面的系統級計量表晶片ADuCM350進行電化學分析來簡化有毒氣體偵測器設計。
常見的氣體檢測方法
對於檢測或測量有毒氣體濃度的儀器，電化學(Electrochemical， EC)感測器能夠提供多項優勢。大多數感測器都是針對特定氣體而設計，其可用解析度在氣體濃度的百萬分之一(1 ppm)以下，所需工作電流極小，多數可攜式電池供電的低功耗有毒氣體偵測器都是以電化學感測器為基礎的，可涵蓋工業環境中的多數常見有毒氣體，例如一氧化碳(CO)、二氧化硫(SO2)、硫化氫(H2S)、和二氧化氮(NO2)。與其他有毒氣體檢測方法相比，電化學感測器具有功耗低、交叉靈敏度低、長期穩定性出色等特點。電化學感測器另一個重要特性是響應緩慢，首次上電後感測器可能需要數分鐘時間才能穩定建立至最終輸出值;暴露於中間量程步階的氣體濃度時，感應器可能需要25到40秒時間才能達到最終輸出值的90%。下圖1是電化學感測器的系統方塊圖，其中包括氣體感測器、恆電位(Potentiostatic)電路、電流/電壓(I/V)轉換電路、內含類比數位轉換器(ADC)的微控制器、電源管理、通訊介面和警報單元。
圖1:電化學感測器的系統方塊圖
非色散式紅外線(Non-Dispersive Infrared， NDIR)感測器基於吸收光譜學理論，特定氣體吸收特定的紅外光波長，氣體濃度與吸收的紅外光量成正比。非色散性紅外線感測器的優勢是靈敏度高、使用壽命長、維護工作量少並且安全可靠，主要缺點是成本高。非色散性紅外光氣體檢測器常用於檢測甲烷和二氧化碳等。下圖2是非色散性紅外光感測器的系統方塊圖，其中包括氣體感測器、帶通濾波器、內含類比數位轉換器(ADC)的微控制器、電源管理和通訊介面。
圖2:非色散式紅外線感測器的系統方塊圖
光離子化偵測器(Photo Ionization Detector， PID)主要由紫外線和電離室構成。紫外線激發氣體分子，產生電子和離子從而獲得與電離室中氣體濃度相關的電流。光離子化偵測器的優勢是靈敏度高、響應快速、準確度高並且安全可靠，但成本也很高，而且光離子化偵測器的選擇性不好。因此，光離子化偵測器一般用於檢測化學、油氣和航空等行業中的揮發性有機化合物（Volatile Organic Compounds， VOC），如芳烴、酮類和醛類。下圖3是光離子化偵測器的系統方塊圖，包括氣體感測器、轉阻(Transimpedance)放大器、低通濾波器、內含類比數位轉換器(ADC)的微控制器、電源管理和通訊介面。
圖3:光離子化偵測器的系統方塊圖
ADI的一氧化碳有毒氣體偵測器參考設計 : CN-0234與CN-0357
警告:一氧化碳是有毒氣體，一旦濃度高於250 ppm便有危險，測試本電路時應格外小心， 並採取適當的通風措施。
在美國，國家職業安全與健康研究所(National Institute for Occupational Safety and Health， NIOSH)和美國政府工業衛生學家會議(American Conference of Government Industrial Hygienists， 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。「臨界限值—時間加權平均值」(Threshold Limit Value-Time Weighted Average， TLV-TWA)是指大多數工人可以在正常八小時工作日內反覆接觸而不會受到有害影響的時間加權平均濃度。「臨界限值—短時間接觸限值」(Threshold Limit Value-Short Term Exposure Limit， 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」(Immediately Dangerous to Life or Health Concentration， IDLHC)是一種限制性濃度，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。下表1列出了幾種常見有毒氣體的限值。
警告:一氧化碳是有毒氣體，一旦濃度高於250 ppm便有危險，測試本電路時應格外小心， 並採取適當的通風措施。
在美國，國家職業安全與健康研究所(National Institute for Occupational Safety and Health， NIOSH)和美國政府工業衛生學家會議(American Conference of Government Industrial Hygienists， 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。「臨界限值—時間加權平均值」(Threshold Limit Value-Time Weighted Average， TLV-TWA)是指大多數工人可以在正常八小時工作日內反覆接觸而不會受到有害影響的時間加權平均濃度。「臨界限值—短時間接觸限值」(Threshold Limit Value-Short Term Exposure Limit， 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」(Immediately Dangerous to Life or Health Concentration， IDLHC)是一種限制性濃度，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。下表1列出了幾種常見有毒氣體的限值。
表1: 常見有毒氣體的限值
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有毒氣體
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長時間接觸限值
