“十面霾伏”，ADI專家解讀氣體監測技術趨勢和解決

近段時間，全國各地集中出現霧霾天氣，PM2.5爆表，口罩脫銷，空氣嚴重污染……一度成為網絡的熱門關鍵詞。一時之間，環境監測相關設備備受關注。日前，在一場由易維訊信息咨詢公司主辦的“2013產業和技術展望媒體研討會”上，ADI公司亞太區儀表行業市場經理葉裕民(Brian)先生做了題為“環境監測中氣體監測的技術以及發展趨勢”的演講，這在眼下灰霾圍城的敏感時期，引發了在場各媒體及嘉賓的高度關注。

圖1.ADI公司亞太區儀表行業市場經理葉裕民在“2013產業和技術展望媒體研討會”上分析氣體監測技術趨勢。

Brian指出，最近變得非常熱門的空氣污染防治，主要是顆粒物PM (Particulate Matter) 監測。PM2.5是特指直徑小于或等于2.5微米的顆粒物，不易被阻擋，被吸入人體后會直接進入支氣管，干擾肺部的氣體交換，引發包括哮喘、支氣管炎和心血管病等方面的疾病。PM2.5是嚴重危害人體健康的污染物已經被科學證實，新的《環境空氣質量標準》頒布后， 至2012年9月，已有195個站點完成PM2.5儀器安裝調試并試運行，有138個站點開始正式PM2.5監測并發布數據。

前段時間全國各地PM2.5“爆表門”事件發生后，對該行業來說無疑是一股猛烈的催化劑，將快速幫助該市場實現從試點到規模應用的轉變。根據“十二五”規劃，全國將建設1500個PM2.5監測站點。僅此一項，將產生20億元以上空氣監測儀器采購市場，預計在近兩年內，僅該市場相關監測儀器市場規模將遠超百億元。

Brian還強調，其實氣體監測器除了用于空氣污染防治，還有另一大重要應用就是工業安全領域。許多工業過程涉及到有毒化合物，例如：制造塑料、農用化學品和醫藥產品會用到氯氣;生產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。

為符合人體對有毒氣體的暴露劑量限制, 氣體監測器需要檢測出ppm(百萬分之一)等級濃度的有毒氣體, 如一氧化碳。為此，安全法規要求危險工作場所, 像是煤礦、化學工廠等, 必須在一定空間內裝置有毒氣體與易爆氣體監測器;而便攜式氣體檢測器則可佩帶在工人的服裝上，隨時隨地提供危險警報。

圖2：包括氣體監測在內的各種環境監測設備市場高速成長，發展趨勢包括：便攜式(低功耗)、高可靠、易用、多功能等。

Brian指出：“環境監測是一個高成長的市場，因為大家都對身處的環境和危害身體健康、生命安全的部分越來越重視。在氣體監測儀器產品方面，很多中國儀器儀表中小企業產品賣得不錯，目前是一個百家爭鳴的狀況。”

氣體監測儀系統設計挑戰分析

圖3所示這種毒氣監測器系統可以讓工人隨身攜帶，也可每隔一定距離安裝在工作現場。多數便攜式低功耗有毒氣體檢測器都是以電化學傳感器為基礎的，涵蓋工業環境中的多數常見氣體，比如一氧化碳(CO)、二氧化硫(SO2)、硫化氫(H2S)、和二氧化氮(NO2)。與其他有毒氣體監測方法相比，電化學傳感器具有功耗低、交叉靈敏度低、長期穩定性出色等特點，非常適合電池供電的便攜式應用。

圖3. 一種毒氣監測器的系統框圖，其中包括氣體傳感器、恒壓電路、I/V電路(電流-電壓轉換)、微控制器、供電電路、接口和報警單元。

對于圖3中的電化學傳感器，工作電極(WE)檢測有毒氣體，并根據氣體濃度按比例產生電流，參考電極(RE)使工作電極的電壓保持穩定，以便傳感器工作于線性范圍之內，輔助電極(CE)可以使WE節點上產生的電流達到平衡。恒電位電路保持RE節點電壓，并提供CE節點產生的電流。I/V電路把電流信號轉換為電壓信號傳送至ADC(無論是集成在MCU中還是分立式)。包括LCD和鍵陣列在內的人機接口用于系統設置和顯示。LED、蜂鳴器和振動電機有助于提高警報的可靠性。

“氣體監測技術的瓶頸在于氣體傳感器本身。因為氣體傳感器技術上的限制，就使得可以輸入的信號比較微弱。很多放大器可能會有誤差，這就可能會對偏置電流造成問題。如果本身器件的噪聲誤差已經大于傳感器感測到的信號，那么測量的結果一定是不準的。”

Brian進一步指出：“如檢測PM2.5時可能會用光的方式，即光電二極管也會產生非常小的電流，還有它本身的功耗。而我們一旦安置了氣體監測儀器之后，通常希望能夠長時間的穩定，且不需要經過校準就能夠長時間使用，所以氣體監測儀器的功耗和可靠度要很好。低功耗、高可靠性、降低噪聲是氣體監測器系統設計所面臨的主要挑戰。”

1、 低功耗——由于有毒氣體檢測需要在盡可能無需維護的情況下持續地對環境進行監控。因而，盡量延長電池壽命對這種應用來說是非常重要的。由于電化學氣體傳感器只需極少電流即可工作，因此剩下的信號調理和數據傳輸電路在實現系統低功耗方面發揮著關鍵作用。

2、 高可靠性——在某些工業環境中，人的生命依賴于有毒氣體檢測器，為此這些檢測器需要高度可靠。高精度、抗干擾能力以及出色的長期穩定性，這些都是設計過程中需要考慮的重要因素。為了實現這一目標，就需要精確、強健、低漂移的信號鏈。

3、 降低噪聲——為了充分發揮電化學傳感器的動態范圍的優勢，在設計信號鏈時需要考慮降噪問題。

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