CN104569086B - 用于电化学传感器的恒电位电路 - Google Patents

Abstract

提供了用于电化学传感器的恒电位电路。电化学检测器可由传感器所产生的电压部分地或全部地供电。使用在相应的传感器中产生预定电压降的有源电路或无源部件，可提供在操作期间不析氢的二电极自耗阳极氧传感器。

Description

用于电化学传感器的恒电位电路

技术领域

本申请涉及驱动电化学传感器的电路和方法。更具体地，本申请涉及由相应的传感器所产生的功率部分或全部供电的电路。

背景技术

功率消耗是关于电化学传感器的问题。常规恒电位器必须向传感器提供电流，即使传感器将能够在简单的二电极负载电阻器电路中操作时产生其自己的电流。

常规恒电位器主动迫使电流穿过计数器/工作电极电路，以便维持在工作和参考电极之间的期望电位差。基于例如锌或锡的金属的自耗阳极氧传感器遭受由于感测电极被驱动到它们可析出氢的电位而引起的问题。效果在升高的温度下变得更坏。在感测电极上的析氢也导致背景电流、阳极的额外消耗以及与从传感器排出所析出的氢有关的问题。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种控制电化学传感器的方法，包括：操作所述传感器并产生传感器电压；以及进行将基本上固定的负载电阻耦合到所述传感器或将电子地可变的负载电阻耦合到所述传感器之一，并调节电阻以便维持选定的传感器电压，其中来自所述传感器的电能耦合到所述固定的负载电阻或所述可变的负载电阻。

根据本发明的另一个方面，提供了一种装置，包括：电化学传感器，其被携带在壳体中，携带在所述壳体上的两个端子耦合到相应的传感器电极；以及携带在所述壳体中的传感器输出电压建立电路，其被所述传感器耦合并供电。

根据本发明的又一个方面，提供了一种电化学检测器，包括：电化学传感器；以及以下中的至少一个：包括耦合到所述传感器以维持选定传感器电压的电子地可变的负载电阻的有源电压控制电路，或产生跨所述传感器的电压降的电子部件，其中所述电压降足以在所述传感器的正常操作电流范围上防止析氢而不引起过度的活动性损失，且其中功率是至少部分地从所述传感器得到的。

附图说明

图1是其动态实施例的一个实施例的示意图；

图2是其另一实施例的示意图；

图3是其又另一实施例的示意图；

图4是静态实施例的示意图；

图5是另一静态实施例的示意图；以及

图6是示出有和没有如本文公开的电路的传感器性能的曲线图。

具体实施方式

虽然所公开的实施例可采取很多不同的形式，但是其中的特定实施例在附图中示出，且将在本文被详细描述，应理解的是，本公开应被考虑为其原理的范例以及实施其的最佳模式，且并不意图将其权利要求限制到所示的特定实施例。

在其中的一个方面中，与包括电化学传感器特别是气体传感器的检测器相关的功率消耗可有利地减少。其中的电化学实施例可包括两个、三个或更多个电极。

可利用下列事实：电化学传感器可产生其自己的功率。该功率中的一些可用于给相关电路供电。例如其值被主动或被动地调节的晶体管或二极管的电子地可变的负载电阻可用于维持在工作和参考电极之间的期望电位。该电路可使用由相应的传感器产生的功率。它有利地不主动向传感器施加功率。它从它正调整的传感器接收其功率要求，以便调节电子地可变的电阻设备。在一些实施例中，反馈放大器也可至少部分地从相应的传感器所产生的功率或从单独的源被供电。

因为在其中的实施例中，驱动电能来自传感器本身，最大电压和电流由传感器确定。具体地，这意味着不可能在偏压下操作传感器，该偏压在由传感器的零（即，短路）和开路电压定界的范围之外。此外，因为开路电压被接近，可用电流降低了。

在可替代实施例中，包括例如二极管的部件的“无源”系统可用于产生跨例如氧传感器的传感器的电压降。例如，在一些实施例中，“无源”系统可包括不活动且不包括晶体管的系统。在该配置中，电压降优选地足以防止析氢，而不引起在传感器的正常操作电流范围上的活动性的过度损失。

