CN101614690A - 一种多通道电化学分析仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多通道电化学分析仪。其构成有：数据采集器(50)，处理器(60)，信号发生器(70)；还有开关网络(30)，电流测量单元(40)，N个电位控制器和N个相应的电解池或传感器，开关网络，用于选择测量的外部电解池或传感器；电流测量单元，用于测量外部电解池或传感器的电流信号；数据采集器，用于采集电流测量单元的数据；处理器，内部集成了各种电化学分析方法，用于产生信号发生器的数据和储存及处理采集的数据；信号发生器，用于接收处理器的数据并将该数据转化为控制电位控制器的电位信号。每个通道有独立的电位控制器和控制信号，所有通道通过开关网络共用一个电流测量单元，各通道全时工作，分时检测。

Description

一种多通道电化学分析仪
技术领域
本发明涉及一种电化学分析仪，尤其涉及一种多通道电化学分析仪。
背景技术
多通道电化学分析仪在库仑阵列分析，传感器阵列，芯片实验室等多组分，多变量分析等领域有广泛应用。传统多通道电化学仪器一般采用独立多通道检测，如Solartron公司的1480型多通道电化学分析仪，此类仪器的相当于用多个独立恒电位仪组合而成，各通道有独立的电位控制器和电流测量单元，只是共用信号采集及数据处理部分。这种多通道电化学仪器各通道可独立控制，全时并行工作，能满足大部分需求。但由于电路复杂，带来了体积庞大，成本高，可靠性降低等问题。
针对现有多通道电化学分析仪的不足，迫切需求一种各通道并行全时工作，应用范围广，扩展能力强，同时体积小、成本低，可靠性高的能多通道电化学分析仪。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种多通道并行全时电化学分析仪。通过对典型全时多通道电化学分析仪电路的分析可以发现，电流测量单元(如，零阻电流计)是其中最为复杂的部分，因为电流的变化范围一般都在5个数量级以上，因此需要设置多个量程，这就需要复杂的切换和控制电路，同时每个量程还需要滤波电路以消除噪音。而电位控制电路(包括对电极输出电路和参比电极高阻抗输入电路)只需要1到2个运算放大器即可实现，硬件开销相对较小。因此我们将电流测量单元设计成复用，通过开关网络分配给多个通道，而每个通道设置独立的输出电路和高阻输入电路，这样每个通道可以设置不同的实验条件，并且全部时间都在工作，在需要测量电流时将工作电极快速切换到电流测量电路(通过特殊的电路设计，切换不会带来干扰)。当前未测量的其它通道则处于正常工作状态。由于切换的是电子线路，电解池的状态并未发生改变，因此测量响应时间快，可实现快速(如每秒100次以上)扫描。这样在不影响功能的前提下，大大简化了电路，实现了微型化，提高可靠性，降低成本的目的。
如图1所示，一种多通道电化学分析仪的构成有：数据采集器50，处理器60，信号发生器70；数据采集器50与处理器60连接，处理器60与信号发生器70连接；处理器60内部存储了电化学分析方法的程序，可以产生信号发生器70需要的数据，储存及处理来自数据采集器50的数据；其特征在于，还有开关网络30，电流测量单元40，N个电位控制器和N个相应的电解池或传感器，其中，N是大于1的整数；开关网络30与电流测量单元40连接，开关网络30，用于选择测量的外部N个相应的电解池或传感器；电流测量单元40，用于测量外部N个相应的电解池或传感器的电流信号；数据采集器50还与电流测量单元40连接，数据采集器50用于采集电流测量单元40的数据；信号发生器70还分别与N个电位控制器连接，信号发生器70用于接收处理器60的数据并将该数据转化为控制N个电位控制器的电位信号；N个电位控制器的每个电位控制器有一个通道，每个电位控制器分别与外部N个相应的电解池或传感器连接，分别给外部N个相应的电解池或传感器施加控制电压，每通道控制一个外部电解池或传感器；所有的通道都与开关网络30连接，通过开关网络30共用一个电流测量单元40，开关网络30与电流测量单元40连接，各通道全时工作，分时检测；
