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解決電化學氣體檢測的技術挑戰

作者:ADI 系統應用工程師 Michal Raninec時間:2020-10-09來源:電子產品世界收藏

電化學氣體傳感器是一種久經驗證的技術,其歷史可以追溯到1950年代,當時開發了用于氧氣監測的電化學傳感器。這種技術的首批應用之一是葡萄糖生物傳感器,用于測量葡萄糖的缺氧情況。在接下來的幾十年中,該技術得到了發展,傳感器變得小型化并能檢測多種目標氣體。

本文引用地址:http://www.303263.tw/article/202010/419043.htm

隨著傳感技術無處不在的時代的到來,許多行業出現了無數新的氣體檢測應用,例如汽車空氣質量監測或電子鼻。不斷發展的法規和安全標準對新應用和現有應用提出了比過去更具挑戰性的要求。換句話說,未來的氣體檢測系統必須能精確測量低得多的濃度,對目標氣體更具選擇性,依靠電池電源工作更長的時間,并在更長的時間內提供穩定一致的性能,同時始終保持安全可靠的運行。

電化學氣體傳感器的優缺點

電化學氣體傳感器的普及可以歸因于其線性輸出、低功耗要求和良好的分辨率。此外,一旦根據目標氣體的已知濃度進行校準,其測量的重復性和精度也非常好。數十年來技術的發展,讓這些傳感器可以對特定氣體類型提供非常好的選擇性。

由于其優點眾多,工業應用(例如用于保護工人安全的有毒氣體檢測)率先采用了電化學傳感器。這些傳感器的運行經濟性促進了區域有毒氣體監測系統的部署,確保了采礦、化學工業、沼氣廠、食品生產、制藥工業等行業員工的安全環境條件。

盡管檢測技術本身在不斷進步,但自電化學氣體檢測出現以來,其基本工作原理以及與生俱來的缺點并未改變。通常,電化學傳感器的保質期有限,一般為六個月至一年。傳感器的老化也會對其長期性能產生重大影響。傳感器制造商通常會指定傳感器靈敏度每年最多可漂移20%。此外,雖然目標氣體選擇性已有顯著改善,但傳感器仍存在對其他氣體的交叉敏感性問題,導致測量受到干擾和讀數出錯的幾率增加。傳感器性能還與溫度相關,必須在內部進行溫度補償。

技術挑戰

設計先進氣體檢測系統需要克服的技術挑戰可以分為三類,分別對應于系統生命周期的不同階段。

首先是傳感器制造挑戰,例如制造可重復性以及傳感器的表征和校準。制造過程本身雖然已高度自動化,但不可避免地會給每個傳感器帶來差異。由于這些差異,傳感器必須在生產過程進行表征和校準。

其次,在系統的整個生命周期中都存在技術挑戰。這包括系統架構優化,例如信號鏈設計或功耗考慮。另外,工業應用中特別注重電磁兼容性(EMC)和功能安全合規性,這會對設計成本和上市時間產生負面影響。工作條件也起著重要作用,并對保持所需性能和使用壽命提出了挑戰。電化學傳感器在其使用壽命期間會老化和漂移(這是這種技術的本性),導致需要頻繁校準或更換傳感器。如果在惡劣環境中運行,性能的變化會進一步加速,如本文后面所述。在延長傳感器使用壽命的同時保持其性能,是許多應用的關鍵要求之一,尤其是在系統擁有成本至關重要的情況下。

第三,即使采用了延長使用壽命的技術,所有電化學傳感器最終都會達到其生命終點,此時性能不再滿足要求,需要更換傳感器。有效檢測壽命結束條件是一個挑戰,若能解決這個挑戰,便可減少不必要的傳感器更換,從而大幅降低成本。更進一步,若能準確預測傳感器何時將失效,氣體檢測系統的運行成本將會降低更多。

在全部氣體檢測應用中,電化學氣體傳感器的利用率都在增加,這給此類系統的物流、調試和維護帶來了挑戰,導致總擁有成本增加。因此,人們采用具有診斷功能的專用模擬前端來減少技術缺點(主要是傳感器壽命有限)帶來的影響,確保氣體檢測系統長期可持續且可靠。

信號鏈集成降低設計復雜性

傳統信號鏈大多采用獨立的模數轉換器、放大器和其他構建模塊設計,相當復雜,迫使設計人員在功效比、測量精度或信號鏈占用的PCB面積上做出折衷。

這種設計挑戰的一個例子是具有多氣體配置、可測量多種目標氣體的儀器。每個傳感器可能需要不同的偏置電壓才能正常運行。此外,每個傳感器的靈敏度可能不同,因此必須調整放大器的增益以使信號鏈性能最大化。對設計人員而言,僅這兩個因素就增加了可配置測量通道(其應能與不同傳感器接口而無需更改 BOM 或原理圖)的設計復雜度。單個測量通道的簡化框圖如圖1所示。