上述方法可应用于自诊断电路，其中期望通过在不同偏压处的操作来故意将电极反应的速率减小到正常使用的速率。例如，对于两个电极自耗铅阳极氧传感器，可通过改变传感器偏压来得到有用的诊断，以便减小电极活动性。通常这将需要有源恒电位电路的使用，然而，这需要功率消耗，并因此是不合乎期望的，因为氧传感器通常在负载电阻器内操作且不需要外部功率。使用本方法和电路，这样的传感器可以被恒电位地控制，而不明显增加功率消耗。

在图1中示出电化学检测器10的一种可能的示例性实现。在图1中，检测器10包括携带电化学气体传感器14的壳体12。传感器14包括计数器电极14a、工作电极14b和参考电极14c。

部件20是电子地可调节的可变电阻的某种形式。这可例如是晶体管（双极或场效应）或电子地可调节的电位计。例如，诸如模拟设备AD5258或类似设备的数字电位计，或电子地可调节的机械可变电阻器或产生其电阻可被电子地调节的设备的任何其它装置。

部件22包括数字或模拟比较器。它测量在参考电极14c和工作电极14b之间发展的电压，并在线22a上输出信号以调节部件20的电阻。部件22调节部件20的电阻以确保在工作和参考电极14b、c之间的偏压保持等于期望偏压24。在很多应用中，偏压24为零，如本领域中的技术人员将理解的。部件22可被实现为模拟设备，例如运算放大器。可替代地，可使用数字设备，例如在22b处指示的微控制器。

实际中，所需的偏压24根据传感器电流可以是可变的。例如，传感器14可被制造成在一状况（regime）中操作，该状况在介于开路恒电位设备的状况与完全恒电位控制的测量电流设备的状况之间的某处。如同常规恒电位器一样，图1的电路可通过将相应于电极14a、14c的“参考”和“计数器”端子连接在一起来在2电极模式中使用，并且也可容易扩展以包括额外的工作电极。

也可提供用于测量由传感器14产生的电流的电路。电流跟随器的使用不是合乎期望的，因为它是有源电流吸收器，且因此需要提供等于正被测量的电流的电流。测量电流的可能电路包括但不限于：与工作或计数器电极串联的、具有测量跨其发展的电压的装置的固定电阻器，或如果可变电阻设备20的电阻是已知的（如可以是如果例如它是电子地可控制的机械或固态电位计的情况）或如果它的电阻可基于施加到它的电压而被计算（如可以是例如具有场效应晶体管的情况），则可从跨其发展的电压计算流经设备20的电流。

如果可变电阻设备20是双极晶体管，则可从基极电流或基极电压的测量计算它的电流，如果它的特性被良好限定。在一些情况（特别是其中可变电阻设备20是双极或场效应晶体管）下，可能需要与可变电阻设备20相同的类型的第二匹配设备来补偿温度影响。可替代地，可使用外部温度补偿电路。对于一些应用——例如用于在存储中时在正确的偏压条件下维持传感器的“偏压板”，测量传感器电流可能不是必要的。然而，这样的电路将仍然受益于较长的电池寿命。

图2示出配置有用于现有的2电极自耗阳极氧传感器的“混入（drop in）”替换14-2的检测器10-2的实现。图2中相应于图1的之前讨论的元件的元件被分配相同的标识数字且不需要被再次讨论。当前测量部件30（一般是电阻器或有时是电流跟随器）在传感器封装14-2外部。可以被温度补偿的参考生成元件24耦合到比较器22。

如本领域中的技术人员将理解的，在图2中，没有明确示出运算放大器22的电源——它可由小钮扣电池或类似的电池提供，这是因为对运算放大器的功率要求小。例如，如果模拟设备型号AD8500的低功率低电压运算放大器用于以1微安为运算放大器22连续供电5年，则仅仅需要44毫安培小时。这可由单个锂钮扣电池实现，锂纽扣电池的直径（12.5mm）将方便地安放在City Technology 4系列传感器壳体内，且只占据2.5mm的高度。可在单个1.5V电池上操作的运算放大器现在是可用的，这允许电池尺寸有可能进一步减小。

