CN201126436Y

CN201126436Y - 微库仑分析仪的电解电流发生器

Info

Publication number: CN201126436Y
Application number: CNU2007201992156U
Authority: CN
Inventors: 杨灿谦; 陈光瑜
Original assignee: Shanghai Research Institute of Chemical Industry SRICI
Current assignee: Shanghai Research Institute of Chemical Industry SRICI
Priority date: 2007-12-13
Filing date: 2007-12-13
Publication date: 2008-10-01
Anticipated expiration: 2017-12-13

Abstract

本实用新型涉及一种微库仑分析仪的电解电流发生器，包括D/A转换单元、电流反馈放大单元、光电耦合单元及隔离电源单元，D/A转换单元将信号传给光电耦合单元并使该单元的发光二极管D1发光，该单元的伺服光敏晶体管Ts和前向光敏晶体管Tf感应到二极管D1发光并产生电流，在隔离电源单元的驱动下输出电解电流到微库仑分析仪的滴定池中，该电流经过滴定池返回隔离电源单元的负端。由上过程可看出，由于发光二极管D1和伺服光敏晶体管Ts与前向光敏晶体管Tf之间具有极小的隔离电容和极高的绝缘电阻，所以就能使电解电流电路和其他电路完全隔离，起到了很好的隔离效果，另外由于本实用新型结构较简单，故其成本也较低。

Description

微库仑分析仪的电解电流发生器

技术领域

本实用新型涉及一种电流发生装置，更具体地说，涉及一种微库仑分析仪的电解电流发生器。

背景技术

首先介绍一下微库仑分析仪，微库仑分析仪用来测量样品中各种元素的含量，微库仑分析仪包括控制电路和滴定池，滴定池用来放置电解溶液。参见图1和图2的微库仑分析仪的滴定池6，它通过微库仑滴定法测量样品中的硫含量，它有两对电极，一对为测量电极71、72(71为正极，72为负极)，连接到电压测量电路；另一对为电解电极81、82(81为正极，82为负极)，连接到电解电源。滴定池6内充有含醋酸的碘化钾溶液，测量电极的负极72是一个甘汞电极，由于甘汞电极在溶液中的电位比较稳定，起到参考电极的作用。测量电极的正极71由铂片制成，作为溶液电位的检测电极。电解电极81、82由两根铂丝制成。当电解电极81、82之间有电流通过时，电解液中的碘化钾能逐渐析出碘离子I₃ ^-，测量电极能指示电解液中的I₃ ^-浓度。当样品，例如微量有机硫和无机硫，经过转化炉燃烧后，大部分能转化成SO₂气体，进入滴定池后与电解液中的I₃ ^-进行反应，使I₃ ^-浓度降低，造成测量电极71、72间电压下降。微库仑分析仪的控制电路，向电解电极81、82输入电流，使滴定池内产生I₃ ^-，逐渐恢复原来的I₃ ^-浓度。当电解产生的I₃ ^-与被SO₂消耗的I₃ ^-相等时，测量电极71、72间电压恢复到原来的数值。根据电解电流对时间的积分可得到通入滴定池6的电量，再根据法拉第定律可计算出进入滴定池6的硫的含量。

微库仑仪滴定池6中的电解液具有一定的电导，电解电极81、82和测量电极71、72在滴定池6内具有电的通路。而如果测量电路和电解电路共地或具有通路，电解电流必然会在测量电极间产生附加电压和干扰。由于电解电极电压比较高(可达几伏到十几伏)，而在微量分析中，测量电极电压变化量很小，为微伏级，对测量电极电压的测量影响很严重。

