CN101806771B - 一种极谱仪前置放大电路装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种极谱仪前置放大电路装置及方法，通过对数放大器实现对电解电流的测量。本发明通过灌电流转换单元和对数放大器对溶液中指定离子的浓度进行测量，可实现对大范围的、指定离子的浓度的测量，省略量程切换，增大测量范围，提高测量速度，降低测量误差。

Description

一种极谱仪前置放大电路装置及方法

技术领域

本发明涉及极谱仪装置，尤其涉及一种极谱仪前置放大电路装置及方法。

背景技术

现有技术一中，极谱仪前置放大电路中的电流转换电压信号的电路如图1所示，在测量溶液中指定离子的浓度时，通常采用如图1所示的电路，将电解电流转换为电压信号进行测量。

现有技术一的缺陷在于，由于电阻R的值固定不变，仅可以实现对单一的、指定离子的浓度或离子浓度范围较小的指定离子的浓度进行测量。

现有技术二中，采用如图2所示的电路，即采用继电器或多路模拟开关切换不同阻值的电阻，作为极谱仪前置放大电路中的电流转换电压信号的电路，从而实现了量程切换。极谱仪所能测量的指定离子的浓度的范围为10-8mol/L～1mol/L(“mol/L”表示“摩尔每升”，为浓度计量单位)，对应的电解电流的变化范围通常可达到几个数量级，如从10nA(nA表示纳安，为电流计量单位)到1mA(mA表示毫安，为电流计量单位，1mA＝106nA)。

如图2所示，ADG708BRU为一个极低导通阻抗的高速多路模拟开关，通过给ADG708BRU中的A0、A1和A2三根地址线输入不同的电平信号，即可实现对ADG708BRU的8脚和与S1-S8连接的八个电阻中任意一个电阻连接，进而达到切换量程的目的。当A0、A1、A2均为低电平时，8脚与S1连接，也就是运算放大器的反馈电阻为100MΩ，若此时电源电压最高为5V，则允许通过的电解电流的范围为0nA-50nA；当A0、A1、A2都为高电平时，8脚与S8连接，此时运算放大器的反馈电阻为1KΩ，允许通过的电解电流范围为0nA-5mA，因而，在50nA量程时，可以精细地测量溶液中低浓度的指定离子的浓度，在5mA量程时，可以精细地测量溶液中高浓度的指定离子的浓度。

现有技术二的缺陷在于，由于极谱仪前置放大电路采用了多路模拟开关，引入模拟开关的泄漏电流，测量指定离子的浓度时，误差比较大；同时因为多路模拟开关导通电阻的存在，影响电解电流的实际放大倍数的精度，而且不同开关之间的导通电阻并非完全一致，也会带来量程误差；由于需要多次测量才能够确定最佳量程，致使测量时间长，可操作性低。

发明内容

鉴于上述现有技术中极谱仪前置放大电路的装置和方法所存在的不足之处，本发明提供一种极谱仪前置放大电路装置及方法，有效地解决现有技术中存在的缺陷，扩大测量范围，提高测量速度，降低测量误差。

本发明实现一种极谱仪前置放大电路装置，包括：

所述极谱仪前置放大电路装置包括：

灌电流转换单元，用于将极谱仪检测到的电解池电流转换成源电流，所述电解池电流为含有被测离子溶液的电解池在扫描电压作用下产生的电流，所述源电流为输入至对数放大器的电流信号；

所述对数放大器，用于将接收到的电流信号根据对数关系转换成电压信号，转换公式为：Vo＝1v*log(I1/I2)，其中，Vo为所述对数放大器输出电压信号的电压值，v为物理量电压的物理单位，I1为所述对数放大器接收到的电流信号的电流值，I2为特定精密基准电流值；

和

电流补偿单元，用于产生补偿电流，消除所述灌电流中的直流信号，保证信号检测的精度。

本发明还实现一种极谱仪前置放大电路方法，包括：将极谱仪检测到的电解池电流转换成源电流，所述电解池电流为含有被测离子溶液的电解池在扫描电压作用下产生的电流，所述源电流为输入至对数放大器的电流信号；

将接收到的电流信号根据对数关系转换成电压信号，转换公式为：Vo＝1v*log(I1/I2)，其中，Vo为所述对数放大器输出电压信号的电压值，v为物理量电压的物理单位，I1为所述对数放大器接收到的电流信号的电流值，I2为特定精密基准电流值；

