CN1254415A - 电化学检测电路 - Google Patents

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Abstract

一种用于一个电化学电池的电化学电池检测电路,该电化学电池在电解液中具有一根工作电极、一根反电极和一根参考电极,该电池在使用中,当把要分析的气体引入电池中时,产生在反电极与工作电极之间的电流,并且在电解液中一个位置处的电位由参考电极检测。该电路包括:电源装置(12、13、14、15、16、R4、R5、D1),用来相对于工作电极(w)向反电极(c)施加一个偏移电压;一个放大器装置(A3、A5),用来监测参考电极(r)与工作电极(w)之间的电压差,并且可在使用中操作以把电流经一条反馈回路反馈给工作电极(w),并由此趋于把工作电极(w)保持为基本上与参考电极(r)相同的电位,该电路包括测量装置(15、16、17、S1、R3、C2、A3),用来测量由放大器(A2、A3)反馈给工作电极(w)的电流,作为在工作电极(w)与反电极(c)之间流动的电池电流的测量。

Description

电化学检测电路
本发明涉及电化学检测电路，更具体地说，涉及检测来自三端电化学电池的电池电流流动的电气电路。
三端电化学电池用于各种气体监测器，并且包括一个其中引入要分析的气体的电池和三根隔开的电极。三根电极包括一个跨过其产生电池电流的主对、和一根启动在被测量电池电解液中的预定点处的电位的参考电极。电池电流与由电池检测的化合物或元素的浓度成比例，所述化合物或元素例如可以是一氧化碳。
已知的三端电化学电池能使用图1中所示的电路稳定。为了稳定电池，必须把分别标有“W”和“R”的“工作”和“参考”电极带到相同电位。不从参考电极取出电流。而是，电流由放大器A1注入标有“C”的反电极中，直到参考和工作电极R和W都分别是相同的电位。在反电极和工作电极中流动的电流是电池电流，并且由于电池的内部操作，该电流与由电池检测的化合物的浓度成比例。
参照图1，放大器A1通过把电流反馈给反电极把参考电极保持在OV。放大器A2把工作电极保持在OV，因为放大器A2负输入是处于OV。电池电流由放大器A1驱动，但由放大器A2检测，因为电池电流通过电阻器R2以产生电压Vout。
图1中所示以前已知的电路的一个缺点在于，它易于振荡，因为每个放大器的虚接地阻抗作为另一个放大器反馈通路的部分出现。这能在没有良好地限定虚接地阻抗之处导致高频率下的振荡。
对于低成本基于微控制器用途的第二个缺点在于，输出Vout是在能数字处理之前必须通过模数转换的模拟电压。
第三个缺点在于，尽管当检测到气体时Vout是正的，但反电极负充电，要求放大器A1的输出变负。因此图1中所示的电路需要正和负的电源(表示为V+和V-)。
本发明的一个目的在于提供一种其中克服上述缺点的至少一个、并且能由诸如电池之类的独立直流电源供电的简化检测电路。
根据本发明的一个方面，提供有一种包括一个电化学电池的电化学电池检测电路，该电化学电池在电解液中具有一根工作电极、一根反电极和一根参考电极，电池如此建造，从而在使用中，当把要分析的气体引入电池中时，电流在反电极与工作电极之间流动，并且在电解液中一个位置处的电位由参考电极检测，该电路进一步包括：电源装置，用来相对于工作电极向反电极施加一个偏移电压；一个放大器装置，用来监测参考电极与工作电极之间的电压差，并且可在使用中操作以把电流经一条反馈回路反馈给工作电极，并由此趋于把工作电极保持为基本上与参考电极相同的电位；及测量装置，用来测量由放大器反馈给工作电极的电流，作为在工作电极与反电极之间流动的电池电流的测量。
最好测量装置包括一个串联连接在放大器的输出与工作电极之间的电阻器装置，并且提供用来测量跨过电阻器产生的电压的装置。
可选择的是，测量装置包括：一个串联连接在放大器的输出与工作电极之间的电容器；一个跨过电容器并联连接的开关装置，所述开关可操作于一个短路电容器的闭合位置、和一个允许电容器由通过放大器反馈给工作电极的电流而充电的断开位置；及一个比较器，适于在第一输入处接收放大器的输出、和在第二输入处接收参考电压Vr，所述比较器是可运算的，以比较第一和第二输入，并且当所述开关断开时产生一个指示电池电流的输出信号。
最好电源装置包括一个把正电位施加到反电极上的直流电源。
最好放大器连接在一个与把正电位施加到反电极上的该直流电源隔离的第二直流电源之间。
最好所述电源装置包括一个把正电位施加到反电极上的直流电源，并且比较器和放大器连接在一个与把正电位施加到反电极上的该直流电源隔离的第二直流电源之间。
来自比较器的输出信号可以是数字信号。
可以提供一种把电源中的脉冲注入到反电极中的装置，以提供一个试验电路的校正运算的装置。
参照附图通过例子将描述本发明的两个实施例，在附图中：
图1表明一种已知的电化学检测电路，并且以上进行了讨论。
图2表明本发明的一个实施例，及
图3表明用来把电池输出转换成计时信号的本发明第二实施例。
参照图2，电化学电池10具有常规结构，并且包括一个向其中引入要监测的气体的腔室或空腔11。三根隔开的电极W、C、R布置在空腔11中。电极R构成一根参考电极，并且连接到一个运算放大器A2的一个输入12上。放大器的一个第二输入13连接到电极W上。放大器A2的输出14经一条包括电阻器R3的反馈回路连接到电极W上。反电极C连接到由电阻器R4和连接到OV线上的二极管D1产生的参考电压上。
放大器A2经电阻器R3反馈电流，以把工作和参考电极W和R分别保持在相同电位。
当由电池10检测气体时，放大器A2的输出变正，以把正电流输送到工作电极W中，并且同时，电极W相对于反电极C正充电。这两种效果保证输出放大器A2相对于OV线在所有时间都保持为正。
跨过R3的电压是与电池10中的气体浓度成比例的准确输出。如果+V电源由一个隔电池(未表示)提供，则电阻器R3的端子15、16能作为输出，一个端子连接到外部隔离地上。在精度较不重要的场合，检测放大器A2相对于OV线的输出可能就足够了，但放大器A2的输出电压包括包括由于在工作电极W与反电极C之间的偏移电压造成的分量。该偏移通常是非常小的伏特分数。
反电极C上的偏移电压由电阻器R4和二极管D1产生，并且保护否则对于相对于工作电极为正的反电极具有固定(in-built)趋势的那些电池。偏移电压也允许暴露于否则由电池虚假地诱发相反响应的气体。如果把电池设计成具有从反电极C至工作电极W的固定正偏移，则可能不必把偏移电压加在反电极C上。
一个基于图1的试验电路使用一个Maxim MAX 406放大器和由6伏特电池提供1μA到D1中的R4。R3是12k∑，以在试验下给电池一个由电池检测的一氧化碳的1mV/ppm输出灵敏度。总电流消耗是能提供多年电池寿命的3μA。
图3表示本发明的另一个实施例，其中来自电池的输出转换成计时信号。在图3中，与图2中表示的那些类似的元件给出相同的标号。
更详细地参照图3，除电池电流不是流经电阻器R3，而是当开关闭合时流经开关S1，或者当开关S1断开时流经电容器C2之外，放大器A3以与图2的放大器A2非常类似的方式操作。
放大器A3的输出16连接到一个比较器17的一个输入上，并且把参考电压Vr施加到比较器17的一个第二输入上。参考电压可以由一个独立电路提供，或者能在电阻器R5上取出。
为了测量电池电流，一个开关S1首先闭合，由此短路电容器C2。启动一个计时器(未表示)，并且断开开关S1。电容器C2以与电池电流成比例的速率正充电。当放大器A3的输出电压等于参考电压Vr时，切换比较器17，由此产生一个代表电池电流的计时信号18。
一个基于图3电路的检测器将遭受由工作电极W与反电极C之间的电压偏移造成的小误差。如果需要较高精度，则例如由一个射极跟随器能使参考电压Vr随作为缓冲的工作电极电压而变。