所以必须采取措施来避免或降低电解电极电流对测量电极电流产生的干扰，传统技术中所采取的措施有一下几种：

1)采用分时测量办法避免两对电极在滴定池外部产生通路。分时办法参见图3。该测量电路图中，由四个同步切换的振动子S₁、S₂、S₃、S₄(或称模拟开关)、三个电容器C₁、C₂、C₃、偏置电压发生电路85、放大器A和积分器构成。四个振动子在控制电路作用下，周期性地在位置“I”和“II”之间同步切换。在测量阶段，所有振动子切换到“I”的位置，测量电极71、72向电容C₁充电到测量电极原电池的电压，电容C₂接地，放大器A输出为零。在电解阶段，所有振动子切向位置“II”，电容C₁与偏置电压E_offset的差值向电容C₂充电，因为电容C₂的数值选择得比C₁的数值小得多，在很短时间内，电容C₂充电到等于电容C₁储存的电压与偏置电压之差。在平衡状态下，这个差值等于0。当滴定池6放入被测物质后，电容C₁电压与偏置电压的差值为正，经过放大器A放大后向电容C₃通过积分器充电。当振动子再次切向位置“I”时，A输出为零，相当于电容C₃一端接地，于是C₃通过电解电极放电，使测量电极间电压升高。经过若干周期后，恢复平衡。积分器测定出这若干周期内向电容C₃的充电电荷，它应等于C₃向电解池放电电荷，通过计算，算出进入滴定池硫的含量。从图中可以看出，虽然测量电路和电解电路是共地的，但它们仅交替地和两对电极连接，因此两对电极在任何时刻都不会在滴定池之外构成通路。但分时测量使电路复杂，操作不便，机械振子存在寿命问题，如果采用模拟开关，需要高压模拟开关，另外对电容C₁、C₂、C₃绝缘要求高，总的来说此套方案缺点是结构复杂、成本高且操作不便。

2)使电解电流的发生电路浮置(或称为隔离)。但是，真正实现浮置是很不容易的，早期报道过的解决方案是采用工频变压器的两个隔离绕组通过整流电路得到两个不共地电源，分别给测量电路和电解电路供电，使电解电路隔离。实际结果表明，该方案远远不能消除电解电路对测量电路的干扰，所得到测量电极电压输出跳动达零点几毫伏甚至更大，即使没有电解电流流过电解电极时跳动仍然存在，无法实现精密微库仑分析。追其原因是：这两组不共地电源虽然在直流意义上是独立的，但由于工频变压器的两个绕组之间存在很大的静电偶合，两组电源在交流意义上不是完全隔离的，所以该套方案并不能实现完全隔离的目的。

3)一种专利申请号为CN0221740.2的微库仑仪隔离电解电源的实用新型，公开了一种隔离电解电源，它采用一个铁淦氧环形磁芯高频变压器，以特殊的绕组布置和工艺把初次级绕组之间静电偶合减小到最低程度，完成电解电路的浮置，成功解决微库仑分析仪测量电极的电压测量。但它仍然有以下两个缺点：首先是分立元件较多，没实现集成电路化或模块化；其次是电解电流的控制电路隔离比较复杂，成本高。

发明内容

针对目前使微库仑分析仪的电解电流发生电路和测量电路隔离的现有技术存在结构复杂成本高以及隔离效果不好的缺陷，本实用新型的目的是提供一种微库仑分析仪的电解电流发生器，其不但能很好的实现电解电流的隔离，同时由于采用了集成块所以其结构比较简单，成本也比较低。

为实现上述目的，本实用新型提供一种用于微库仑分析仪的隔离式电解电流发生器，包括：

D/A转换单元，该D/A转换单元输入端与所述微库仑分析仪的单片机接口连接；

电流反馈放大单元，该电流反馈放大单元的输入端与所述D/A转换单元的输出端连接；

光电耦合单元，该光电耦合单元输入端与所述电流反馈放大单元输出端连接，该光电耦合单元输出端输出电解电流信号，另一输出端与所述电流反馈放大单元的另一输入端连接；

隔离电源单元，该隔离电源单元的正输出端与所述光电耦合单元的另一输入端连接，该隔离电源单元的负端是所述电解电流的返回端。

所述电流反馈放大单元是电流负反馈放大器，包括集成运放A和反馈电阻Rf，该集成运放A的同相输入端与所述D/A转换单元的输出端连接，反相输入端与所述光电耦合单元的另一输出端连接，反相输入端连接反馈电阻Rf一端，反馈电阻Rf另一端接地，集成运放A输出端与所述所述光电耦合单元的输入端连接。

所述光电耦合单元为集成线性光电耦合器，包括发光二极管D1、伺服光敏晶体管Ts以及前向光敏晶体管Tf，所述发光二极管D1的阳极与所述集成运放A的输出端连接，发光二极管D1的阴极接地，伺服光敏晶体管TS的基极引出端与集成运放A的反相输入端连接，前向光敏晶体管Tf基极输出电解电流信号。

所述电流反馈放大单元还包括低通滤波电路、电阻R3及电容C4，低通滤波电路的电阻R2和电容C3相连接，所述D/A转换单元的输出端通过电阻R2连接所述集成运放A的同相输入端，集成运放A的输出端通过限流电阻R3连接所述光电耦合单元的输入端，集成运放A的输出端通过电容C4连接集成运放A的反相输入端。