产生补偿电流，消除所述灌电流中的直流信号，保证信号检测的精度。

本发明有益效果是：

本发明通过灌电流转换单元和对数放大器对溶液中指定离子的浓度进行测量，可实现对大范围的、指定离子的浓度的测量，省略量程切换，增大测量范围，提高测量速度，降低测量误差。

附图说明

图1为现有技术一中极谱仪前置放大电路中的电流转换电压电路；

图2为现有技术二的极谱仪前置放大电路中的电流转换电压电路；

图3为本发明提供的极谱仪前置放大电路。

具体实施方式

极谱仪是一种单扫描示波极谱仪，在含有被测离子溶液的电解池两级上加一随时间作直线变化的电压，也就是在含有被测离子溶液的电解池两级上加扫描电压，即可引起电解池电流在测量电阻上产生变化的电压降，通过采用高分辨率的ADC(模块转换器)采样并显示在计算机显示屏上即得到一条可反映溶液中被测离子浓度的曲线，该曲线称为极谱曲线。通常特定的被测离子将在特定的扫描电压位置处出现一个极大的峰，该峰的高度正比于溶液中被测离子的浓度，通过实现测量标准溶液得到标准曲线，即可实现对溶液中特定离子浓度进行定量计算和分析。所述电解电流为溶液中的指定离子在扫描电压作用下形成的电流信号。

本发明实施例提供一种极谱仪前置放大电路装置，包括：

灌电流转换单元，用于将极谱仪检测到的电解池电流转换成源电流，所述电解池电流为含有被测离子溶液的电解池在扫描电压作用下产生的电流，所述源电流为输入至对数放大器的电流信号；

所述对数放大器，用于将接收到的电流信号根据对数关系转换成电压信号，转换公式为：Vo＝1v*log(I1/I2)，其中，Vo为所述对数放大器输出电压信号的电压值，v为物理量电压的物理单位，I1为所述对数放大器接收到的电流信号的电流值，I2为特定精密基准电流值；

和

电流补偿单元，用于产生补偿电流，消除所述灌电流中的直流信号，保证信号检测的精度。

本发明实施例引入灌电流转换单元，是由于对数放大器只能测量源电流，也就是说对数放大器只能接收电流信号，即电流只能输入对数放大器，而通常情况下，电解电流为灌电流，也就是说，需要电流从测试设备中流出，因而，本发明实施例中的灌电流转换单元，将来自工作电极的电解电流放大、反相，经反相后的电流可以输入至对数放大器。

所述灌电流转换单元包括运算放大器和电流方向单元，其中，

运算放大器，用于放大极谱仪检测到的电解池电流，产生灌电流，输出电流反相单元，所述灌电流为需要从对数放大器中流出；

所述电流反相单元，用于将灌电流转换成源电流，输出至对数放大器，且电流反相单元包括孪生精密匹配晶体管。

极谱仪检测的电解池电流范围为100pA～3.5mA。

所述电流补偿单元包括：

补偿电阻1，用于提供微弱电流补偿；

补偿电阻2，用于提供静谧的大电流补偿。

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

如图3所示，灌电流转换单元包括运算放大器U50PA703UA和电流反相器U2LM394N，U2LM394N由孪生精密匹配的两个晶体管构成，采用U2LM394N可减少反相电流误差。测量过程中，由运算放大器U50PA703UA的输出端流出的灌电流I1通过U2LM394N的C1(晶体管1的集极)、B1(晶体管1的基极)和E1(晶体管1的发射极)流回到工作电极，而后输入至对数放大器LOG101AID，这是因为：

根据运算放大器的虚短、虚断的概念，运算放大器的反相端与同相端等电位，即U2LM394N的E1与E2(晶体管2的发射极)等电位，同时，U2LM394N的C1、C2(晶体管2的集极)、B1、B2(晶体管2的基极)均连接在一起，U2LM394N是由孪生精密匹配的两个晶体管构成，因此U2LM394N中晶体管1中从C1、B1流向E1的电流完全等同于U2LM394N中晶体管2中从C2、B2流向E2的电流。

对数放大器LOG101AID可将接收到的电流信号按照对数关系转换成电压信号，转换公式为：Vo＝1v*log(I1/I2)，其中，Vo为所述对数放大器输出电压信号的电压值，v为物理量电压的物理单位，I1为所述对数放大器接收到的电流信号的电流值，I2为特定精密基准电流值；如此，采用本发明实施例所提供的极谱仪前置放大电路装置时，极谱仪可测量电流信号的范围为：100pA～3.5mA，正向供电电压高达18v，反相供电电压亦高达18v。