(TLV-TWA)
(ppm)
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短時間接觸限值
(TLV-STEL)
(ppm)
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立即威脅生命或健康的濃度
(IDLHC)
(ppm)
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一氧化碳
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50
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200
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1,200
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二氧化碳
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5,000
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30,000
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40,000
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氯氣
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0.5
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1
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10
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磷化氫
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0.3
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1
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50
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硫化氫
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10
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20
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100
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對於這種應用中的可攜式儀錶，實現最長的電池壽命是最重要的目標，因此，必須將功耗降到最低，這一點至關重要。 在典型的低功耗系統中，測量電路上電後執行一次測量，然後關閉進入長時間待機狀態。然而，在這種應用中，由於電化學感測器的時間常數很長，測量電路必須始終保持上電狀態。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，從而將詹森雜訊(Johnson noise)和1/f雜訊降至最低。此外，單電源供電可避免雙極性電源的功率浪費現象。ADI發布的電路筆記編號CN-0234就是針對此目標所設計的一氧化碳有毒氣體偵測器。
此電路筆記選用的氣體感測器是Alphasense的電化學一氧化碳感測器CO-AX，下圖4顯示了該可攜式氣體偵測器的電路。在三電極電化學感測器中，目標氣體擴散到感測器，通過一層薄膜後作用於工作電極(Working Electrode ， WE)。恒電位(Potentiostatic)電路檢測參考電極 (Reference Electrode， RE)的電壓，並向輔助電極(Counter Electrode， 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，具體取決於感測器中發生的是還原反應還是氧化反應。在一氧化碳情況下發生的是氧化，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。
圖4: 使用電化學感測器的可攜式低功耗氣體偵測器(此為簡化電路，並未包含所有連接)
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。對於一氧化碳感測器，此電壓通常為數百毫伏，但 對於其它類型的感測器，此電壓可能高達1 V。為採用單電源供電，微功耗參考電壓源 ADR291(U1)將整個電路提升到接地以上2.5 V。ADR291的功耗僅12 μA;它還能提供參考電壓，以使類比數位轉換器(ADC)可對此電路的輸出進行數位化處理。根據典型一氧化碳感測器規格，流入WE引腳的電流對於每ppm氣體濃度低於100 nA，因此將此電流轉換為輸出電壓需要具有極低輸入偏置電流的轉阻放大器(Transimpedance Amplifier， TIA)。ADA4505-2運算放大器在室溫下具有最大輸入偏置電流為2 pA的CMOS輸入，且每個放大器的功耗僅10 μA，對於恒電位部分和轉阻部分都是很好的選擇。