就像任何其他電子系統一樣,集成是演進中的一個邏輯步驟,通過集成可設計出更高效、更強大的解決方案。集成的單芯片氣體檢測信號鏈通過集成TIA(互阻放大器)增益電阻或將數模轉換器用作傳感器偏置電壓源等措施來簡化系統設計(如圖2所示)。由于信號鏈集成,測量通道可以通過軟件來全面配置,以與眾多不同類型的電化學傳感器接口,同時降低設計的復雜性。此外,這種集成信號鏈的功率要求也明顯降低,這對于以電池壽命為關鍵考慮因素的應用至關重要。最后,由于降低了信號鏈的噪聲水平,并且有可能利用性能更好的信號處理器件(如TIA或ADC),因此測量精度得以提高。

 回顧多氣體儀器的例子,信號鏈集成使其能夠:

▲   實現完全可配置的測量通道,同時降低信號鏈的復雜性,從而輕松重用單個信號鏈設計

▲   減少信號鏈占用的PCB面積

▲   降低功耗

▲   提高測量精度

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圖1 典型電化學氣體傳感器信號鏈(簡圖)

傳感器劣化與診斷

盡管信號鏈集成是向前邁出的重要一步,但它本身并未解決電化學氣體傳感器的根本缺點,即其性能會隨著使用時間推移而下降。不難理解,這是傳感器的工作原理和結構所導致的。工作條件也會致使性能下降并加速傳感器老化。傳感器精度會降低,直到變得不可靠,不再適合完成其任務。在這種情況下,通常的做法是讓儀器下線并手動檢查傳感器,這既耗時又昂貴。然后,根據其狀況,可以重新校準傳感器并再次使用,或者可能需要予以更換。這會招致相當大的維護成本。通過利用電化學診斷技術,可以分析傳感器的健康狀況并有效補償性能變化。

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圖2 雙通道集成氣體檢測信號鏈(簡圖)

導致性能下降的常見因素包括溫度、濕度和氣體濃度過高或電極中毒。短時間暴露于較高溫度(50°C以上)一般是可以接受的。但是,讓傳感器反復經受高溫會導致電解質蒸發,并對傳感器造成不可逆轉的損壞,例如引起基線讀數偏移或響應時間變慢。另一方面,超低溫度(–30°C以下)會大大降低傳感器的靈敏度和響應能力。

濕度是對傳感器壽命影響最大的因素。電化學氣體傳感器的理想工作條件是20°C和60%相對濕度。環境濕度低于60%會導致傳感器內部的電解質變干,從而影響響應時間。另一方面,濕度高于60%會導致空氣中的水被傳感器吸收,從而稀釋電解質并影響傳感器的特性。吸收水分還會導致傳感器泄漏,可能致使引腳腐蝕。

 上述劣化機制的幅度即使不是非常大,也會影響傳感器。換句話說,電解質耗盡之類的事情是自然發生的,會導致傳感器老化。無論工作條件如何,老化過程都會限制傳感器的壽命,不過某些EC Sense氣體傳感器的工作時間可超過10年。

可以使用電化學阻抗譜(EIS)或計時安培分析法(在觀測傳感器輸出的同時施加偏置電壓脈沖)等技術來分析傳感器。

EIS是利用正弦信號(通常為電壓)激勵電化學系統而進行的頻域分析測量。在每個頻率下,流過電化學電池的電流都會被記錄下來,用于計算電池的阻抗。然后,數據通常以奈奎斯特圖和波特圖形式顯示。奈奎斯特圖顯示復阻抗數據,每個頻率點均由x軸上的實數部分和y軸上的虛數部分來繪制。這種數據表示的主要缺點是會丟失頻率信息。波特圖顯示阻抗幅度和相位角與頻率的關系。

實驗測量結果表明,傳感器靈敏度的下降與EIS測試結果的變化之間具有很強的相關性。圖3中的示例顯示了加速壽命測試的結果,其中電化學氣體傳感器被置于低濕度(10%RH)和較高溫度(40°C)的環境中。在整個實驗過程中,定時將傳感器從環境室中取出并放置一個小時,然后進行已知目標氣體濃度下的基線靈敏度測試和EIS測試。測試結果清楚表明了傳感器靈敏度和阻抗之間的相關性。這種測量的缺點是頗費時間,因為在很低的亞赫茲頻率下獲得測量結果非常耗時。

計時安培法(脈沖測試)是另一種有助于分析傳感器健康狀況的技術。測量方法如下:在傳感器偏置電壓上疊加一個電壓脈沖,同時觀測流經電化學電池的電流。脈沖幅度一般非常低(例如1 mV)且很短(例如200 ms),因此不會干擾傳感器本身。這樣便能相當頻繁地執行測試,同時氣體檢測儀器保持正常運行。在執行更耗時的EIS測量之前,可以使用計時安培法來檢查傳感器是否已物理插入設備中,還能指示傳感器性能的變化。傳感器對電壓脈沖響應的示例如圖4所示。

先前的傳感器探查技術已在電化學領域使用了數十年。然而,這些測量所需的設備通常很昂貴且笨重。從實踐和資金兩方面看,使用這種設備根本無法測試現場部署的大量氣體傳感器。為了實現遠程內置傳感器健康狀況分析,必須將診斷特性直接集成為信號鏈的一部分。

