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安全榜首！许多工业进程涉及到有毒化合物，例如：制作塑料、农用化学品和医药产品会用到氯气；出产半导体需求运用磷化氢和砷化氢；焚烧消费类包装资料会释放出氰化氢。因而，了解有毒气体浓度是否到达风险程度十分重要。
在美国，国家作业安全与健康研究所(NIOSH)和美国政府工业卫生学家会议(ACGIH)已规则了许多有毒工业气体的短时刻和长期触摸限值。“阈限值—时刻加权均匀值”(TLV-TWA)是指大多数工人能够在正常8小时作业日内重复触摸而不会遭到有害影响的时刻加权均匀浓度。“阈限值—短时刻触摸限值”(TLV-STEL)是指大多数工人能够短时刻触摸而不会遭到影响或损伤的浓度。“当即要挟生命或健康的浓度”(IDLHC)是一种限制性浓度，它会对生命当即或缓慢发作要挟，导致不可逆转的健康损害，或许影响工人独立逃生的才干。表1列出了几种常见气体的限值。
表1. 某些常见工业有毒气体的触摸限值
| 有毒气体 | 长期触摸限值(TLV-TWA)(ppm) | 短时刻触摸限值 (TLV-STEL)(ppm) | 当即要挟生命或健康的浓度(IDLHC)(ppm) |
| 一氧化碳 | 50 | 200 | 1,200 |
| 二氧化碳 | 5,000 | 30,000 | 40,000 |
| 氯气 | 0.5 | 1 | 10 |
| 硫化氢 | 10 | 20 | 100 |
关于检测或丈量有毒气体浓度的仪器，电化学传感器能够供给多项优势。大多数传感器都是针对特定气体而规划，可用分辨率小于气体浓度的百万分之一(1 PPM)，所需作业电流极小，十分合适便携式电池供电的仪器。电化学传感器的一个重要特性是呼应缓慢：初次上电后，传感器或许需求数分钟时刻才干树立至终究输出值；露出于中心量程的气体浓度时，传感器或许需求25到40秒时刻才干到达终究输出值的90%。
本文描绘一种运用电化学传感器的便携式一氧化碳(CO)探测器。一氧化碳的IDLH浓度远高于大多数其它有毒气体，处理起来相对更安全。但一氧化碳依然归于致命性气体，测验本文所述电路时应极端当心并采纳恰当的通风办法。
图1所示为Alphasense公司的CO-AX传感器。表2是CO-AX传感器技能标准摘要。
表2. CO-AX传感器技能标准
| 灵敏度 | 55 nA/ppm至90 nA/ppm（典型值65） |
| 呼应时刻 (T90 from 0 ppm to 400 ppm CO) |
< 30 s |
| 规模（确保功能） | 0 ppm 至 2,000 ppm |
| 气体过量限值 | 4,000 ppm |
关于这种运用中的便携式外表，完成最长的电池寿数是最重要的方针，因而，有必要将功耗降到最低，这一点至关重要。在典型的低功耗体系中，丈量电路上电后履行一次丈量，然后关断进入长期待机状况。但是，在这种运用中，由于电化学传感器的时刻常数很长，丈量电路有必要始终坚持上电状况。走运的是，由于呼应缓慢，所以咱们能够运用微功耗放大器、高值电阻和低频滤波器，然后将约翰逊噪声和1/f噪声降至最低。此外，单电源供电可防止双极性电源的功率糟蹋现象。
图2给出了该便携式气体探测器的电路。双通道微功耗放大器ADA4505-2在恒电位装备(U2-A)和跨导装备(U2-B)下运用。该放大器的功耗和输入偏置电流十分低，关于恒电位部分和跨导部分都是很好的挑选。每个放大器的功耗仅10 μA，因而电池寿数十分长。
在三电极电化学传感器中，方针气体分散到传感器，经过一层薄膜后作用于作业电极(WE)。恒电位电路检测参阅电极(RE)的电压，并向辅佐电极(CE)供给电流，使RE端与WE端之间的电压坚持稳定。RE端没有电流流进或流出，因而流出CE端的电流流进WE端，该电流与方针气体浓度成正比。流过WE端的电流或许是正值，也或许是负值，详细取决于传感器中发作的是复原反响仍是氧化反响。关于一氧化碳，发作氧化时，CE端电流为负值（电流流入恒电位运算放大器的输出端）。电阻R4一般十分小，因而WE端的电压约等于VREF。
