摘要
本文概述了用於環境品質監測的氣相色譜感測器系統的工作原理和元件。它描述了氣相色譜如何精確分析與水和土壤污染相關的化合物。本文討論了氣相色譜系統的關鍵元件，包括進氣口、溫度控制、檢測器和電源子系統。本文還將為低雜訊放大器、模數轉換器 （ADC）、基準電壓源和電源管理IC提供建議，以實現高精度測量。
介紹
廢氣監測在環境保護方面發揮著重要作用。由於工業廢棄物，一些揮發性有機化合物會擴散到空氣中，這將對自然環境和人類健康產生影響。
人們非常重視環境監測以減少這些排放。然而，傳統的感測器系統無法滿足當今所需的速度和精度要求。為了加劇挑戰，還需要增強環境監測系統以滿足高精度要求。
本文概述了新興的氣相色譜技術以及可用的解決方案。
基礎氣相色譜理論
氣相色譜系統主要由進氣系統、自動進樣器系統、分離系統、控制系統、檢測器系統和數據處理組成。氣相色譜的框圖如圖 1 所示。
圖 1.氣相色譜儀系統示意圖。
氣相色譜法的載體是流動相，被測樣品稱為固定相，包括固體和液體混合物。固定相通過氣流運動分離，以依次離開色譜柱。之後，它進入檢測器併產生離子流信號。這些小信號通過在記錄儀上放大到合適的振幅，反射到色譜圖的不同組分。從混合物到兩個單獨樣品的分離過程如圖 2 所示。綠色和紫色代表兩種不同的樣品，藍色代表混合物。
圖 2.分離的過程。
氣相色譜系統解決方案
根據圖 1，Analog Devices 擁有適用於氣相色譜信號和電源供應鏈的各種元件。這些元件非常適合滿足系統要求，並針對低功耗和雜訊性能進行了優化。
進氣系統
需要非常精確地控制載體的流量，以準確通過檢測器系統以分離混合物，這是通過使用氣體感測器實現的。氣體感測器具有電流信號、4-20mA 迴路信號、電壓信號等多種輸出。進氣系統的信號鏈如圖 3 所示。
圖 3.進氣系統的信號鏈。
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電流信號：ADA4530-1是一款飛安級輸入偏置電流運算放大器，用作 I/V（電流到電壓）轉換，提供超低輸入偏置電流（飛安），確保器件滿足系統中的準確性能目標。它還提供低失調電壓、低失調漂移以及低電壓和電流雜訊，以滿足需要如此低洩漏的應用類型的需求。
圖 4.ADA4530-1 數據表。
將電流信號轉換為電壓信號后，AD7175（24 位、8/16 通道、250 kSPS、Σ-Δ ADC）用於獲得準確的結果。AD7175 是一款低雜訊、快速建立、多路複用、8/16 通道（全/偽差分）Σ-Δ ADC，適用於低頻寬輸入。
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4–20mA 信號採樣：該AD4111 系列ADC 是對 4–20mA 信號傳輸的空氣感測器輸出進行採樣的不錯選擇，因為它集成了用於電流和電壓採樣的感應電阻器，因此具有非常好的通道匹配。該元件是一款低功耗、低雜訊、24 位 Σ-Δ ADC，集成了類比前端 （AFE），用於全差分或單端、高阻抗 （≥1 MΩ） 雙極、±10 V 電壓輸入和 0 mA 至 20 mA 電流輸入。該 ADC 還整合了關鍵的類比和數位信號調節模組，可為每個正在使用的模擬輸入通道配置 8 個單獨的設置。對於完全建立的數據，它的最大通道掃描速率為 6.21 kSPS （161 μs），並且還具有電壓輸入開路檢測的獨特功能，可使用單個 5 V 或 3.3 V 電源進行系統級診斷。
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電壓信號：如果選擇高解析度的外部ADC，則ADR4xxx系列（即ADR4525/ADR4530） 可以為 ADC 提供高精度基準電壓。或者，一種低成本的方法是使用微控制器單元 （MCU） 的內部 ADC 來執行採樣，但這可能會犧牲測量精度。
