前不久，生態(tài)環(huán)境部公布了2022年1—6月全國地表水環(huán)境質(zhì)量狀況。

1—6月七大流域和西南、西北諸河及浙閩片河流水質(zhì)類別比例(圖源生態(tài)環(huán)境部)

3641個國家地表水考核斷面中，水質(zhì)優(yōu)良(Ⅰ～Ⅲ類)斷面比例為85.7%，同比上升4.0個百分點;劣Ⅴ類斷面比例為1.1%，同比下降0.8個百分點。主要污染指標(biāo)為化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)和總磷。

長江、黃河、珠江、松花江、淮河、海河、遼河等七大流域及西北諸河、西南諸河和浙閩片河流水質(zhì)優(yōu)良(Ⅰ～Ⅲ類)斷面比例為87.3%，同比上升3.8個百分點;劣Ⅴ類斷面比例為0.8%，同比下降1.0個百分點。主要污染指標(biāo)為化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)和五日生化需氧量。

綠水青山就是金山銀山，一組數(shù)據(jù)科學(xué)詳實的展現(xiàn)了中國水資源現(xiàn)狀，展現(xiàn)了中國環(huán)保事業(yè)的進(jìn)步。外行看熱鬧內(nèi)行看門道，這些數(shù)據(jù)背后是全社會的長期環(huán)保努力，還有科學(xué)監(jiān)測手段的實施。值得一提的是，其中電化學(xué)傳感器是環(huán)境監(jiān)測儀器中最廣泛使用的核心部件，性能能否充分發(fā)揮將直接影響著儀器的準(zhǔn)確度，本文將就電化學(xué)傳感器在水質(zhì)監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用展開探討。

應(yīng)用超過半個世紀(jì)

電化學(xué)傳感器的前世今生

電化學(xué)傳感器是一種久經(jīng)驗證的技術(shù)，其歷史可以追溯到1950年代，當(dāng)時開發(fā)了用于氧氣監(jiān)測的電化學(xué)傳感器。這種技術(shù)的首批應(yīng)用之一是葡萄糖生物傳感器，用于測量葡萄糖的缺氧情況。在接下來的幾十年中，該技術(shù)得到了發(fā)展，傳感器變得小型化并能檢測多種目標(biāo)氣體。

電化學(xué)傳感器的普及可以歸因于其線性輸出、低功耗要求和良好的分辨率。由于其優(yōu)點眾多，工業(yè)應(yīng)用(例如用于保護(hù)工人安全的有毒氣體檢測)率先采用了電化學(xué)傳感器。這些傳感器的運行經(jīng)濟性促進(jìn)了區(qū)域有毒氣體監(jiān)測系統(tǒng)的部署，確保了采礦、化學(xué)工業(yè)、沼氣廠、食品生產(chǎn)、制藥工業(yè)等行業(yè)員工的安全環(huán)境條件。

然而，盡管檢測技術(shù)本身在不斷進(jìn)步，但自電化學(xué)氣體檢測出現(xiàn)以來，其基本工作原理以及與生俱來的缺點并未改變。電化學(xué)傳感器的使用也是電子設(shè)計領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性的技術(shù)之一，其響應(yīng)信號微弱、一致性差、干擾因素多。以電化學(xué)氣體傳感器為例，需要搭配偏置電壓源、電位保持、電流轉(zhuǎn)電壓、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等多個電路，再送入MCU中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再輸出最終測量結(jié)果。一般空氣質(zhì)量監(jiān)測儀器需要搭配許多個電化學(xué)傳感器，那么將需要規(guī)模龐大的電路。

此外，通常電化學(xué)傳感器的保質(zhì)期有限，一般為六個月至一年。傳感器的老化也會對其長期性能產(chǎn)生重大影響。傳感器制造商通常會指定傳感器靈敏度每年最多可漂移20%。此外，雖然目標(biāo)氣體選擇性已有顯著改善，但傳感器仍存在對其他氣體的交叉敏感性問題，導(dǎo)致測量受到干擾和讀數(shù)出錯的幾率增加。傳感器性能還與溫度相關(guān)，必須在內(nèi)部進(jìn)行溫度補償。

