气相色谱传感器解决环境监测需求

简介

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废气监测在环境保护中扮演着至关重要的角色。随着工业废弃物的增加，一些挥发性有机化合物不断释放到空气中，严重影响自然环境和人类健康。

因此，环境监测已成为公众关注的焦点，旨在减少这些有害排放。然而，传统的传感器系统在速度和准确性方面无法满足当前的需求。更为严峻的挑战是，环境监测系统亟需进一步提升，以应对日益增长的高精度要求。

本文概述了新兴气相色谱技术以及可用的解决方案。

气相色谱基本理论

图1 气相色谱系统示意图

气相色谱系统主要由进气系统、自动采样器系统、分离系统、控制系统、检测器系统和数据处理组成。图1所示为气相色谱法的功能框图。

气相色谱法的载气为流动相，受测样本为指定固定相，包括固体和液体混合物。随着载气的流动，固定相分离并依次流出色谱柱，随后进入检测器，产生离子流信号。通过在记录仪上放大到适当的振幅，这些小信号反映到色谱图的不同部分。图2所示为从混合物分离成两个单独样本的过程。绿色和紫色代表两个不同的样本，蓝色代表混合物。

图2 分离的过程

气相色谱系统解决方案

在图1的基础上，ADI公司提供可适用于气相色谱信号与电源链的各种组件。这些组件能够很好地满足系统要求，并针对低功耗和噪声性能进行了优化。

进气系统

为了控制载气准确流经检测器系统以分离混合物，高精度必不可少，这一点可通过使用气体传感器来实现。气体传感器的输出多种多样，比如电流信号、4-20mA环路信号、电压信号等。图3所示为进气系统的信号链。

图3 进气系统的信号链

■   电流信号：ADA4530-1是一款飞安级输入偏置电流运算放大器，适合用作I/V（电流到电压）转换，同时提供超低输入偏置电流（飞安级），确保器件达到系统的精确性能目标。该器件还具有低失调电压、低失调漂移、低电压噪声和电流噪声特性，适合要求极低漏电流的应用。

图4 ADA4530-1数据手册

将电流信号转换为电压信号后，使用AD7175（24位、8/16通道、250 kSPS、Σ-Δ型ADC）可获得准确的结果。AD7175是一款低噪声、快速建立、多路复用、8/16通道（全差分/伪差分）Σ-Δ型ADC，可用于低带宽输入。

■   4-20mA信号采样：若要对通过4-20mA信号传输的空气传感器输出进行采样，AD4111 ADC是理想选择，因为它集成了用于电流和电压采样的检测电阻，因此具有良好的通道匹配。该器件是一款低功耗、低噪声、24位Σ-Δ型ADC，它集成了一个模拟前端(AFE)，支持全差分或单端高阻抗(≥1 MΩ)双极性±10 V电压输入和0 mA至20 mA电流输入。该ADC还集成了关键的模拟和数字信号调理模块，可为使用的每个模拟输入通道配置八种单独的设置。对于完全建立的数据，AD4114的最大通道扫描速率为6.21 kSPS (161 µs)。该器件还有独特的电压输入开路检测功能，支持采用5 V或3.3 V单电源的系统级诊断。

■   电压信号：如果选择具有高分辨率的外部ADC，ADR4xxx系列（即ADR4525/ADR4530）可为该ADC提供高精度基准电压。或者，一种低成本的方案是使用微控制器单元(MCU)的内部ADC进行采样，但这可能会牺牲测量精度。

温度控制系统

温度由闭环系统控制：LT1241用于驱动以脉宽调制(PWM)作为热电冷却器(TEC)电路的MOSFET桥，从而控制热冷却器，而电阻温度检测器(RTD)回读温度，并连接到具有超低噪声、超低功耗的Σ-Δ型ADC AD7124。AD7124适用于温度测量应用。为了提高温度采集精度，该器件可支持2线式热电偶，并针对3线式RTD配置进行了优化，以满足不同客户的期望。

此外，提供集成了TEC控制器的ADN8835。图5所示为温度控制系统示意图。

图5 温度控制系统的信号链

检测器系统

检测器系统是最后一级，用于描述色谱图。流量和压力传感器用于监测载气的流动，它们具有不同的采样要求，故而选择具有多通道的AD7124和LTC2498。

图6 检测器系统的信号链

进入检测器的离子电流信号通常为皮安级，ADA4530-1用作静电计放大器，不仅具有低输入偏置电流，还提供低噪声和低失调特性。ADA4530-1也是一款具有2 MHz增益带宽积的运算放大器，由于信号带宽通常不到几kHz，因此增益的反馈电阻可能会非常高。级联的ADA4522-2器件采用具有超低噪声、超低温漂的放大器作为第二级放大器，为ADC输入量程实现足够的增益。ADA4522-2提供具有低噪声、低功耗、接地检测输入和轨到轨输出的零漂运算放大器，并针对随时间、温度和电压条件变化的总精度进行了优化。

电源

系统电源来源于24 VDC，并连接到降压转换器，以便为放大器、ADC、处理器等电路提供电源。

LT8471和LTM4655是具有正电压和负电压的双输出。LTM4655的信号链包含控制器、功率MOSFET、电感和滤波器，旨在降低设计复杂性，同时提供高EMI抗扰度。

图7 系统的电源链

结论

气相色谱法在监测污染物方面发挥着重要作用，帮助保护我们的环境。此外，该技术有潜力、也有能力集成到液相色谱等其他技术中，从而测量和监测更多物质。为了解决现在和未来可能出现的需求，ADI提供广泛的低噪声和高精度解决方案来满足客户要求并简化系统设计。

水质监测

■   地表水和地下水主要受到硝基苯类化合物、重金属离子的污染。在工业生产过程中，溶解的污染物因相变不完全而有所残留，对公共健康构成严重威胁。气相色谱法可以高度精确地监测污染物。

土壤残留农药监测

■   在农业活动中，农民在作物上喷洒的农药可以杀死害虫，但也会损害人们的健康。气相色谱法可以准确分析农药的成分。

一般来说，气相色谱法也可以轻松集成到液相色谱等其他技术中，以便测量更多物质。因此，这已成为众多行业与测试机构广泛使用的一种技术。与此同时，ADI提供低噪声、高精度信号链解决方案，以降低系统设计的复杂性，并实现高分辨率、高稳健性等优异性能。

作者简介

Linlong Zhang于2019年获得新加坡南洋理工大学集成电路设计硕士学位。他于2019年加入ADI公司，担任面向消费电子和医疗健康市场的现场应用工程师。自2022年以来，他一直专注于多个市场的应用。