Il presente articolo illustra i componenti fondamentali di un sistema di gascromatografia, tra cui l'ingresso dell'aria, il controllo della temperatura, il rilevatore e i sottosistemi di alimentazione e fornisce raccomandazioni circala scelta di amplificatori a basso rumore, convertitori analogico-digitali (ADC), riferimenti di tensione e IC di gestione dell'alimentazione che possono consentire misure di precisione elevata.
Il monitoraggio dei gas di scarico svolge un ruolo importante nella protezione ambientale. In conseguenza ai rifiuti industriali, alcuni composti organici volatili si disperdono nell'aria, con un impatto sull'ambiente naturale e sulla salute dell’uomo.
Sul monitoraggio ambientale viene posta una grande attenzione per ridurre queste emissioni. Tuttavia, i tradizionali sistemi a sensori non sono in grado di soddisfare i requisiti di velocità e precisione richiesti oggi. Ad aggravare la sfida, anche i sistemi di monitoraggio ambientale esistenti devono essere migliorati per rispondere alla richiesta di precisione elevata.
Questo articolo fornisce una panoramica della tecnologia gascromatografica emergente e delle soluzioni disponibili.
Teoria di base della gascromatografia
Un sistema di gascromatografiaè costituito principalmente da una serie di sistemi di ingresso del gas, auto campionamento,separazione, controllo, rilevazione ed elaborazione dei dati. Lo schema a blocchi della gascromatografia è rappresentato nella Fig. 1.
Il gas di trasporto della gascromatografia è considerato la fase mobile, mentre il campione in esame è denominato fase stazionaria e comprende una miscela solida e liquida. La fase stazionaria viene separata con il movimento del flusso di gas per lasciare la colonna cromatografica in sequenza. Successivamente, entra nel rilevatore e genera il segnale di flusso ionico. Questi piccoli segnali vengono riflessi nei diversi componenti del cromatogramma e amplificati, portandoli a un'ampiezza adeguata aun registratore. Il processo di separazione dalla miscela a due campioni singoli è illustrato nella Fig. 2. I colori verde e viola rappresentano due campioni diversi, mentre il colore blu indica la miscela.
Soluzione per il sistema di gascromatografia
Sulla base della Fig.1, Analog Devices dispone di vari componenti che possono essere applicati alla catena di segnale e di alimentazione della gascromatografia. Questi componenti sono adatti a soddisfare i requisiti di sistema e sono ottimizzati per prestazioni low power e basso livello di rumore.
Sistema di ingresso dell'aria
È necessaria una grande precisione per controllare accuratamente il flusso del gas di trasporto che passa attraverso il sistema di rilevazione per separare la miscela, che si realizza con l'uso di un sensore di gas. Un sensore di gas ha diverse uscite, come un segnale in corrente, un loop 4-20mA, un segnale in tensione, ecc. La catena di segnale di un sistema di ingresso dell'aria è rappresentata nella Fig. 3.
- Segnale in corrente: L’ADA4530-1 è un amplificatore operazionale con corrente di bias d’ingresso a livello di femtoampere, utilizzato per la conversione I/V (da corrente a tensione), e fornisce correnti di bias d’ingresso ultra-basse (femtoampere) che garantiscono che il dispositivo raggiunga gli obiettivi di prestazioni accurate nel sistema. Offre inoltre un basso offset di tensione, una bassa deriva e un basso rumore di tensione e corrente, caratteristiche necessarie per i tipi di applicazioni che richiedono perdite così basse. (Fig. 4) Dopo aver convertito il segnale in corrente in un segnale in tensione, per ottenere risultati accurati si utilizza l’AD7175 (ADC sigma-delta a 24 bit, 8-/16 canali, 250 kSPS). L'AD7175 è un ADC low noise sigma-delta a rapido assestamento, multiplexed, a 8/16 canali (completamente/pseudo differenziali) per ingressi a bassa larghezza di banda.
- Campionamento del segnale 4-20mA: l’ADC AD4111 è una buona scelta per il campionamento delle uscite del sensore dell'aria trasmesse tramite segnale 4-20mA, in quanto presenta un ottimo accoppiamento di canale grazie alle resistenze di sense integrate per il campionamento della corrente e della tensione. Il dispositivo è un ADC sigma-delta low power a 24 bit, a basso rumore, che integra un front-end analogico (Analog Front End, AFE) per ingressi in tensione bipolari ad alta impedenza (≥1 MΩ), completamente differenziali o single-ended, da ±10 V e ingressi in corrente da 0 mA a 20 mA.Questo ADC integra anche i blocchi principali di condizionamento del segnale analogico e digitale per configurare otto impostazioni personalizzate per ciascun canale di ingresso analogico in uso. È dotato di una velocità massima di scansione del canale di 6,21 kSPS (161 µs) per dati completamente stabilizzati e ha anche l'esclusiva funzione di rilevamento di circuito aperto sugli ingressi in tensione per la diagnostica a livello di sistema, utilizzando un’unica alimentazione a 5 V o 3,3 V.
