安全第一！許多工業過程涉及有毒化合物，包括用于制造塑料、農用化學品和醫藥產品的氯;用于生產半導體的磷化氫和砷烷;以及燃燒消費品包裝材料時釋放的氰化氫。重要的是要知道何時存在危險濃度。

在美國，國家職業安全與健康研究所（NIOSH）和美國政府工業衛生學家會議（ACGIH）已經為許多有毒工業氣體制定了短期和長期暴露限值。閾值極限值-時間加權平均值 （TLV-TWA） 是大多數工人可以在 8 小時內反復接觸而不會產生不利影響的 TWA 濃度;閾值限值-短期暴露限值（TLV-STEL）是大多數工人可以在短時間內連續暴露而不會受到刺激，損害或損害的濃度;立即危及生命或健康濃度（IDLHC）是一種限制濃度，對生命構成直接或延遲的威脅，會造成不可逆轉的不利健康影響，或會干擾個人獨立逃脫的能力。表1顯示了幾種常見氣體的限值。

表 1.一些常見工業有毒氣體的暴露限值

電化學傳感器為檢測或測量有毒氣體濃度的儀器提供了幾個優點。大多數傳感器都是氣體專用的，可用分辨率低于氣體濃度的百萬分之一，并且在非常小的電流下工作，使其非常適合便攜式電池供電儀器。電化學傳感器的一個重要特點是響應緩慢：首次通電時，傳感器可能需要幾分鐘才能穩定到其最終輸出值;當暴露于氣體濃度的中間量程時，傳感器可能需要 25 到 40 秒才能達到其最終輸出值的 90%。

本文介紹使用電化學傳感器的便攜式一氧化碳（CO）檢測器。一氧化碳的IDLH濃度遠高于大多數其他有毒氣體，因此處理起來相對安全。盡管如此，一氧化碳仍然是致命的，因此在測試此處描述的電路時要格外小心和適當的通風。

表 2.同軸傳感器規格

實現盡可能長的電池壽命是便攜式儀器在此應用中最重要的目標，因此將功耗降至最低至關重要。在典型的低功耗系統中，測量電路上電進行測量，然后關斷很長時間。然而，在此應用中，由于電化學傳感器的時間常數較長，測量電路必須保持連續供電。幸運的是，低響應允許使用微功率放大器、高阻值電阻和低頻濾波器，從而最大限度地減少約翰遜噪聲和 1/f 噪聲。此外，單電源操作避免了雙極性電源的功耗浪費。

圖2顯示了便攜式氣體檢測儀的電路。ADA4505-2雙通道微功耗放大器采用恒電位儀配置（U2-A）和跨阻配置（U2-B）。該放大器是恒電位儀和跨阻部分的理想選擇，因為它的功耗和輸入偏置電流極低。每個放大器僅消耗10 μA電流，可實現非常長的電池壽命。

圖2.使用電化學傳感器的便攜式氣體檢測儀。

在三電極電化學傳感器中，目標氣體在與工作電極（WE）相互作用之前通過膜擴散到傳感器中。恒電位儀電路檢測參比電極 （RE） 上的電壓，并為對電極 （CE） 提供在 RE 和 WE 端子之間保持恒定電壓所需的電流。沒有電流流入或流出RE端子，因此從CE端子流出的電流流入WE端子。該電流與目標氣體濃度成正比。通過WE端子的電流可以是正的，也可以是負的，這取決于傳感器中是發生還原還是氧化。對于一氧化碳，會發生氧化，導致CE端電流為負（電流流入恒電位儀運算放大器的輸出）。電阻R4通常非常小，因此WE端子的電壓大約等于V裁判.

流入WE端子的電流導致U2-A輸出端相對于WE端子產生負電壓。對于一氧化碳傳感器，該電壓通常為幾百毫伏，但對于其他類型的傳感器，該電壓可能高達1 V。采用單電源供電時，ADR291微功耗基準電壓源U1將整個電路提升至地以上2.5 V。ADR291的功耗僅為12 μA;它還可以為模數轉換器提供基準電壓，以對該電路的輸出進行數字化處理。

跨阻放大器的輸出電壓簡單為：

(1)

哪里：
我我們是進入WE終端的電流。
Rf是跨阻電阻（如圖2中的U4所示）。

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。這導致最大輸出電流為180 μA，最大輸出電壓由跨阻電阻決定，如公式2所示。

不同氣體或來自不同制造商的傳感器將具有不同的電流輸出范圍。使用用于U4的可編程變阻器AD5271代替固定電阻，可以為不同的氣體傳感器保持單個組件和物料清單。此外，它還允許產品具有可互換的傳感器，因為微控制器可以將AD5271設置為每種不同氣體傳感器的適當電阻值。AD5271的5 ppm/°C溫度系數優于大多數分立電阻，其1 μA電源電流對系統功耗的影響非常小。

根據公式1，采用5 V單電源供電時，跨阻放大器U2-B的輸出端提供2.5 V范圍。將AD5271設置為12.5 kΩ可利用最差情況下傳感器靈敏度的可用范圍，并允許大約10%的超量程能力。

使用典型的 65nA/ppm 傳感器響應，輸出電壓可以轉換為一氧化碳的 ppm，如下所示：

(3)

使用差分輸入 ADC，只需將 2.5V 基準電壓源輸出連接到 ADC 的 A在– 端子，消除公式3中的2.5 V項。

電阻R4將跨阻放大器的噪聲增益保持在合理水平。R4的值是噪聲增益幅度與傳感器暴露于高濃度氣體時的建立時間誤差之間的折衷。對于本電路，R4 = 33 Ω，噪聲增益為380，如公式4所示。

(4)

跨阻放大器的輸入噪聲乘以該增益。ADA4505-2的0.1 Hz至10 Hz輸入電壓噪聲為2.95 μV p-p，因此在輸出端看到的噪聲為

(5)

輸出噪聲相當于超過1.3 ppm p-p的氣體濃度。這種低頻噪聲很難濾除。幸運的是，傳感器響應非常慢，因此R5和C6形成的低通濾波器可以具有0.16 Hz的截止頻率。該濾波器的時間常數為1秒，與傳感器的30秒響應時間相比可以忽略不計。

Q1 是 P 溝道 JFET。當電路導通時，柵極處于V狀態抄送，并且晶體管關閉。當系統斷電時，柵極降至0 V，JFET導通以將RE和WE端子保持在相同的電位。這大大改善了電路再次導通時傳感器的導通建立時間。

兩節 AAA 電池為電路供電。使用二極管進行反向電壓保護會浪費寶貴的能量，因此本電路改用P溝道MOSFET （Q2）。MOSFET 通過阻斷反向電壓來保護電路，并在施加正電壓時導通。MOSFET 的導通電阻小于 100 mΩ，導致壓降比二極管小得多。ADP2503降壓-升壓穩壓器允許使用高達5.5 V的外部電源以及AAA電池。在省電模式下工作時，ADP2503的功耗僅為38 μA。由L2、C12和C13組成的濾波器可消除模擬電源軌中的任何開關噪聲。連接外部電源時，使用機械斷開電池的插孔不是使用電路斷開電池，而是在插入外部電源連接器時機械斷開電池，從而避免了電源浪費。

從 AAA 電池汲取的總電流在正常條件下（未檢測到氣體）約為 100 μA，在最壞情況下（檢測到 2，000 ppm CO）約為 428 μA。當儀器連接到可以在不進行測量的情況下進入低功耗待機模式的微控制器時，電池壽命可以延長到一年以上。

審核編輯：郭婷