低功耗有毒氣體探測器設計
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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)已規定了許多有毒工業氣體的短時間和長時間接觸限值。“閾限值—時間加權平均值”(TLV-TWA)是指大多數工人可以在正常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”(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。表1列出了幾種常見氣體的限值。
表1. 某些常見工業有毒氣體的接觸限值
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勢。大多數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的通風措施。
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傳感器技術規格摘要。
表2. CO-AX傳感器技術規格
對于這種應用中的便攜式儀表，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，測量電路上電后執行一次測量，然后關斷進入長時間待機狀態。然而，在這種應用中，由于電化學傳感器的時間常數很長，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。
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