流入WE端的电流会导致U2-A的输出端发作相关于WE端的负电压。关于一氧化碳传感器，此电压一般为数百毫伏，但关于其它类型的传感器，此电压或许高达1 V。为选用单电源供电，微功耗基准电压源ADR291(U1)将整个电路提升到地以上2.5 V。ADR291的功耗仅12 μA；它还能供给基准电压，以使模数转换器可对此电路的输出进行数字化处理。
跨导放大器的输出电压为：
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(1) |
其间：
IWE为流入WE端的电流。
Rf为跨导电阻（在图2中显现为U4）。
传感器的最大呼应为90 nA/ppm，如表2所示，其最大输入规模为2,000 ppm。因而，最大输出电流为180 μA，最大输出电压由跨导电阻决议，如公式2所示。
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(2) |
针对不同气体或来自不同制作商的传感器具有不同的电流输出规模。假如U4运用可编程变阻器AD5271，而不是固定电阻，就能够针对不同的气体传感器选用相同的结构和资料。此外，这样的产品还支撑互换传感器，由于微控制器能够针对不同的气体传感器，将AD5271设置为恰当的电阻值。AD5271的温度系数为5 ppm/°C，优于大多数分立电阻；其电源电流为1 μA，对体系功耗的影响极小。
选用5 V单电源供电时，依据公式1可知，跨导放大器U2-B的输出规模为2.5 V。假如将AD5271设置为12.5 kΩ，就能够运用传感器最差灵敏度状况下的规模，并能供给大约10%的超量程才干。
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(3) |
选用差分输入ADC时，只需将2.5 V基准电压输出端衔接到ADC的AIN-端，然后消除公式3中的2.5 V项。
电阻R4使跨导放大器的噪声增益坚持在合理水平。R4的值需权衡两个要素：噪声增益的起伏和露出于高浓度气体时传感器的树立时刻误差。关于本电路，R4 = 33 Ω，由此可计算噪声增益等于380，如公式4所示。
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(4) |
跨导放大器的输入噪声应乘以此增益。ADA4505-2的0.1 Hz至10 Hz输入电压噪声为2.95 μV p-p，因而输出端的噪声为：
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(5) |
该输出噪声相当于1.3 ppm p-p以上的气体浓度，这种低频噪声难以滤除。幸亏传感器呼应十分慢，因而由R5和C6构成的低通滤波器能够具有0.16 Hz的截止频率。此滤波器的时刻常数为1秒，与传感器的30秒呼应时刻比较可忽略不计。
Q1为P沟道JFET。电路启动时，栅极电压为VCC，晶体管断开。体系关断时，栅极电压降至0 V，JFET敞开，使RE端和WE端坚持相同的电位。当电路再次启动时，这能够大大改进传感器的敞开树立时刻。
该电路由两节AAA电池供电。运用二极管供给反向电压维护会糟蹋名贵的电能，因而本电路运用P沟道MOSFET (Q2)。该MOSFET经过堵塞反向电压来维护电路，施加正电压时导通。MOSFET的导通电阻小于100 mΩ，因而它引起的压降远小于二极管。除AAA电池以外，降压-升压调节器ADP2503还答应运用最高5.5 V的外部电源。在省电形式下作业时，ADP2503的功耗仅38 μA。由L2、C12和C13构成的滤波器可消除模仿电源轨发作的任何开关噪声。衔接外部电源时，该外表不是经过一个电路来断开电池，而是运用一个插孔以机械方法断开电池，然后防止电能糟蹋。
运用AAA电池时，正常状况（未检测到气体）下的总功耗约为100 μA，最差状况（检测到2,000 ppm CO）下的总功耗约为428 μA。假如该外表与一个微控制器相连，在不进行丈量时可进入低功耗待机形式，则电池寿数可达1年以上。
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NIOSH化学损害袖珍攻略