电阻R6和R7分别为补偿电阻1和补偿电阻2，电阻R6提供静谧的大电流补偿，电阻R7提供精密的微弱电流补偿，通过电阻R6和R7的电流补偿，可抵消电解电流中的直流成分，仅保留电解电流的交流成分，保证电解电流信号检测的精度。

本发明实施例还提供一种极谱仪前置放大电路方法，包括：将极谱仪检测到的电解池电流转换成源电流，所述电解池电流为含有被测离子溶液的电解池在扫描电压作用下产生的电流，所述源电流为输入至对数放大器的电流信号；

将接收到的电流信号根据对数关系转换成电压信号，转换公式为：Vo＝1v*log(I1/I2)，其中，Vo为所述对数放大器输出电压信号的电压值，v为物理量电压的物理单位，I1为所述对数放大器接收到的电流信号的电流值，I2为特定精密基准电流值；

产生补偿电流，消除所述灌电流中的直流信号，保证信号检测的精度。

极谱仪检测的电解池电流范围为100pA～3.5mA。

由上述可知，采用本发明实施例提供的如图3所示的极谱仪前置放大电路装置，极谱仪可完成免量程切换的大动态范围电解电流的测量，提供测量速度，增强可操作性；进一步地，经补偿电阻的补偿，可消除电解电流中的直流成分，保证测量指定离子的浓度的精度。

本发明实施例提供的极谱仪前置放大电路方法的具体实施例类似于所述极谱仪前置放大电路装置的具体实施例，在此不再赘述。

据此可知，采用本发明实施例提供的极谱仪前置放大电路装置及方法，极谱仪可完成免量程切换的大动态范围电解电流的测量，提供测量速度，增强可操作性；进一步地，经补偿电阻的补偿，可消除电解电流中的直流成分，保证测量指定离子的浓度的精度。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种极谱仪前置放大电路装置，其特征在于，所述极谱仪前置放大电路装置包括： 

灌电流转换单元，用于将极谱仪检测到的电解池电流转换成源电流，所述电解池电流为含有被测离子溶液的电解池在扫描电压作用下产生的电流，所述源电流为输入至对数放大器的电流信号； 

所述对数放大器，用于将接收到的电流信号根据对数关系转换成电压信号，转换公式为：Vo＝1v×log(I1/I2)，其中，Vo为所述对数放大器输出电压信号的电压值，v为物理量电压的物理单位，I1为所述对数放大器接收到的电流信号的电流值，I2为特定精密基准电流值； 

和 

电流补偿单元，用于产生补偿电流，消除所述灌电流中的直流信号，保证信号检测的精度； 

所述灌电流转换单元包括： 

运算放大器，用于放大极谱仪检测到的电解池电流，产生灌电流，输出至电流反相单元； 

所述电流反相单元，用于将灌电流转换成源电流，输出至对数放大器； 

所述电流反相单元为孪生精密匹配晶体管； 

所述孪生精密匹配晶体管为LM394，所述LM394包括晶体管1和晶体管2，晶体管1和晶体管2精密匹配； 

所述晶体管1的集电极、所述晶体管1的基极、所述晶体管2的集电极和所述晶体管2的基极连接； 

所述对数放大器的型号为LOG101AID； 

极谱仪检测的电解池电流范围为100pA～3.5mA； 

所述电流补偿单元包括： 

补偿电阻1，用于提供微弱电流补偿； 

补偿电阻2，用于提供静谧的大电流补偿。 

2.一种采用如权利要求1所述的极谱仪前置放大电路装置的检测方法，其特征在于，所述检测方法包括： 

将极谱仪检测到的电解池电流转换成源电流，所述电解池电流为含有被测离子溶液的电解池在扫描电压作用下产生的电流，所述源电流为输入至对数放大器的电流信号； 

将接收到的电流信号根据对数关系转换成电压信号，转换公式为：Vo＝1v×log(I1/I2)，其中，Vo为所述对数放大器输出电压信号的电压值，v为物理量电压的物理单位，I1为所述对数放大器接收到的电流信号的电流值，I2为特定精密基准电流值； 

产生补偿电流，消除所述灌电流中的直流信号，保证信号检测的精度。 

3.根据权利要求2所述极谱仪前置放大电路装置的检测方法，其特征在于，极谱仪检测的电解池电流范围为100pA～3.5mA。 

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