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氣體檢測儀和報警器運算放大器選型

2023-08-29
        電化學傳感器本質上就是一個電池,可以等效為一個大電容,輸出微安級的電流。三電極電化學傳感器需插入稱之為“恒電位儀”(又稱“三電極系統”)的電路中才能正常工作。高頓推薦恒電位儀使用增益帶寬積較小(100kHz左右)、差模輸入阻抗較小(10MΩ左右)、輸入失調電壓較小(<300μV)的運算放大器,如OPA336、OP177、OP295等,這樣可以有效抑制環境噪聲耦合對恒電位儀的干擾,避免電路發生震蕩引起漂移等問題。另外,應該避免使用劣質的運算放大器,引起恒電位儀工作不正常從而發生震蕩、基線漂移等現象。
        報警器數字發生漂移和傳感器漂移是完全不同的兩個概念。傳感器漂移是指在沒見到氣體時傳感器輸出一個電流。自發型電化學傳感器的性質決定其自身不可能發生漂移。電化學傳感器的工作原理和燃料電池一樣,依靠聞到CO等毒氣提供能源而產生電流,因此沒有氣體存在傳感器就不會輸出電流,這和汽車不加汽油就不會跑是一個道理。有些終端客戶一見氣體報警器發生漂移現象了,立即就說傳感器壞了,這是不清楚電化學傳感器的工作原理而輕率下的錯誤結論。
         那么報警器為什么有時會發生基線漂移現象呢?引起報警器發生漂移的原因主要有下面幾點:
        (1)傳感器接腳和線路板上的接插件接觸不良,恒電位儀類似于缺失了參比電極,參比電極端處于浮空(Floating)狀態,因此參比電極的恒電位功能不能正常工作,三電極系統得到一個虛假的電位反饋信息,對工作電極的電位補償將變得不可預知,工作電極和對電極之間的電位差處于不確定狀態,有可能引發傳感器內部發生電解水反應,產生電解電流,從而導致報警器漂移,嚴重時甚至假報警;正漂、負漂都有可能。注意,如果是工作電極或對電極斷路或接觸不良,通常見到的現象是基線為零,對氣體沒響應。因此,參比電極端發生接觸不良等產生的后果最為嚴重。在此過程中由于發生電解反應,傳感器可能會遭受永久性損壞或暫時性損壞;如果是暫時性損壞通常將傳感器的工作電極和參比電極接腳短路后放置1天或更長就能恢復。
        (2)選用增益帶寬積太寬(例如:有達2-3MHz的)、差模輸入阻抗太大的運算放大器,環境噪音容易耦合進電路發生震蕩引起報警器漂移。電路設計中的參數不正確也會發生電路震蕩等嚴重問題,例如,接工作電極的第一級運放的功能是電流電壓轉換器,如果反饋電阻的阻值太大,系統將很不穩定,引發震蕩、漂移等問題。在這些問題發生時,傳感器有可能遭受永久性損壞或暫時性損壞。
        (3)使用質量低劣的運算放大器,引起恒電位儀工作不正常,從而發生基線漂移。同樣,在此過程中傳感器有可能遭受永久性或暫時性損壞。
        (4)電路中有虛焊,引起恒電位儀工作不正常。可能產生的問題同上。
        (5)長期在濕度大、有腐蝕性氣體存在的環境里,線路板和所有接插部分又不氣密,元器件、接插件發生腐蝕,局部產生“微電池”,這些“微電池”產生的電流進入放大電路,使恒電位儀和放大電路不能正常工作,產生各種各樣無法預料的問題,如漂移、無響應、損壞傳感器,等等。
        (6)傳感器發生電解液泄漏,流入線路板或接腳之間,引起短路等,使恒電位儀不能正常工作而發生漂移。傳感器內部參比電極引線斷路或接觸不良(例如:傳感器遭碰撞、摔打、跌落,或由于制造過程中的缺陷,等),恒電位儀實際上缺失了參比電極,參比電極端處于浮空狀態,因此參比電極的恒電位功能不能正常工作。這一條是真正由于傳感器本身問題造成的報警器漂移等問題。注意,如(1)所述,如果是工作電極或對電極的引線發生斷路或接插處接觸不良,產生的問題一般是沒有響應。
        (7)環境中存在干擾氣體如NO2、SO2、CO、H2S等,來自霧霾、附近工廠排放、垃圾堆放、室內其它氣源等。這種情況實際不是“漂移”,是真實的干擾氣體存在。
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