所述的处理器60通过USB接口、RS232接口或蓝牙接口与计算机连接；或者，不连接计算机独立工作；
所述的开关网络30采用模拟开关；或者，选择机械继电器或固态继电器，应用于输出电流在数十毫安以上的场合；
所述的处理器60内存储的的电化学分析方法的程序包括循环伏安法程序，线性扫描伏安法程序，计时电流法程序，计时库仑法程序，计时电位法程序，时间电流曲线法程序，差分脉冲伏安法程序，常规脉冲伏安法程序，差分常规脉冲伏安法程序，双差分常规脉冲伏安法程序，方波伏安法程序，阶梯波伏安法程序，塔菲尔曲线法程序，整体电解法程序，阴极溶出伏安法程序，阳极溶出伏安法程序，电位溶出伏安法程序，交流循环伏安法程序和交流线性扫描伏安法程序的一种或多种；
所述的N个电位控制器、数据采集器、处理器、电流测量单元以及信号发生器集成于一块电路板；
多通道电化学分析仪，有金属外壳或表面金属电镀的外壳，对电路板实现电磁屏蔽，减少外界干扰，有效地实现高精度的电化学测量和控制。
作为一个优选例，所述的N个电位控制器，优选N为8，所述的通道数目也为8，有相应的8个电解池或传感器；所述的电位控制器为采用2个运算放大器的恒电位电路；所述开关网络30采用模拟开关；所述电流测量单元40为零阻电流计电路，电流测量范围为1nA-5mA；所述处理器60为带有USB接口的单片机，通过USB接口与外部计算机连接，处理器60通过USB接口接收计算机的指令并将采集的实验数据传输到计算机；
当本发明的多通道电化学分析仪工作时，处理器60内部存储了多种电化学分析方法的程序，处理器60根据通过USB接口接收的来自计算机的指令或内部存储了多种电化学分析方法的程序，产生相应的电位数据，传送到信号发生器70转变成电压信号，再通过电位控制器11、电位控制器12…电位控制器1N施加到外部电解池或传感器21、外部电解池或传感器22…外部电解池或传感器2N。外部电解池或传感器21、外部电解池或传感器22…外部电解池或传感器2N的电流信号通过模拟开关30连接到零阻电流计电路40，模拟开关30将当前测量的通道的外部电解池或传感器21、外部电解池或传感器22…外部电解池或传感器2N与零阻电流计电路40连接，将当前未测量的通道的外部电解池或传感器21、外部电解池或传感器22…外部电解池或传感器2N直接接地，以保证各通道的电外部电解池或传感器21、外部电解池或传感器22…外部电解池或传感器2N任何时候都处于正常工作状态。零阻电流计电路40将当前所测量通道的外部电解池或传感器21、外部电解池或传感器22…外部电解池或传感器2N的电流信号转换成电压信号传送到数据采集器50，数据采集器50将该电压信号转换成数据并传送到处理器60，处理器60根据需要对该数据进行储存、处理或通过USB接口传输到计算机。
由于采用了USB接口，每台计算机最多可连接127台本发明的多通道电化学分析仪，很方便地实现了仪器的通道扩展。
有益效果：与现有技术相比较，本发明的多通道电化学分析仪采用了每个通道独立控制的结构，每个通道能全时并行工作，应用范围不受限制，同时，各通道通过开关网络共用一组电流测量单元。这种结构在全时工作的前提下大幅度减少了仪器的元件数量，从而实现了降低成本，缩小体积。
附图说明
图1为本发明提供的一种多通道电化学分析仪的结构示意图。
图2为本发明提供的一种多通道电化学分析仪的一个具体实施例的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