Claims (9)

1.一种包括一个电化学电池的电化学电池检测电路，该电化学电池在电解液中具有一根工作电极(w)、一根反电极(c)和一根参考电极(r)，电池如此建造，从而在使用中，当把要分析的气体引入电池中时，电流在反电极(c)与工作电极(r)之间流动，并且在电解液中一个位置处的电位由参考电极(r)检测。其特征在于该电路进一步包括：一个电源装置(12、13、14、15、16、R4、R5、D1)，用来相对于工作电极(w)向反电极(c)施加一个偏移电压；一个放大器装置(A3、A5)，用来监测参考电极(r)与工作电极(w)之间的电压差，并且可在使用中操作以把电流经一条反馈回路(14、A3)反馈给工作电极(w)，并由此趋于把工作电极(w)保持为基本上与参考电极(r)相同的电位；及测量装置(15、16、17、S1、C2、A3)，用来测量由放大器(A2、A3)反馈给工作电极(w)的电流，作为在工作电极(w)与反电极(c)之间流动的电池电流的测量。
2.根据权利要求1所述的电路，其中测量装置包括一个串联连接在放大器(A2)的输出与工作电极(w)之间的电阻器(R3)装置，并且提供用来测量跨过电阻器(R3)产生的电压的装置(15、16)。
3.根据权利要求1所述的电路，其中测量装置(A3)包括：一个串联连接在放大器(A3)的输出与工作电极(w)之间的电容器(C2)；一个跨过电容器(C2)并联连接的开关装置(S1)，所述开关(S1)可操作于一个短路电容器(C2)的闭合位置、和一个允许电容器(C2)由通过放大器(A3)反馈给工作电极(w)的电流而充电的断开位置；及一个比较器(17)，适于在第一输入(19)处接收放大器(A3)的输出、和在第二输入(20)处接收参考电压Vr，所述比较器(17)是可运算的，以比较第一和第二输入(19、20)，并且当所述开关(S1)断开时产生一个指示电池电流的输出信号(18)。
4.根据权利要求1至3任一项所述的电路，其中电源装置(R5、D1)包括一个把正电位施加到反电极(c)上的直流电源。
5.根据权利要求4所述的电路，其中放大器(A3)连接在一个与把正电位施加到反电极(c)上的该直流电源隔离的第二直流电源之间。
6.根据权利要求3所述的电路，其中所述电源装置包括一个把正电位施加到反电极(c)上的直流电源(R5、D1)，并且比较器(17)和放大器(A3)连接在一个与把正电位施加到反电极(c)上的该直流电源隔离的第二直流电源之间。
7.根据权利要求3或权利要求6所述的电路，其中来自比较器(17)的输出信号是数字信号。
8.根据以上权利要求任一项所述的电路，其中提供把电源中的脉冲注入到反电极(c)中的装置，以提供一个试验电路的校正运算的装置。
9.一种基本上如这里参照附图中的图2或图3描述的电路。
CN98804743A 1997-05-01 1998-04-29 电化学检测电路 Pending CN1254415A (zh)

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