在比较中，使用100uA的标称传感器电流操作具有常规供电的恒电位电路的氧传感器14五年将需要大约4.4安培小时。这需要显著大于4-系列传感器封装的电池。

在图3中示出另一实现10-3。在实施例10-3中，来自传感器14的能量被转向以给调节运算放大器22的电阻供电。壳体12-3携带检测器10-3。

传感器14和控制电路22a包含在具有2管脚连接的壳体14-3内，并可被制造为用于现有2管脚自耗阳极传感器的机械和电气混入替换，如上面关于图2所讨论的。例如负载电阻器30的阻抗元件、例如运算放大器电流跟随器电路的有源阻抗元件或任何其它适当的电流测量电路在壳体和集成传感器14-3外部，如对氧传感器的当前一般惯例一样。电压参考24限定跨传感器14要维持的电位以避免析氢或活动性问题，并如果需要的话可设计成随着温度而改变。传输晶体管（pass transistor）20用于产生所需的跨传感器14的电压降，且可以是零电压阈值金属氧化物半导体场效应晶体管（mosfet）或类似物。

运算放大器22驱动传输晶体管20以维持跨传感器14的期望电压。如上面讨论的，运算放大器22可以是集成设备或可从分立零阈值mosfet或类似部件构建，而不偏离其精神和范围。运算放大器22可直接从跨传感器的超额电压被供电，在这种情况下，它的正电源22c连接到在14a处的传感器的正端子，且它的负电源22d优选地连接到如所示的输出管脚14b，使得流经运算放大器22的电流仍然由外部电路30测量，因为它是来自需要被测量的传感器的总电流。

可替代地，运算放大器可从传感器中的单独电极或内部电池被供电，在这种情况下，来自运算放大器22的负电源22d应替代地直接连接到传感器14的在14b处的负管脚，使得流经运算放大器22的电流不添加到所测量的输出电流。这样的电路可适合于三电极系统，如本领域中的技术人员将理解的，其通过将图3中的运算放大器22的输入22e连接到参考电极14c而不是感测电极而除了常见的感测和计数器电极以外还具有参考电极。在又另一方面中，可提供升压电路来从较低的传感器电压产生适当高的电源电压，以激励运算放大器。

如上面关于图1-3讨论的，可提供有源电路来维持恒定电压配置。可替代的实施例提供传感器配置，其合并一个或多个无源部件以提供仅具有两个与传感器串联的端子的温度补偿自供电电路。应认识到，锌阳极传感器例如将展示随着增加的温度而增加的背景电流。

可替代地，如上面提到的，二极管可跨传感器而耦合以在一定范围的电流上提供相对恒定的电压降。热敏电阻器可与二极管串联和/或并联地被添加以实现温度补偿。

图4示出气体检测器10-4的温度补偿静态实施例。在实施例10-4中，传感器14被配置用于如上讨论的两个端子操作。可移除地携带在壳体12-4中的封装14-4携带两个接触管脚40a、b，其经由接触40b将传感器接触14b耦合到负载电阻器40。接触40a将负载电阻器40耦合到二极管42。

二极管42提供跨传感器14的基本上恒定的、预定电压降。如上面讨论的，使用由传感器14产生的电流给二极管42供电。可以是热敏电阻器的元件44a、b为二极管42提供温度补偿。

关于其中图4的实施例，如果具有随着温度而增加的电阻的热敏电阻器44b与二极管42并联耦合，则在低温处，它可有效地产生并联的低电阻路径，从而下拉电压降。在极端情况下，如果在低温处零偏置的背景电流可接受地低，则可能有可能使二极管几乎完全短路。

热敏电阻器可被选择成使得在高温处它的电阻与二极管比较是高的，使得二极管单独限定偏压。附加或代替此地，具有随着温度而增加的电阻的热敏电阻器可放置成与二极管串联。热敏电阻器可被选择成使得在低温处跨它的电压降是低的，使得二极管单独限定偏压，而随着增加的温度，偏压增加。