集成電化學(xué)解決方案

實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的優(yōu)化監(jiān)測

如果能將偏置電壓源、電位保持、電流轉(zhuǎn)電壓、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等多個電路與MCU進(jìn)行集成，實現(xiàn)SoC化的系統(tǒng)性解決方案將完美解決上述挑戰(zhàn)。目前市場上已經(jīng)有這樣的解決方案，它就是ADI推出的具有化學(xué)傳感器接口的精密模擬微控制器ADuCM355。該芯片是一款Cortex-M3內(nèi)核的MCU，集成了先進(jìn)的電化學(xué)模擬前端電路，具備兩套完整的電化學(xué)模擬前端電路和一套用于交流阻抗測量的模擬前端電路，并搭配12位DAC與16位ADC、靈活的開關(guān)矩陣、以及強大的數(shù)字預(yù)處理功能。芯片內(nèi)部模擬電路的參數(shù)可以直接通過編程配置，用于兼容各種特性的傳感器。在氣體探測應(yīng)用中，它能夠支持兩路電化學(xué)氣體傳感器，如下圖所示：

ADuCM355應(yīng)用于電化學(xué)氣體傳感器

在水質(zhì)檢測應(yīng)用中，用于測量PH、電導(dǎo)率、ORP等指標(biāo)的傳感器也屬于電化學(xué)傳感器，本方案也同樣適用。ADuCM355的交流阻抗測量功能可以用于診斷電化學(xué)傳感器的復(fù)阻抗，為壽命預(yù)測與數(shù)據(jù)矯正提供依據(jù)，同時其阻抗測量功能也可以延伸應(yīng)用于生物阻抗測量產(chǎn)品中。

氣體探測功能：

最多可接入兩只電化學(xué)氣體傳感器，同時輸出兩組數(shù)據(jù)，由客戶MCU通過串口指令配置模擬電路參數(shù)、并讀取傳感器數(shù)據(jù)，并且可以結(jié)合輸出的模塊自帶溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行最終結(jié)果的校正和標(biāo)定。1路模擬電壓通道可以接入MOS或PID氣體傳感器。

水質(zhì)檢測功能：

可以連接1只PH電極和1只電導(dǎo)率電極或ORP電極，由客戶MCU通過串口讀取PH值和電導(dǎo)率值，并結(jié)合水溫等參數(shù)進(jìn)行校正和標(biāo)定。1路模擬電壓通道可以接入水溫傳感器等。

阻抗譜繪制功能：

對被測目標(biāo)施加不同頻率的正弦波激勵信號，掃描計算復(fù)阻抗參數(shù)，由客戶MCU通過串口讀取頻率點與對應(yīng)復(fù)阻抗結(jié)果，進(jìn)行傳感器壽命預(yù)測、輸出校正等。

ADuCM355片上集成的豐富功能適合極低功耗的電化學(xué)和生物傳感器測試。

穩(wěn)定性測量方案

傳感器健康狀況診斷很關(guān)鍵

不同制造商以及針對不同目標(biāo)氣體的電化學(xué)氣體傳感器，壽命也會不同。有關(guān)預(yù)期壽命的信息可在傳感器制造商的數(shù)據(jù)手冊中找到。然而，實際壽命強烈依賴于儲存和工作條件。

電化學(xué)氣體傳感器的壽命和需要定期校準(zhǔn)，是這類傳感器最具挑戰(zhàn)性的方面。因此，人們希望能夠直接在儀器中監(jiān)測傳感器的健康狀況。ADuCM355 內(nèi)置波形發(fā)生器和離散傅里葉變換(DFT)模塊，通過對反電極應(yīng)用交流信號掃描可實現(xiàn)阻抗頻譜測量。該測量可顯示電極之間電荷轉(zhuǎn)移的質(zhì)量，從而有效檢測傳感器電解質(zhì)的老化情況。實驗室測試表明傳感器的阻抗和靈敏度之間有很好的相關(guān)性。

ADuCM355多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)

檢測傳感器健康狀況的其他方法包括脈沖測試和斜坡測試。這些測試是在偏置電壓之上施加一個電壓脈沖或斜坡，以分別測試傳感器響應(yīng)度和電荷轉(zhuǎn)移。所有這些測量結(jié)果與ADuCM355上運行的算法相結(jié)合，有助于改善電化學(xué)氣體傳感器的精度、性能和壽命。為實現(xiàn)這種級別的智能診斷和預(yù)測，需要通過測試(例如加速老化)來獲得大量傳感器的特征。

審核編輯：湯梓紅