【導讀】本ben文wen概gai述shu了le用yong於yu環huan境jing質zhi量liang監jian測ce的de氣qi相xiang色se譜pu傳chuan感gan器qi係xi統tong的de工gong作zuo原yuan理li及ji其qi關guan鍵jian組zu件jian。文wen中zhong將jiang介jie紹shao氣qi相xiang色se譜pu法fa如ru何he精jing確que地di分fen析xi與yu水shui和he土tu壤rang汙wu染ran相xiang關guan的de化hua合he物wu，探tan討tao氣qi相xiang色se譜pu係xi統tong的de主zhu要yao組zu成cheng部bu分fen

，包bao括kuo進jin氣qi口kou、溫度控製裝置
、檢測器和電源子係統。此外，我們還將提供低噪聲放大器、模數轉換器(ADC)、基準電壓和電源管理IC方麵的建議
，以實現高精度的測量。

摘要

本ben文wen概gai述shu了le用yong於yu環huan境jing質zhi量liang監jian測ce的de氣qi相xiang色se譜pu傳chuan感gan器qi係xi統tong的de工gong作zuo原yuan理li及ji其qi關guan鍵jian組zu件jian。文wen中zhong將jiang介jie紹shao氣qi相xiang色se譜pu法fa如ru何he精jing確que地di分fen析xi與yu水shui和he土tu壤rang汙wu染ran相xiang關guan的de化hua合he物wu，探tan討tao氣qi相xiang色se譜pu係xi統tong的de主zhu要yao組zu成cheng部bu分fen

，包bao括kuo進jin氣qi口kou、溫度控製裝置
、檢測器和電源子係統。此外，我們還將提供低噪聲放大器
、模數轉換器(ADC)、基準電壓和電源管理IC方麵的建議，以實現高精度的測量。

簡介

廢(fei)氣(qi)監(jian)測(ce)在(zai)環(huan)境(jing)保(bao)護(hu)中(zhong)扮(ban)演(yan)著(zhe)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)的(de)角(jiao)色(se)。隨(sui)著(zhe)工(gong)業(ye)廢(fei)棄(qi)物(wu)的(de)增(zeng)加(jia)，一(yi)些(xie)揮(hui)發(fa)性(xing)有(you)機(ji)化(hua)合(he)物(wu)不(bu)斷(duan)釋(shi)放(fang)到(dao)空(kong)氣(qi)中(zhong)，嚴(yan)重(zhong)影(ying)響(xiang)自(zi)然(ran)環(huan)境(jing)和(he)人(ren)類(lei)健(jian)康(kang)。

yinci
，huanjingjianceyichengweigongzhongguanzhudejiaodian

，zhizaijianshaozhexieyouhaipaifang。raner，chuantongdechuanganqixitongzaisuduhezhunquexingfangmianwufamanzudangqiandexuqiu。gengweiyanjundetiaozhanshi，huanjingjiancexitongjixujinyibutisheng，yiyingduiriyizengchangdegaojingduyaoqiu。

本文概述了新興氣相色譜技術以及可用的解決方案。

氣相色譜基本理論

圖1.氣相色譜係統示意圖。

氣相色譜係統主要由進氣係統、自動采樣器係統
、分離係統、控製係統
、檢測器係統和數據處理組成。圖1所示為氣相色譜法的功能框圖。

氣qi相xiang色se譜pu法fa的de載zai氣qi為wei流liu動dong相xiang
，受shou測ce樣yang本ben為wei指zhi定ding固gu定ding相xiang
，包bao括kuo固gu體ti和he液ye體ti混hun合he物wu。隨sui著zhe載zai氣qi的de流liu動dong，固gu定ding相xiang分fen離li並bing依yi次ci流liu出chu色se譜pu柱zhu，隨sui後hou進jin入ru檢jian測ce器qi，產chan生sheng離li子zi流liu信xin號hao。通tong過guo在zai記ji錄lu儀yi上shang放fang大da到dao適shi當dang的de振zhen幅fu，這zhe些xie小xiao信xin號hao反fan映ying到dao色se譜pu圖tu的de不bu同tong部bu分fen。圖tu2所示為從混合物分離成兩個單獨樣本的過程。綠色和紫色代表兩個不同的樣本


，藍色代表混合物。

圖2.分離的過程。

氣相色譜係統解決方案

在圖1的基礎上
，ADI公司提供可適用於氣相色譜信號與電源鏈的各種組件。這些組件能夠很好地滿足係統要求，並針對低功耗和噪聲性能進行了優化。

進氣係統

為wei了le控kong製zhi載zai氣qi準zhun確que流liu經jing檢jian測ce器qi係xi統tong以yi分fen離li混hun合he物wu
，高gao精jing度du必bi不bu可ke少shao，這zhe一yi點dian可ke通tong過guo使shi用yong氣qi體ti傳chuan感gan器qi來lai實shi現xian。氣qi體ti傳chuan感gan器qi的de輸shu出chu多duo種zhong多duo樣yang
，比bi如ru電dian流liu信xin號hao、4-20mA環路信號、電壓信號等。圖3所示為進氣係統的信號鏈。

圖3.進氣係統的信號鏈。

►電流信號：ADA4530-1是一款飛安級輸入偏置電流運算放大器，適合用作I/V（電流到電壓）轉換，同時提供超低輸入偏置電流（飛安級）
，確保器件達到係統的精確性能目標。該器件還具有低失調電壓
、低失調漂移
、低電壓噪聲和電流噪聲特性，適合要求極低漏電流的應用。

