摘要

本文概述了用于环境质量监测的气相色谱传感器系统的工作原理及其关键组件芯片解密。文中将介绍气相色谱法如何精确地分析与水和土壤污染相关的化合物，探讨气相色谱系统的主要组成部分，包括进气口、温度控制装置、检测器和电源子系统。此外，我们还将提供低噪声放大器、模数转换器(ADC)、基准电压和电源管理IC方面的建议，以实现高精度的测量。

简介

废气监测在环境保护中扮演着至关重要的角色。随着工业废弃物的增加，一些挥发性有机化合物不断释放到空气中，严重影响自然环境和人类健康。

因此，环境监测已成为公众关注的焦点，旨在减少这些有害排放。然而，传统的传感器系统在速度和准确性方面无法满足当前的需求。更为严峻的挑战是，环境监测系统亟需进一步提升，以应对日益增长的高精度要求。

本文概述了新兴气相色谱技术以及可用的解决方案。

气相色谱基本理论

图1.气相色谱系统示意图。

气相色谱系统主要由进气系统、自动采样器系统、分离系统、控制系统、检测器系统和数据处理组成。图1所示为气相色谱法的功能框图。

气相色谱法的载气为流动相，受测样本为指定固定相，包括固体和液体混合物。随着载气的流动，固定相分离并依次流出色谱柱，随后进入检测器，产生离子流信号。通过在记录仪上放大到适当的振幅，这些小信号反映到色谱图的不同部分。图2所示为从混合物分离成两个单独样本的过程。绿色和紫色代表两个不同的样本，蓝色代表混合物。

图2.分离的过程。

气相色谱系统解决方案

在图1的基础上，ADI公司提供可适用于气相色谱信号与电源链的各种组件。这些组件能够很好地满足系统要求，并针对低功耗和噪声性能进行了优化。

进气系统

为了控制载气准确流经检测器系统以分离混合物，高精度必不可少，这一点可通过使用气体传感器来实现。气体传感器的输出多种多样，比如电流信号、4-20mA环路信号、电压信号等。图3所示为进气系统的信号链。

图3.进气系统的信号链。

电流信号：ADA4530-1是一款飞安级输入偏置电流运算放大器，适合用作I/V（电流到电压）转换，同时提供超低输入偏置电流（飞安级），确保器件达到系统的精确性能目标。该器件还具有低失调电压、低失调漂移、低电压噪声和电流噪声特性，适合要求极低漏电流的应用。

图4.ADA4530-1数据手册。

将电流信号转换为电压信号后，使用AD7175（24位、8/16通道、250 kSPS、Σ-Δ型ADC）芯片解密可获得准确的结果。AD7175是一款低噪声、快速建立、多路复用、8/16通道（全差分/伪差分）Σ-Δ型ADC，可用于低带宽输入。

4-20mA信号采样：若要对通过4-20mA信号传输的空气传感器输出进行采样，AD4111ADC是理想选择，因为它集成了用于电流和电压采样的检测电阻，因此具有良好的通道匹配。该器件是一款低功耗、低噪声、24位Σ-Δ型ADC，它集成了一个模拟前端(AFE)，支持全差分或单端高阻抗(≥1 MΩ)双极性±10 V电压输入和0 mA至20 mA电流输入。该ADC还集成了关键的模拟和数字信号调理模块，可为使用的每个模拟输入通道配置八种单独的设置。对于完全建立的数据，AD4114的最大通道扫描速率为6.21 kSPS (161 µs)。该器件还有独特的电压输入开路检测功能，支持采用5 V或3.3 V单电源的系统级诊断。

电压信号：如果选择具有高分辨率的外部ADC，ADR4xxx系列（即ADR4525/ADR4530）可为该ADC提供高精度基准电压。或者，一种低成本的方案是使用微控制器单元(MCU)的内部ADC进行采样，但这可能会牺牲测量精度。

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