应注意到，与二极管42串联的热敏电阻器（例如44a）和/或并联的热敏电阻器（例如44b）的添加将在某种程度上损害电路的性能，因为热敏电阻器具有线性I/V特性而不是随着电流几乎恒定的正向电压。然而，例如，如果在低温处的所需偏压足够低，使得二极管可几乎完全短路，或如果在高温处传感器的响应速度足够快，使得额外的串联电阻（其将减慢响应）的存在不是问题，则这可以是可接受的。

在图5中示出在检测器10-4的实施例中可用的替代的无源型温度补偿电路，其包括两个二极管42a、42b和两个热敏电阻器44a、42b。这两个热敏电阻器都是PTC类型，即，它们的电阻随着增加的温度而增加。

图5的电路可优选地与传感器14的锌型版本一起使用。部件可被选择成使得在“环境”温度及之下处，热敏电阻器T1的电阻足够低，使得它有效地使二极管D2短路。因此，对于中温到低温，等效电路是D1和T2并联的电路。T2被选择成使得在“中”温（例如20C）处，它的电阻足够大，使得电路表现为单独的二极管D1。

在低温（例如-20C）处，T2的电阻意在使二极管D1短路，结果是偏压朝零下降。这的优点是，电路的阻抗低，使与传感器电容形成的RC时间常数最小化，使由于低温而将已经很慢的响应速度的任何降级最小化。

总的来说，由传感器本身产生的不需要的电压跨适当的部件下降。在一个公开的实施例中，这可以通过使用例如一个或多个二极管而被动执行。二极管可以是温度补偿的。可替代地，可使用有源部件，例如晶体管或任何其它部件，它们的I/V特性可被控制/调节。在这种情况下，有可能主动调节跨部件下降的电压。这可用于确保在宽传感器操作电流之上的一致的电压降。

例如，诸如1n4148的二极管将在85毫安的传感器电流处产生500毫伏的自偏压，在3毫安的基线传感器电流处下降到300毫伏。当使用连接为二极管的场效应晶体管时，可实现更好的性能。例如，并联的三个PN4117A场效应晶体管，它们的源极和漏极端子连接在一起并用作二极管阴极，且它们的栅极连接在一起并用作二极管阳极，这产生非常低泄漏的二极管，其在75毫安处产生700毫伏的电压，在1纳安的基线传感器电流处下降到370毫伏。这样的电路的性能在下面讨论的图6中示出。

可在各种电路中提供对晶体管的温度变化的补偿。反馈可以采取简单地维持跨晶体管本身的恒定电压、跨晶体管和串联测量电阻器的恒定电压的形式，或可被制造成以受控方式改变以补偿传感器中的非理想性——例如随着温度而改变偏压。在三电极系统中，可基于在参考电极上测量的电压来调节电压降，如在常规三电极恒电位电路中那样。电极材料可包括锡、锌、锑和铋，都是非限制性的。

图6示出在有和没有本文的电路及方法的应用的情况下基于锌阳极的传感器的表现。传感器结构基于市售的City Technology 4OX2L氧传感器，但用锌阳极代替了常见的铅阳极。锌阳极由在一端焊接到镍集电器的5克1 mm直径的锌线（99.99%纯度）形成，镍和焊接头密封在环氧树脂中以使这些与电解质隔离以防止在这些和阳极之间形成电化学电池。电解质是常规水性4M醋酸钾溶液，且感测电极是在如4OX2L传感器中所使用的石墨上含5%铂的气体扩散电极。

相对粗的锌线的使用及因而阳极的低表面积使由于在锌表面上的局部电池而导致的自放电效应和析氢最小化，而不损害传感器性能。由于锌的较高能量密度，与具有相同的物理尺寸和电流输出的铅阳极传感器的2年理论寿命相比较，在空气中的锌阳极传感器的理论寿命是大约5年。

图6示出当连接到100欧姆负载电阻器（操作4OX2L传感器的常规方法）时来自传感器的示例性输出信号（虚线）。可替代地，示出了以下情况下来自传感器的输出信号（实线）：电路合并被配置为二极管的并联的三个PN4117A场效应晶体管，其中漏极和源极端子连接在一起。