針對不同氣體或來自不同製造商的感測器具有不同的電流輸出範圍。如果U4使用可程式化變阻器AD5271，而不是固定電阻，就可以針對不同的氣體感測器採用相同的結構和材料。此外，這樣的產品還支援調換感測器，因為微控制器可以針對不同的氣體感測器，將AD5271設置為適當的電阻值。AD5271的溫度係數為5 ppm/°C，優於大多數分離電阻，其電源電流為1μA，對系統功耗的影響極小。除AAA電池以外，降壓-升壓穩壓器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38μA。使用AAA電池時，本參考設計正常情況(未檢測到氣體)下的總功耗約為100μA，最差情況(檢測到2，000 ppm CO)下的總功耗約 為428μA。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。
此外，CN-0234提供完整的評估與設計資源， 如CN-0234電路評估板(EVAL-CN0234-SDPZ)、系統展示平臺(EVAL-SDP-CB1Z)、電路圖、佈局檔和材料清單， 下圖5顯示電路對50 ppm一氧化碳步階的響應。感測器響應縮短了初始上升時間，而長尾現象與測試室函數有關。
圖5: 對0ppm至50ppm一氧化碳步階的響應
下圖6顯示從50 ppm 一氧化碳環境迅速移除感測器後的電路響應，它所衡量的電路性能更好。更多的細節可造訪本文末參考文獻中ADI的CN-0234網址。
圖6: 對50ppm至0ppm一氧化碳步階的響應
除了可以讓工人隨身攜帶有毒氣體偵測器，許多工業環境之中也每隔一定距離安裝現場有毒氣體偵測器，比如油井、採礦、塑膠生產、造紙等。這些現場偵測器可以用現場提供的電力線供電，以高可靠度(如低溫漂移)與高靈敏度(如低雜訊)為主要指標，而不以功耗為最重要考量。針對這種現場有毒氣體偵測器的需求，ADI發布了另一個編號為CN-0357的電路筆記，其主要電路如下圖7所示。
圖7: 使用電化學感測器的低雜訊氣體偵測器(此為簡化電路，並未包含所有連接)
CN-0357選用的放大器是ADA4528-2， 其在0.1Hz到10Hz的電壓雜訊為97nVp-p，而CN-0234所選用的放大器是ADA4505-2， 其在0.1Hz到10Hz的電壓雜訊為2.95uVp-p。此外， CN-0357選用的參考電壓晶片是ADR3412， 在−40°C到+125°C其溫漂係數為8ppm/°C， 而CN-0234所選用的選用的參考電壓晶片是ADR291G， 在−25°C到+85°C其溫漂係數為25ppm/°C。然而ADA4528-2與ADR3412均需要以更大的功耗來達成較低溫漂與較低雜訊的指標。CN-0357亦提供完整的評估和設計資源， 如CN-0357電路評估板(EVAL-CN0357-PMDZ)、系統展示平臺(EVAL-SDP-CB1Z)、電路圖、佈局檔和材料清單，更多的細節可造訪本文末參考文獻中ADI的CN-0357網址。
以系統級計量表晶片ADuCM350進行電化學分析來簡化有毒氣體偵測器設計
ADuCM350是ADI在今年發布的系統級計量表晶片，它內建了以數位類比轉換器(DAC)或直接數位合成器(DDS)為基礎的可程式化激勵源、轉阻放大器(Trans-impedance Amplifier)、類比數位轉換器(ADC)、微控制器、液晶顯示驅動器、電容式觸控按鍵、聲音警報與通用序列匯流排(USB2.0)介面，其內部電路方塊圖如下圖8。
圖8:ADuCM350的內部方塊圖
如果將圖8的ADuCM350內部方塊圖與圖1的電化學感測器的系統方塊圖做一比較，就不難發現ADuCM350整合了以電化學分析為基礎的有毒氣體偵測器中必備元件，下圖9與10說明了如何用ADuCM350的類比前端(Analog Front End， AFE)對外部感測器分別以四線式與兩線式架構的類比前端激勵迴路。
圖9: ADuCM350對外部感測器的四線式類比前端激勵迴路方塊圖
圖10: ADuCM350對外部感測器的兩線式類比前端激勵迴路方塊圖
由於ADuCM350是系統級的單晶片解決方案，ADI也針對此複雜的晶片提供了完整的線上技術支援，包含可下載各種應用手冊、評估板線路圖、佈局檔、材料清單、與內部多重裝置驅動程式(Device Driver)原始碼等。此外，ADI工程師也會定期上線回答使用者在論壇上所提出的問題。更多的細節可造訪本文末參考文獻中ADI的ADuCM350設計支援與技術論壇網址。
參考文獻
• 低功耗有毒氣體偵测器设计， 類比對話第46卷 (http://www.analog.com/library/analogDialogue/archives/46-02/gas_detector.html )
• ADI電路筆記CN-0234 (http://www.analog.com/cn0234 )
• ADI電路筆記CN-0357 (http://www.analog.com/cn0357 )
• ADI ADuCM350設計支援與技術論壇
(https://ez.analog.com/community/analog-microcontrollers/aducm350 )
• 低功耗有毒氣體偵测器设计， 類比對話第46卷 (http://www.analog.com/library/analogDialogue/archives/46-02/gas_detector.html )
• ADI電路筆記CN-0234 (http://www.analog.com/cn0234 )
• ADI電路筆記CN-0357 (http://www.analog.com/cn0357 )
• ADI ADuCM350設計支援與技術論壇
(https://ez.analog.com/community/analog-microcontrollers/aducm350 )
