“十面霾伏”,ADI专家解读气体监测技术趋势和解决方案

　　：近段时间，全国各地集中出现雾霾天气，PM2.5爆表，口罩脱销，空气严重污染……一度成为网络的热门关键词。一时之间，环境监测相关设备备受关注。日前，在一场由易维讯信息咨询公司主办的"2013产业和技术展望媒体研讨会"上，ADI公司亚太区仪表行业市场经理叶裕民（Brian）先生做了题为"环境监测中气体监测的技术以及发展趋势"的演讲，这在眼下灰霾围城的敏感时期，引发了在场各媒体及嘉宾的高度关注。

　　Brian指出，最近变得非常热门的空气污染防治，主要是颗粒物PM （Particulate Matter） 监测。PM2.5是特指直径小于或等于2.5微米的颗粒物，不易被阻挡，被吸入人体后会直接进入支气管，干扰肺部的气体交换，引发包括哮喘、支气管炎和心血管病等方面的疾病。PM2.5是严重危害人体健康的污染物已经被科学证实，新的《环境空气质量标准》颁布后， 至2012年9月，已有195个站点完成PM2.5仪器安装调试并试运行，有138个站点开始正式PM2.5监测并发布数据。

　　图1.ADI公司亚太区仪表行业市场经理叶裕民在"2013产业和技术展望媒体研讨会"上分析气体监测技术趋势

　　前段时间全国各地PM2.5"爆表门"事件发生后，对该行业来说无疑是一股猛烈的催化剂，将快速帮助该市场实现从试点到规模应用的转变。根据"十二五"规划，全国将建设1500个PM2.5监测站点。仅此一项，将产生20亿元以上空气监测仪器采购市场，预计在近两年内，仅该市场相关监测仪器市场规模将远超百亿元。

　　Brian还强调，其实气体监测器除了用于空气污染防治，还有另一大重要应用就是工业安全领域。许多工业过程涉及到有毒化合物，例如：制造塑料、农用化学品和医药产品会用到氯气；生产半导体需要使用磷化氢和砷化氢；燃烧消费类包装材料会释放出氰化氢。因此，了解有毒气体浓度是否达到危险程度十分重要。

　　为符合人体对有毒气体的暴露剂量限制， 气体监测器需要检测出ppm（百万分之一）等级浓度的有毒气体， 如一氧化碳。为此，安全法规要求危险工作场所， 像是煤矿、化学工厂等， 必须在一定空间内装置有毒气体与易爆气体监测器；而便携式气体检测器则可佩带在工人的服装上，随时随地提供危险警报。

　　图2：包括气体监测在内的各种环境监测设备市场高速成长，发展趋势包括：便携式（低功耗）、高可靠、易用、多功能等。

　　Brian指出："环境监测是一个高成长的市场，因为大家都对身处的环境和危害身体健康、生命安全的部分越来越重视。在气体监测仪器产品方面，很多中国仪器仪表中小企业产品卖得不错，目前是一个百家争鸣的状况。"

　　气体监测仪系统设计挑战分析

　　图3所示这种毒气监测器系统可以让工人随身携带，也可每隔一定距离安装在工作现场。多数便携式低功耗有毒气体检测器都是以电化学传感器为基础的，涵盖工业环境中的多数常见气体，比如一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）、硫化氢（H2S）、和二氧化氮（NO2）。与其他有毒气体监测方法相比，电化学传感器具有功耗低、交叉灵敏度低、长期稳定性出色等特点，非常适合电池供电的便携式应用。

　　图3. 一种毒气监测器的系统框图，其中包括气体传感器、恒压电路、I/V电路（电流-电压转换）、微控制器、供电电路、接口和报警单元。

　　对于图3中的电化学传感器，工作电极（WE）检测有毒气体，并根据气体浓度按比例产生电流，参考电极（RE）使工作电极的电压保持稳定，以便传感器工作于线性范围之内，辅助电极（CE）可以使WE节点上产生的电流达到平衡。恒电位电路保持RE节点电压，并提供CE节点产生的电流。I/V电路把电流信号转换为电压信号传送至ADC（无论是集成在MCU中还是分立式）。包括LCD和键阵列在内的人机接口用于系统设置和显示。LED、蜂鸣器和振动电机有助于提高警报的可靠性。

　　"气体监测技术的瓶颈在于气体传感器本身。因为气体传感器技术上的限制，就使得可以输入的信号比较微弱。很多放大器可能会有误差，这就可能会对偏置电流造成问题。如果本身器件的噪声误差已经大于传感器感测到的信号，那么测量的结果一定是不准的。"

　　Brian进一步指出："如检测PM2.5时可能会用光的方式，即光电二极管也会产生非常小的电流，还有它本身的功耗。而我们一旦安置了气体监测仪器之后，通常希望能够长时间的稳定，且不需要经过校准就能够长时间使用，所以气体监测仪器的功耗和可靠度要很好。低功耗、高可靠性、降低噪声是气体监测器系统设计所面临的主要挑战。"

　　1、 低功耗——由于有毒气体检测需要在