在環保領域中，排放廢氣的監控扮演重要角色。因為工業廢棄物中含有一些揮發性有機化合物可能釋放到大氣，而危害自然環境與人類健康。
儘管各界將目光聚焦於環境監控以減少這些有害氣體的排放，但傳統感測器系統並無法因應各界目前對於速度與準確度的要求。更有甚者，環境監視系統的功能還需要進一步增強來達到高精密度的要求。本文將概述各種新興氣相層析技術，以及目前市場上可取得的解決方案。
氣相層析基本原理
氣相層析系統主要構成元件包括進氣系統、自動進樣系統、色譜分離系統、控制系統、偵測器系統以及資料處理等。圖1顯示氣相層析的模組圖。
氣相層析的載流氣體為移動相，而靜相的受測樣本為含有固體與液體的混合物。氣流會將靜相物的成份分離開來，並依序從層析管柱離開。之後再進入偵測器並產生離子流訊號。這些微弱訊號經過紀錄器放大成適合的波幅後成為色譜圖上的不同波峰。圖2顯示兩個樣本的混合物進行的分離流程。綠色與紫色代表兩個不同樣本，藍色代表混合物。
氣相層析系統解決方案
從圖1可看出，ADI旗下各款適用於氣相層析訊號與電源鏈的元件。這些針對低功耗與雜訊性能進行最佳化的元件能夠滿足各種系統需求。
進氣系統
在控制流經偵測器系統的載流氣體方面，必須達到高精準度才能分離混合物， 因此就需要用到氣體感測器。氣體感測器有多樣的輸出，包括電流訊號、4~20毫安培的迴路訊號以及電壓訊號等。圖3顯示進氣系統的訊號鏈。
・電流訊號：ADA4530-1是一款飛安培等級的輸入偏置電流運算放大器，用在執行I/V(電流至電壓)轉換，其提供極低的輸入偏移電流(飛安培)以確保元件符合系統的準確度性能目標。此外還提供低偏移電壓、低偏移電壓漂移、以及低電壓與電流雜訊，故能滿足要求低漏電的應用。
在將電流訊號轉換成電壓訊號後，AD7175(24位元8/16通道250kSPS的積分-差分ADC)用來取得準確結果。
AD7175是一款低雜訊、快速安定、多工處理的8/16通道(全差分/假性差分)sigma-delta ADC，其能接受低頻寬輸入訊號。
・4~20mA訊號採樣：AD4111 ADC適合用來對氣體感測器輸出的4~20mA訊號進行採樣，因為它整合了電流與電壓採樣所需的感測器電阻，因此具有極佳的通道匹配性。該款元件是低功耗、低雜訊的24位元sigma-delta ADC，其內部整合了類比前端(AFE)，支援完全差分或單端式高阻抗(≥1MΩ)雙極±10V電壓輸入訊號，以及0mA至20mA的電流輸入訊號。此外該款ADC亦整合了關鍵的類比與數位訊號調節模組，能針對每個使用中的類比輸入通道進行設定。在處理完全穩定的數據時，其最高通道掃瞄率為6.21kSPS(161μs)，另外它還具有一項獨特功能，亦即在使用一個5V或3.3V電源進行系統層級偵測時，能偵測到電壓輸入通道的開路狀況。
・電壓訊號：若選用高解析度的外部ADC，ADR4xxx系列能為ADC提供高準確度的參考電壓。另外還有低成本的途徑為採用微控制器單元(MCU)的內部ADC來執行採樣，但如此會犧牲量測準確度。
溫度控制系統
溫度是由閉路系統來控制以驅動MOSFET，此MOSFET連接脈衝調變(PWM)元件，該PWM作為控制散熱冷卻器的熱電冷卻器(TEC)電路，另外還連接至一個讀回溫度的電阻式溫度偵測器(RTD)，並連到低雜訊與功耗的sigma-delta ADC。AD7124是針對各種溫度量測應用設計的元件。為改進溫度擷取的準確度，它能支援雙線式熱電隅並針對三線式RTD組態進行最佳化，以迎合不同客戶的要求。圖4所示為溫度控制系統模組圖。
偵測器系統
偵測系統是最後階段的元件，主要是用來描繪色譜圖。流量與壓力感測器則用來監視載流氣體的流動是否符合各項採樣要求，因此，這裡選用AD7124以及具有多通道的LTC2498。
電源供應器
系統的電源擷取自24VDC，其連接到步降轉換器(降壓)為包括放大器、ADC、處理器等元件提供電源。
氣相層析環境監控應用廣泛
氣相層析在環境保護上扮演重要的角色，其能監視各種污染物，協助保護整體環境。此外，其並具備能整合至如液相層析等各種技術應用的潛力與能力，可用來量測與監視更廣泛類型的物質。為因應現今與未來衍生的需求，廠商如ADI推出種類眾多的低雜訊、高準確度解決方案，將能因應客戶的需求以及簡化系統設計。
水資源品質監控
地表與地下水的污染源主要為硝基苯化合物與重金屬離子。在工業生產過程中，溶解的污染物質會因轉化不完全而殘留在排放污水中，進而對公共衛生構成嚴重威脅。氣相層析能以高準確度監視這些污染物質。
土壤殘留農藥監視
在農耕活動方面，農民會對農作物噴灑農藥來消滅害蟲，但此舉也會影響人類的健康。而氣相層析可以準確地分析出各種殺蟲劑的成分。
一般而言，氣相層析能整合至其他技術，包括液相層析，藉以量測更多種類的物質。因此被廣泛用在眾多產業與測試機構。此外，ADI並提供各種低雜訊與高準確度的訊號鏈解決方案，用來降低系統設計的複雜度，以及達到高效能和高解析度與強固性。
(本文作者為ADI應用工程師)
