遭遇“十面霾伏” 气体监测技术前景可观

遭遇“十面霾伏” 气体监测技术前景可观

       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。

       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。

       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。

       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尽可能无需维护的情况下持续地对环境进行监控。因而，尽量延长电池寿命对这种应用来说是非常重要的。由于电化学气体传感器只需极少电流即可工作，因此剩下的信号调理和数据传输电路在实现系统低功耗方面发挥着关键作用。

       2、  高可靠性——在某些工业环境中，人的生命依赖于有毒气体检测器，为此这些检测器需要高度可靠。高精度、抗干扰能力以及出色的长期稳定性，这些都是设计过程中需要考虑的重要因素。为了实现这一目标，就需要精确、强健、低漂移的信号链。

       3、  降低噪声——为了充分发挥电化学传感器的动态范围的优势，在设计信号链时需要考虑降噪问题。