企查查數據顯示，目前我國現存“環境監測”相關企業共25.5萬家。2020年是近十年注冊量的高峰期，全年共注冊7.2萬家企業，同比增長100.3%；今年上半年共注冊5.0萬家，同比增長72.4%。随着中國政府對環境質量提出更高要求，以及降低碳排放的3060目标設定，“十四五”期間全行業将繼續要提高監測質量，常規監測正在從“有沒有”向“好不好”轉變，新領域監測實現從無到有的突破。

有效的監管下，中國生态環境污染狀況近年來實現了快速的逆轉。生态環境部前不久通報了2021年7月和1-7月全國地表水、環境空氣質量狀況顯示，3641個國家地表水考核斷面中，水質優良斷面比例為81.1%，同比上升0.4個百分點，劣Ⅴ類斷面比例為1.7%，同比下降0.8個百分點；全國339個地級及以上城市平均優良天數比例為85.5%，同比上升2.2個百分點。有效的監管離不開監測平台方案，目前各種氣體、液體監測平台方案在其中發揮了關鍵作用，本文以ADI的兩款氣體及液體檢測信号鍊方案來分析。

具有傳感器診斷功能的電化學氣體測量系統

氣體檢測儀器廣泛應用于從家用空氣質量測量設備到工業有毒氣體檢測解決方案的各種應用。其中許多儀器使用電化學氣體傳感器。這種傳感器技術需要專門的前端電路來進行偏

置和測量。利用内置診斷特性（例如阻抗頻譜或偏置電壓脈沖與斜坡），可以檢查傳感器健康狀況，補償老化或溫度引起的精度漂移，估計傳感器的剩餘壽命而無需用戶幹預。這種功能允許各個邊緣節點更換智能、精确的傳感器。集成超低功耗微控制器直接偏置電化學氣體傳感器并運行闆載診斷算法。

雙通道集成氣體檢測信号鍊

電化學氣體檢測的基本原理是目标氣體在電極處發生氧化或還原，進而産生電流，測量此電流便可檢測到目标氣體。 最常見的傳感器有兩個或三個電極。一些傳感器還有第四個電極。在3電極配置中，各電極分别被稱為工作電極（WE， 也稱為檢測電極(SE)）、參比電極(RE)和反電極(CE)。下圖為這種電化學單元的簡化示意圖。

電化學氣體傳感器簡化圖

目标氣體通過多孔工作電極進入傳感器室并擴散到電解質 （最常見的是酸）中，在那裡它被氧化或還原。此反應産 生的電流随即被外部恒電位儀電路檢測到，并轉換為相應 的電壓電平。常常需要在傳感器電極上施加連續或脈沖式 偏置電壓，以确保性能最優。對于3電極傳感器，偏置電壓 施加于RE和WE之間。CE處發生與RE和WE之間等量但相反 的反應。如果WE處發生還原反應，則CE處發生氧化反應。

多參數水質與土壤監測的電路方案設計

飲料生産、制藥廠、廢水處理廠等多個行業都依靠水質監測系統對重要水質指标進行測量和控制。定義水的物理、化學和生物學特性的參數可作為水質指标。例如：物理參數的溫度和濁度；化學參數的pH值、氧化還原電位(ORP)、電導率和溶解氧；生物學的藻類和細菌；等等。

進行化學測量參數可以實現對水質這些指标的監測。電化學是化學的一個分支，通過測量電子從一種反應物到另一種反應物的轉移來表征還原-氧化反應的行為。電化學技術可以直接或間接用于檢測和測量上述水質指标。電化學測量系統主要由兩個模塊組成：一種用于測量水質指标并産生相應電信号的傳感器；測量和處理電信号的測量和處理單元。通常整個加工廠中部署單獨的有線傳感器。現場傳感器需要經常清洗、校準和更換。無線網絡可減少一些這樣的負擔，但通常被認為不夠可靠，不能部署在這些應用的惡劣環境中。

PH值是衡量水溶液中氫離子和氫氧化物離子相對量的一項指标，是常用的水質監測測量方法。pH探針是由玻璃電極和參考電極組成的電化學傳感器。将pH探針插入溶液中時，測量電極會産生一個電壓，該電壓取決于溶液的氫離子活性，然後該電壓與内部參比電極的電位進行比較。将pH探針插入溶液中時，測量電極會産生一個電壓，該電壓取決于溶液的氫離子活性，然後該電壓與内部參比電極的電位進行比較。溫度變化也可能改變測量電極的靈敏度，進而引起測量誤差。該誤差是可預測的，并且可通過全溫度範圍内的探針校準和後續測量期間的溫度校正來解決。溫度傳感器通常集成到pH探針中。溫度傳感器可以是負溫度系數(NTC)熱敏電阻或RTD，如PT100或PT1000。

液體PH值測試電路設計

解決電化學傳感器檢測挑戰的高集成度平台方案

環境監測中無論是氣體監測還是水質監測，我們常用到的是電化學傳感器方案，例如在水質檢測應用中，用于測量PH、電導率、ORP等指标的傳感器都屬于電化學傳感器。過去的傳感器探查技術已在電化學領域使用了數十年，但這些測量所需的設備通常很昂貴且笨重，使用這種設備根本無法測試現場部署的大量氣體或液體傳感器。為了實現遠程内置傳感器健康狀況分析，必須将診斷特性直接集成為信号鍊的一部分。借助集成的診斷功能，可以在無需人工幹預的情況下自動測試傳感器。

為解決上述挑戰，并讓客戶設計出更智能、更精确、更具競争力的氣體檢測系統，ADI公司推出了一種針對氣體檢測和水分析應用的單芯片電化學測量系統，即其超低功耗混合信号微控制器`ADuCM355。

ADuCM355集成了兩個電化學測量通道，一個用于傳感器診斷的阻抗測量引擎，以及一個用于運行用戶應用程序和傳感器診斷補償算法的超低功耗混合信号微控制器。作為一個高度集成的片内測量系統，其中包括：

•一個16位400 kSPS ADC

•兩個雙輸出DAC，用于産生電化學電池的偏置電壓

•兩個帶TIA放大器的超低功耗、低噪聲恒電位儀

•一個具有高速TIA的高速12位DAC

•支持診斷測量的模拟硬件加速器（波形發生器、數字傅立葉變換模塊和數字濾波器）

•内部溫度傳感器

•26 MHz ARM Cortex-M3微控制器

ADuCM355的簡化功能框圖

ADuCM355提供了克服電化學氣體檢測技術挑戰的手段。兩個測量通道不僅支持最常見的3電極氣體傳感器，還支持4電極傳感器配置。第四個電極既可用于診斷目的，也可以在雙重氣體傳感器中用作第二目标氣體的工作電極。任一恒電位儀也可以配置為休眠模式以降低功耗，同時保持傳感器偏置電壓，從而減少傳感器在正常運行之前可能需要的穩定時間。模拟硬件加速器模塊支持傳感器診斷測量，例如電化學阻抗譜和計時安培分析法。集成的微控制器可用于運行補償算法、存儲校準參數以及運行用戶應用程序。

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