最初，传感器暴露于合成空气（在氮中含有21%的氧）。在时间=1秒处，传感器暴露于100%氮，且传感器信号朝零下降。可看到，由于在具有简单负载电阻器的传感器上的析氢，存在大寄生电流。这在所述二极管被添加到系统时几乎完全被移除。对于理想传感器应为零的在氮中的稳态信号在没有所述二极管的情况下是135毫安，在有所述二极管的情况下是1纳安，以上是在氮中5分钟之后测量的。

应注意，虽然在没有所述二极管的情况下的信号看起来最初更快速地对氮做出响应，但在氮中的所述信号中存在数十毫安的延长的缓慢向下漂移，使得简单地减去恒定背景信号并不是一个选择。该背景信号也是强温度相关的。

应理解，虽然已经关于氧传感器描述了上面描述的一些实施例，但是本文公开的实施例并不受此限制。例如，可结合一氧化碳（CO）传感器来使用本文公开的一些实施例。例如，根据上文，与在正常操作条件下的激活电位相比较，可通过将一氧化碳传感器偏置到稍微小于激活电位来减小一氧化碳传感器的氢横向灵敏度。

从前文中将观察到，可实施很多变型和修改，而不偏离本发明的精神和范围。应理解，并不意图有或应当推断出关于本文所示的特定装置的任何限制。当然，意图由所附权利要求覆盖落入权利要求的范围内的所有这样的修改。

此外，在附图中描绘的逻辑流程不要求所示的特定的次序或顺序次序来获得期望的结果。可以提供其他步骤，或可以从描述的流程中消除步骤，并且其他部件可以添加到描述的实施例中或从中移除。

Claims (14)

1.一种控制电化学传感器的方法，包括：

操作所述传感器并产生传感器电压；

其中基本上固定的负载电阻或电子地可变的负载电阻之一耦合到所述传感器；

调节电阻以便维持选定的传感器电压，其中来自所述传感器的电能耦合到所述固定的负载电阻或所述可变的负载电阻；以及

通过恒电位地控制所述传感器而不明显增加功率消耗而改变所述传感器电压，从而减小电极活动性。

2.如权利要求1所述的方法，其包括给反馈元件提供输出信号，将所述输出信号耦合到所述负载电阻，以及使用所述输出信号来调节所述电阻。

3.如权利要求1所述的方法，其包括在所述传感器的第一电极和第二电极之间维持选定电压。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述传感器包括氧传感器，所述氧传感器包括两个电极。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述传感器包括多个电极。

6.一种装置，包括：

电化学传感器，其被携带在壳体中，携带在所述壳体上的两个端子耦合到相应的传感器电极；以及携带在所述壳体中的传感器输出电压建立电路，其耦合到所述传感器并由所述传感器生成的功率全部供电。

7.如权利要求6所述的装置，其中电路包括耦合到所述传感器以维持选定传感器电压的电子地可变的负载电阻或产生跨所述传感器的电压降的电子部件之一，其中所述电压降足以在所述传感器的正常操作电流范围上防止析氢，而不引起过度的活动性损失。

8.如权利要求6所述的装置，其包括可释放地耦合到所述传感器的电负载，其中跨所述负载的电压是在所述传感器处的气体浓度的指示。

9.一种电化学检测器，包括：

电化学传感器；以及

以下中的至少一个：（a）包括耦合到所述传感器以维持选定传感器电压的电子地可变的负载电阻的有源电压控制电路，或（b）产生跨所述传感器的电压降的电子部件，其中由所述电子部件产生的所述电压降足以在所述传感器的正常操作电流范围上防止析氢而不引起过度的活动性损失，

且其中用于（a）或（b）中的至少一个的功率是至少部分地从所述传感器得到的。

10.如权利要求9所述的检测器，包括电子部件，其中所述传感器包括氧传感器，且所述电子部件包括二极管。

11.如权利要求9所述的检测器，其中所述传感器包括二电极自耗阳极氧传感器。

12.如权利要求11所述的检测器，其中所述自耗阳极选自包括锌或锡自耗阳极中的至少一个的类别。

13.如权利要求12所述的检测器，其中所述传感器至少包括第一电极和第二电极，且其中在它们之间维持选定电压。

14.如权利要求13所述的检测器，包括电子部件，其中所述电子部件包括二极管。