圖4.ADA4530-1數據手冊。

將電流信號轉換為電壓信號後，使用AD7175（24位、8/16通道、250 kSPS
、Σ-Δ型ADC）可獲得準確的結果。AD7175是一款低噪聲
、快速建立、多路複用、8/16通道（全差分/偽差分）Σ-Δ型ADC，可用於低帶寬輸入。

►4-20mA信號采樣：若要對通過4-20mA信號傳輸的空氣傳感器輸出進行采樣，AD4111 ADC是理想選擇，因為它集成了用於電流和電壓采樣的檢測電阻，因此具有良好的通道匹配。該器件是一款低功耗、低噪聲、24位Σ-Δ型ADC，它集成了一個模擬前端(AFE)
，支持全差分或單端高阻抗(≥1 MΩ)雙極性±10 V電壓輸入和0 mA至20 mA電流輸入。該ADC還集成了關鍵的模擬和數字信號調理模塊
，可為使用的每個模擬輸入通道配置八種單獨的設置。對於完全建立的數據，AD4114的最大通道掃描速率為6.21 kSPS (161 µs)。該器件還有獨特的電壓輸入開路檢測功能，支持采用5 V或3.3 V單電源的係統級診斷。

►電壓信號：如果選擇具有高分辨率的外部ADC，ADR4xxx係列（即ADR4525/ADR4530）可為該ADC提供高精度基準電壓。或者
，一種低成本的方案是使用微控製器單元(MCU)的內部ADC進行采樣，但這可能會犧牲測量精度。

溫度控製係統

溫度由閉環係統控製：LT1241用於驅動以脈寬調製(PWM)作為熱電冷卻器(TEC)電路的MOSFET橋，從而控製熱冷卻器
，而電阻溫度檢測器(RTD)回讀溫度，並連接到具有超低噪聲、超低功耗的Σ-Δ型ADC AD7124。AD7124適用於溫度測量應用。為了提高溫度采集精度，該器件可支持2線式熱電偶，並針對3線式RTD配置進行了優化，以滿足不同客戶的期望。

此外，提供集成了TEC控製器的ADN8835。圖5所示為溫度控製係統示意圖。

圖5.溫度控製係統的信號鏈。

檢測器係統

檢測器係統是最後一級
，用於描述色譜圖。流量和壓力傳感器用於監測載氣的流動
，它們具有不同的采樣要求，故而選擇具有多通道的AD7124和LTC2498。

圖6.檢測器係統的信號鏈。

進入檢測器的離子電流信號通常為皮安級，ADA4530-1用作靜電計放大器

，不僅具有低輸入偏置電流，還提供低噪聲和低失調特性。ADA4530-1也是一款具有2 MHz增益帶寬積的運算放大器，由於信號帶寬通常不到幾kHz，因此增益的反饋電阻可能會非常高。級聯的ADA4522-2器件采用具有超低噪聲
、超低溫漂的放大器作為第二級放大器，為ADC輸入量程實現足夠的增益。ADA4522-2提供具有低噪聲、低功耗、接地檢測輸入和軌到軌輸出的零漂運算放大器
，並針對隨時間、溫度和電壓條件變化的總精度進行了優化。

電源

係統電源來源於24 VDC，並連接到降壓轉換器，以便為放大器、ADC、處理器等電路提供電源。

LT8471和LTM4655是具有正電壓和負電壓的雙輸出。LTM4655的信號鏈包含控製器

、功率MOSFET、電感和濾波器
，旨在降低設計複雜性，同時提供高EMI抗擾度。

圖7.係統的電源鏈。

結論

氣相色譜法在監測汙染物方麵發揮著重要作用，幫助保護我們的環境。此外
，該技術有潛力、也有能力集成到液相色譜等其他技術中，從而測量和監測更多物質。為了解決現在和未來可能出現的需求

，ADI提供廣泛的低噪聲和高精度解決方案來滿足客戶要求並簡化係統設計。

水質監測

►地表水和地下水主要受到硝基苯類化合物、重zhong金jin屬shu離li子zi的de汙wu染ran。在zai工gong業ye生sheng產chan過guo程cheng中zhong，溶rong解jie的de汙wu染ran物wu因yin相xiang變bian不bu完wan全quan而er有you所suo殘can留liu，對dui公gong共gong健jian康kang構gou成cheng嚴yan重zhong威wei脅xie。氣qi相xiang色se譜pu法fa可ke以yi高gao度du精jing確que地di監jian測ce汙wu染ran物wu。

土壤殘留農藥監測

►在農業活動中，農民在作物上噴灑的農藥可以殺死害蟲，但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yi般ban來lai說shuo，氣qi相xiang色se譜pu法fa也ye可ke以yi輕qing鬆song集ji成cheng到dao液ye相xiang色se譜pu等deng其qi他ta技ji術shu中zhong
，以yi便bian測ce量liang更geng多duo物wu質zhi。因yin此ci
，這zhe已yi成cheng為wei眾zhong多duo行xing業ye與yu測ce試shi機ji構gou廣guang泛fan使shi用yong的de一yi種zhong技ji術shu。與yu此ci同tong時shi
，ADI提供低噪聲
、高精度信號鏈解決方案，以降低係統設計的複雜性，並實現高分辨率、高穩健性等優異性能。

（來源：ADI公司，作者：Linlong Zhang，現場應用工程師）

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