- Segnale in tensione: Se si sceglie un ADC esterno ad alta risoluzione, la serie ADR4xxx (cioè ADR4525/ADR4530) può fornire una tensione di riferimento ad alta precisione per l'ADC. In alternativa, un metodo a basso costo consiste nell'utilizzare l'ADC interno dell'unità microcontrollore (MCU) per eseguire il campionamento, ma ciò potrebbe sacrificare l'accuratezza della misura.
Sistema di controllo della temperatura
La temperatura è controllata da un sistema a loop chiuso: L’LT1241 viene utilizzato per pilotare un ponte MOSFET con modulazione a larghezza di impulso (Pulse Width Modulation, PWM) come circuito di raffreddamento termoelettrico (Thermo Electric Cooler, TEC) per controllare il dissipatore termico, mentre un rilevatore di temperatura a resistenza (Resistance Temperature Detector, RTD) legge la temperatura e si collega all'AD7124, un ADC sigma-delta a rumore e assorbimento ultra-bassi. L'AD7124 è destinato alle applicazioni di misurazione della temperatura. Per migliorare l'accuratezza dell'acquisizione della temperatura, può supportare una termocoppia a 2 fili ed è ottimizzato per una configurazione RTD a 3 fili, per soddisfare le diverse aspettative dei clienti.
È anche disponibile l'ADN8835, che integra il controllore TEC. Lo schema del sistema di controllo della temperatura è illustrato nella Fig. 5.
Sistema di rilevazione
Il sistema di rilevazione è lo stadio finale, utilizzato per descrivere il cromatogramma. I sensori di flusso e di pressione sono utilizzati per monitorare il movimento del gas di trasporto con diverse richieste di campionamento, per cui sono stati scelti LTC2498 con multicanale. (Fig. 6)
All'ingresso del rilevatore, il segnale della corrente ionica è normalmente a livello di picoampere e l'ADA4530-1 funziona come amplificatore elettrometrico, che beneficia non solo della bassa corrente di bias in ingresso, ma anche di un rumore e di un offset ridotti.L'ADA4530-1 è anche un amplificatore operazionale che ha un prodotto guadagno-larghezza di banda pari a 2 MHz, per cui la resistenza di retroazione per il guadagno può essere molto elevata, dato che la larghezza di banda del segnale è normalmente inferiore a diversi kHz. I dispositivi ADA4522-2 in cascata,con amplificatore a rumore e deriva ultra-bassi come secondo stadio, raggiungono un guadagno sufficiente per l'intervallo di ingresso dell'ADC. Il dispositivo ADA4522-2 offre amplificatori operazionali low power a deriva zero e basso rumore, ingressi con rilevamento verso terra e uscita rail-to-rail, ottimizzati per un’accuratezza totale in condizioni di tempo, temperatura e tensione.
Alimentazione
L'alimentazione del sistema deriva da 24 VDC ed è collegata a convertitori step-down (buck) per fornire l'alimentazione ai circuiti, tra cui amplificatori, ADC, processori e altro.
Sia l’LT8471 che l’LTM4655 sono a doppia uscita con tensioni positive e negative. L'LTM4655, con i controllori, i MOSFET di potenza, gli induttori e i filtri inclusi nella catena di segnale, è stato progettato per ridurre la complessità del progetto e avere una buona immunità all’EMI. (Fig. 7)
Conclusione
La gascromatografia svolge un ruolo importante nel monitoraggio degli inquinanti per la protezione dell'ambiente. Ha anche il potenziale e la capacità di essere integrata in altre tecniche, come la cromatografia liquida, per misurare e monitorare più sostanze. Per rispondere alle esigenze attuali e a quelle che potrebbero emergere nel futuro, ADI dispone di un'ampia gamma di soluzioni a basso rumore e alta precisione per soddisfare le esigenze dei clienti e semplificare la progettazione dei sistemi.
Monitoraggio della qualità dell’acqua
Le acque di superficie e sotterranee sono principalmente contaminate da composti di nitrobenzene e ioni di metalli pesanti. La contaminazione disciolta è dovuta aiprocessi di trasformazione incompleti durante la produzione industriale e rappresenta una seria minaccia per la salute pubblica. La gascromatografia può monitorare la contaminazione con precisione elevata.
Monitoraggio dei pesticidi residui nel suolo
Nelle attività agricole, i pesticidi che gli agricoltori spruzzano sulle proprie colture uccidono i parassiti, ma possono anche danneggiare la salute delle persone. La gascromatografia può analizzare con precisione gli ingredienti dei pesticidi.
In generale, la gascromatografia può essere integrata in altre tecniche, tra cui la cromatografia liquida, per la misurazione di più sostanze. Pertanto, è diventata una tecnica ampiamente utilizzata nella maggior parte delle industrie e delle strutture di analisi. Nel contesto, ADI è in grado di offrire soluzioni a basso rumore e ad alta precisione della catena del segnale per ridurre la complessità della progettazione del sistema e ottenere prestazioni eccellenti con alta risoluzione, robustezza, ecc.