如图2所示，一种多通道电化学分析仪的构成有：数据采集器50，处理器60，信号发生器70；数据采集器50与处理器60连接，处理器60与信号发生器70连接，处理器60内部存储了多种电化学分析程序，可以产生信号发生器70需要的数据和储存及处理来自数据采集器50的数据；其特征在于，还有开关网络30，电流测量单元40，8个电位控制器和8个相应的电解池或传感器，开关网络30与电流测量单元40连接，开关网络30，用于选择测量的外部8个相应的电解池或传感器；电流测量单元40，用于测量外部8个相应的电解池或传感器的电流信号；数据采集器50还与电流测量单元40连接，数据采集器50用于采集电流测量单元40的数据；信号发生器70还分别与8个电位控制器连接，信号发生器70用于接收处理器60的数据并将该数据转化为控制8个电位控制器的电位信号；8个电位控制器的每个电位控制器有一个通道，每个电位控制器分别与外部8个相应的电解池或传感器连接，分别给外部8个相应的电解池或传感器施加控制电压，每通道控制一个外部电解池或传感器；所有的通道都与开关网络30连接，通过开关网络30共用一个电流测量单元40，开关网络30与电流测量单元40连接，各通道全时工作，分时检测；
由于有8个电位控制器，所述的通道数目也为8，有相应的8个电解池或传感器；所述的8个电位控制器为采用2个运算放大器的恒电位电路；所述开关网络30采用模拟开关；所述电流测量单元40为零阻电流计电路，电流测量范围为1nA-5mA；所述处理器60为带有USB接口的单片机，仪器通过USB接口与外部计算机连接，处理器60通过USB接口接收计算机的指令并将采集的实验数据传输到计算机。
所述8个电位控制器、数据采集器、处理器、电流测量单元以及信号发生器集成于一块电路板；
多通道电化学分析仪，有金属外壳或表面金属电镀的外壳，对电路板实现电磁屏蔽，减少外界干扰，有效地实现高精度的电化学测量和控制。
所述的8个电位控制器为采用2个运算放大器的恒电位电路；所述开关网络30采用模拟开关；所述电流测量单元40为零阻电流计电路，电流测量范围为1nA-5mA；所述处理器60为带有USB接口的单片机，仪器通过USB接口与外部计算机连接，处理器60通过USB接口接收计算机的指令并将采集的实验数据传输到计算机。
多通道电化学分析仪，有金属外壳或表面金属电镀的外壳，对电路板实现电磁屏蔽，减少外界干扰，有效地实现高精度的电化学测量和控制。
当本发明的多通道电化学分析仪工作时，处理器60根据通过USB接口接收的来自计算机的指令或集成的电化学分析方法，产生相应的电位数据，传送到信号发生器70转变成电压信号，再通过电位控制器11、电位控制器12…电位控制器18施加到外部电解池或传感器11、外部电解池或传感器12…外部电解池或传感器28。外部电解池或传感器21、外部电解池或传感器22…外部电解池或传感器28的电流信号通过模拟开关30连接到零阻电流计电路40，模拟开关30将当前测量的通道的外部电解池或传感器21、外部电解池或传感器22…外部电解池或传感器28与零阻电流计电路40连接，将当前未测量的通道的外部电解池或传感器21、外部电解池或传感器22…外部电解池或传感器28直接接地，以保证各通道的电外部电解池或传感器21、外部电解池或传感器22…外部电解池或传感器28任何时候都处于正常工作状态。零阻电流计电路40将当前所测量通道的外部电解池或传感器21、外部电解池或传感器22…外部电解池或传感器28的电流信号转换成电压信号传送到数据采集器50，数据采集器50将该电压信号转换成数据并传送到处理器60，处理器60根据需要对该数据进行储存、处理或通过USB接口传输到计算机。
由于采用了USB接口，每台计算机最多可连接127台本发明的多通道电化学分析仪，很方便地实现了仪器的通道扩展。