借助集成的診斷功能,可以在無需人工干預的情況下自動測試氣體傳感器。如果在生產中對氣體傳感器進行了表征,則從傳感器獲得的數據可以與這些特征數據集進行比較,從而深入了解傳感器的當前狀況,然后使用智能算法來補償傳感器靈敏度的損失。此外,傳感器的歷史記錄可以支持預測其壽命何時結束,并在需要更換傳感器時提醒用戶。內置診斷功能最終會減少氣體檢測系統的維護需求,延長傳感器的使用壽命。

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圖3 在低相對濕度下的加速壽命測試中,傳感器靈敏度(左圖)和阻抗(右圖)之間的相關性

工業應用的系統設計挑戰

安全性和可靠性至關重要,特別是在工業環境中。在嚴苛的工業環境(例如化工廠)中運行時,有嚴格的規章來確保氣體檢測系統滿足這些要求并保持可靠、完整的功能。

電磁兼容性(EMC)是指不同電子設備在共同的電磁環境中正常運行而互不干擾的能力。EMC涉及的測試有電磁輻射發射或輻射抗擾度等。輻射發射測試研究系統的有害輻射以幫助減少輻射,而輻射抗擾度測試會檢查系統在受到其他系統干擾的情況下保持其功能的能力。

EC氣體傳感器本身的結構對EMC性能有負面影響。傳感器電極起到天線一樣的作用,可以拾取附近電子系統的干擾。對于無線連接的氣體檢測設備(例如便攜式工人安全儀器),這種影響更為明顯。

EMC測試通常是一個非常耗時的過程,在最終滿足要求之前可能需要多次迭代系統設計。此測試對投入產品開發的成本和時間有很大影響。使用經過預先測試的滿足EMC要求的集成信號鏈解決方案,可以減少時間和成本支出。

功能安全是另一個要認真考慮的方面,同時也是一項技術挑戰。根據定義,功能安全是指檢測到潛在的危險狀況時,會激活保護或糾正機制以防止任何危險事件發生。這種安全功能提供的風險降低的相對程度被定義為安全完整性等級(SIL)。功能安全要求當然已包含在工業標準中。

在工業氣體檢測應用中,功能安全的重要性主要涉及安全操作環境,因為環境中可能存在爆炸性或易燃性氣體?;S或采礦設施就是此類應用的很好例子。為了符合功能安全標準,系統必須通過功能安全認證,達到滿意的安全完整性等級。

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圖4 計時安培分析法測試的示例結果

ADI公司的單芯片電化學測量系統

為解決上述挑戰,并讓客戶設計出更智能、更精確、更具競爭力的氣體檢測系統,ADI公司推出了 ADuCM355 ——一種針對氣體檢測和水分析應用的單芯片電化學測量系統。

ADuCM355集成了兩個電化學測量通道,一個用于傳感器診斷的阻抗測量引擎,以及一個用于運行用戶應用程序和傳感器診斷補償算法的超低功耗混合信號ARM? Cortex?-M3微控制器。圖5顯示了ADuCM355的簡化功能框圖。

對市場趨勢和客戶需求的了解,幫助ADI公司設計出高度集成的片內測量系統,其中包括:

▲   一個16位400 kSPS ADC

▲   兩個雙輸出DAC,用于產生電化學電池的偏置電壓

▲   兩個帶TIA放大器的超低功耗、低噪聲恒電位儀

▲   一個具有高速TIA的高速12位DAC

▲   支持診斷測量的模擬硬件加速器(波形發生器、數字傅立葉變換模塊和數字濾波器)

▲   內部溫度傳感器

▲   26 MHz ARM Cortex-M3微控制器

ADuCM355提供了克服電化學氣體檢測技術挑戰的手段。兩個測量通道不僅支持最常見的3電極氣體傳感器,還支持4電極傳感器配置。第四個電極既可用于診斷目的,也可以在雙重氣體傳感器中用作第二目標氣體的工作電極。任一恒電位儀也可以配置為休眠模式以降低功耗,同時保持傳感器偏置電壓,從而減少傳感器在正常運行之前可能需要的穩定時間。模擬硬件加速器模塊支持傳感器診斷測量,例如電化學阻抗譜和計時安培分析法。集成的微控制器可用于運行補償算法、存儲校準參數以及運行用戶應用程序。ADuCM355在設計時還考慮了EMC要求,并經過預先測試,符合EN 50270標準。

如果應用不需要集成微控制器,可以使用僅有前端的版本—— AD5940 。

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圖5 ADuCM355的簡化功能框圖

結論

得益于技術創新,我們現在擁有所有必要的知識和工具,可以有效應對電化學氣體傳感器的技術挑戰,掃清我們進入普遍檢測時代的障礙。從低成本的無線空氣質量監測器到過程控制和工人安全應用,信號鏈集成和內置診斷特性將使這些傳感器得到廣泛使用,同時減少維護需求,提高精度,延長傳感器壽命,并降低成本。

作者簡介

Michal Raninec是ADI公司自動化與能源業務部工業系統部門的系統應用工程師。其專業領域包括電化學氣體檢測和無線傳感器網絡。Michal畢業于捷克布爾諾科技大學,獲得電子工程碩士學位。



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