溫度控制系統
溫度由閉環系統控制：LT1241 系列用於驅動具有脈寬調製 （PWM） 的 MOSFET 橋作為熱電冷卻器 （TEC） 電路來控制熱冷卻器，電阻溫度檢測器 （RTD） 讀回溫度並連接到AD7124，一款超低雜訊和功率 Σ-Δ ADC。AD7124 適合溫度測量應用。為了提高溫度採集精度，它可以支援 2 線熱電偶，並針對 3 線 RTD 配置進行了優化，以滿足不同客戶的期望。
這ADN8835集成 TEC 控制器的模組也可用。溫度控制系統圖如圖 5 所示。
圖 5.溫度控制系統的信號鏈。
探測器系統
檢測器系統是最後階段，用於描述色譜圖。流量和壓力感測器用於監測不同採樣請求的載氣流動，因此 AD7124 和LTC2498with multichannels 被選中。
圖 6.探測器系統的信號鏈。
離子電流信號通常為皮安級進入檢測器，ADA4530-1 用作靜電計放大器，它不僅受益於低輸入偏置電流，還受益於低雜訊和偏移。ADA4530-1 也是具有 2 MHz 增益頻寬積的運算放大器，因此增益反饋電阻可能非常高，因為信號頻寬通常小於幾 kHz。級聯ADA4522-2具有超低雜訊和漂移放大器作為第二級放大器的器件可在 ADC 輸入範圍內實現足夠的增益。ADA4522-2 提供低雜訊和低功耗的零漂移運算放大器、接地感應輸入和軌到軌輸出，並針對隨時間、溫度和電壓條件變化的總體精度進行了優化。
電源
系統電源源自 24 VDC，連接到降壓轉換器 （buck），為放大器、ADC、處理器等電路提供電源。
這LT8471 系列和LTM4655是具有正電壓和負電壓的雙輸出。LTM4655信號鏈中包含控制器、功率 MOSFET、電感器和濾波器，旨在降低設計複雜性，同時具有良好的 EMI 抗擾度。
圖 7.系統的電源供應鏈。
結論
氣相色譜法在監測污染物以保護我們的環境方面發揮著重要作用。它還具有集成到液相色譜等其他技術中的潛力和能力，以便測量和監測更多物質。為了滿足當今的需求和未來可能出現的需求，ADI 提供了各種低雜訊和高精度解決方案，以滿足客戶要求並簡化系統設計。
水質監測
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地表水和地下水主要受硝基苯化合物和重金屬離子污染。由於工業生產過程中轉化不完全，溶解的污染將仍然存在，對公眾健康構成嚴重威脅。氣相色譜法可以高精度地監測污染。
土壤殘留農藥監測
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在農業活動中，農民噴灑在農作物上的殺蟲劑可以殺死害蟲，但它們也會損害人們的健康。氣相色譜法可以準確分析農藥的成分。
一般來說，氣相色譜法也便於集成到其他技術中，包括用於測量更多物質的液相色譜法。因此，它已成為大多數行業和測試設施中廣泛使用的技術。同時，ADI 可以提供低雜訊和高精度信號鏈解決方案，以降低系統設計的複雜性，並實現高解析度、魯棒性等卓越性能。
關於作者
張林龍
Linlong Zhang 於 2019 年在新加坡南洋理工大學獲得積體電路設計碩士學位。自 2019 年以來，他加入 ADI，擔任消費和醫療保健市場的 FAE 負責人。...Linlong Zhang 於 2019 年在新加坡南洋理工大學獲得積體電路設計碩士學位。自 2019 年以來，他加入 ADI，擔任消費和醫療保健市場的 FAE 負責人。...從 2022 年開始，他將專注於多市場。
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