本发明的多通道电化学分析仪，一方面将各个功能电路集成于一电路板上，加强电路的集成度，有效地减小仪器的体积；另一方面采用了每个通道独立控制的结构，每个通道能全时并行工作，应用范围不受限制，同时，各通道通过开关网络共用一组电流测量单元。这样在全时工作的前提下，大大简化了电路，实现了微型化，提高可靠性，降低成本的目的。仪器可以多个同时使用，以扩展更多通道。因此，本发明的多通道电化学分析仪具有各通道并行全时工作，应用范围广，扩充能力强，同时体积小、成本低，可靠性高的特点，适用于多通道微芯片系统的电化学检测等需要各通道并行全时工作的场合。
所述的处理器60通过USB接口、RS232接口或蓝牙接口与计算机连接；或者，不连接计算机独立工作。
所述的开关网络30采用模拟开关；或者，选择机械继电器或固态继电器，应用于输出电流在数十毫安以上的场合；
所述的仪器通道数N可以为8，也可以为任何大于1的整数，如仪器为4通道，16通道；
所述的处理器60内存储的的电化学分析方法的程序包括循环伏安法程序，线性扫描伏安法程序，计时电流法程序，计时库仑法程序，计时电位法程序，时间电流曲线法程序，差分脉冲伏安法程序，常规脉冲伏安法程序，差分常规脉冲伏安法程序，双差分常规脉冲伏安法程序，方波伏安法程序，阶梯波伏安法程序，塔菲尔曲线法程序，整体电解法程序，阴极溶出伏安法程序，阳极溶出伏安法程序，电位溶出伏安法程序，交流循环伏安法程序和交流线性扫描伏安法程序的一种或多种。
所述的N个电位控制器、数据采集器、处理器、电流测量单元以及信号发生器集成于一块电路板；
多通道电化学分析仪，有金属外壳或表面金属电镀的外壳，对电路板实现电磁屏蔽，减少外界干扰，有效地实现高精度的电化学测量和控制。

Claims (2)

1、一种多通道电化学分析仪的构成有：数据采集器(50)，处理器(60)，信号发生器(70)；数据采集器(50)与处理器(60)连接，处理器(60)与信号发生器(70)连接；处理器(60)内部存储了电化学分析方法的程序，可以产生信号发生器(70)需要的数据，储存及处理来自数据采集器(50)的数据；其特征在于，还有开关网络(30)，电流测量单元(40)，N个电位控制器和N个相应的电解池或传感器，其中，N是大于1的整数；开关网络(30)与电流测量单元(40)连接，开关网络(30)，用于选择测量的外部N个相应的电解池或传感器；电流测量单元(40)，用于测量外部N个相应的电解池或传感器的电流信号；数据采集器(50)还与电流测量单元(40)连接，数据采集器(50)用于采集电流测量单元(40)的数据；信号发生器(70)还分别与N个电位控制器连接，信号发生器(70)用于接收处理器(60)的数据并将该数据转化为控制N个电位控制器的电位信号；N个电位控制器的每个电位控制器有一个通道，每个电位控制器分别与外部N个相应的电解池或传感器连接，分别给外部N个相应的电解池或传感器施加控制电压，每通道控制一个外部电解池或传感器；所有的通道都与开关网络(30)连接，通过开关网络(30)共用一个电流测量单元(40)，开关网络(30)与电流测量单元(40)连接，各通道全时工作，分时检测；
所述的处理器(60)通过USB接口、RS232接口或蓝牙接口与计算机连接；或者不连接计算机独立工作。
所述的开关网络(30)采用模拟开关；或者，选择机械继电器或固态继电器，应用于输出电流在数十毫安以上的场合；
所述的处理器(60)内存储的的电化学分析方法的程序包括循环伏安法程序，线性扫描伏安法程序，计时电流法程序，计时库仑法程序，计时电位法程序，时间电流曲线法程序，差分脉冲伏安法程序，常规脉冲伏安法程序，差分常规脉冲伏安法程序，双差分常规脉冲伏安法程序，方波伏安法程序，阶梯波伏安法程序，塔菲尔曲线法程序，整体电解法程序，阴极溶出伏安法程序，阳极溶出伏安法程序，电位溶出伏安法程序，交流循环伏安法程序和交流线性扫描伏安法程序的一种或多种。
多通道电化学分析仪，有金属外壳或表面电镀金属的外壳。
2、如权利要求1所述的多通道电化学分析仪，其特征在于所述的N是8。
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