所述隔离电源单元包括隔离电源模块、滤波器以及负载电阻R4，所述滤波器由线圈L1、电容C5和C6连接组成，所述隔离电源模块的正输出端通过所述滤波器与所述前向光敏晶体管Tf的集电极引出端连接，负载电阻R4两端分别连接隔离电源模块的正输出端与负端，所述电解电流通过滴定池返回隔离电源单元的负端。

所述电解电流发生器还包括辅助电源单元，该辅助电源单元的输出端分别与所述D/A转换单元和光电耦合单元连接。

所述D/A转换单元为D/A转换器，其输入端通过数据/控制总线连接到所述单片机接口。

采用本实用新型所述的微库仑分析仪的电解电流发生器，

D/A转换单元将单片机输入的关于电解电流数字信号转化为模拟信号输出给电流反馈放大单元，信号经放大传给光电耦合单元并使该单元的发光二极管D1发光，该单元的伺服光敏晶体管Ts和前向光敏晶体管Tf感应到发光二极管D1的发光并产生电流，在隔离电源单元的驱动下输出电解电流到微库仑分析仪的滴定池中，该电流经过滴定池返回隔离电源单元的负端。由上过程可以看出，由于发光二极管D1和伺服光敏晶体管Ts与前向光敏晶体管Tf之间具有极小的隔离电容和极高的绝缘电阻，所以就能使电解电流电路和其他电路完全隔离，起到了很好的隔离效果，另外由于本实用新型结构较简单，故其成本也较低。

附图说明

图1是微库仑分析仪滴定池结构主视图；

图2是微库仑分析仪滴定池结构截面图；

图3是现有技术中采用分时测量办法的测量原理示意图；

图4是本实用新型的原理方框示意图；

图5是本实用新型的具体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本实用新型的技术方案。

参考图4，本实用新型所述的微库仑分析仪的电解电流发生器100包括：

D/A转换单元10，该D/A转换单元10为D/A转换器，其输入端通过数据/控制总线连接到所述微库仑分析仪的单片机80的接口，D/A转换单元10将单片机80提供的关于电解电流数字信号转化为模拟信号输出给电流反馈放大单元20。参考图5，作为一个实施例，D/A转换器型号选定为TLC5618，为可编程双路12位串行模数转换器，通过数据/控制总线与单片机80连接，所述的数据/控制总线包括片选线

串行时钟输入线SCLK，串行数据输入线DIN，另外由电阻R1、电容C1、C2以及U1构成的基准电压发生电路与辅助电源单元50的输出端连接，为D/A转换器提供稳定的2.5伏的参考电压。

电流反馈放大单元20，所述电流反馈放大单元20是电流负反馈放大器，参考图5，包括集成运放A、反馈电阻R_f、低通滤波电路、限流电阻R₃及电容C₄，低通滤波电路的电阻R₂和电容C₃相连接，所述D/A转换单元的输出端通过电阻R₂连接所述集成运放A的同相输入端，集成运放A的输出端通过限流电阻R₃连接所述光电耦合单元的的发光二极管D₁的阳极，集成运放A的输出端通过电容C₄连接集成运放A的反相输入端。该集成运放A反相输入端连接反馈电阻R_f一端，反馈电阻R_f另一端接地。作为一实施例，这里集成运放A是轨到轨(即满幅度)运算放大器，输入失调电压典型值300μV，输入失调电压温度漂移为2μV/℃，输入偏置电流典型值1pA，输入失调电流典型值为0.5pA。反馈电阻R_f选用高稳定性的、低温度系数的金属膜电阻。

光电耦合单元30，所述光电耦合单元30为集成线性光电耦合器，参考图5，包括发光二极管D₁、伺服光敏晶体管T_S以及前向光敏晶体管T_f，所述发光二极管D₁的阳极经R3与所述集成运放A的输出端连接，发光二极管D₁的阴极接地，伺服光敏晶体管T_S的基极引出端与集成运放A的反相输入端连接，前向光敏晶体管T_f基极连接到微库仑分析仪的滴定池6中的正电解电极并输出电解电流信号I_f。作为一实施例，集成线性光电耦合器暗电流典型值为1nA，比普通晶体管的集-射极穿透电流至少小一个数量级，传输系数k的温度漂移50ppm/℃，隔离电压3750V(rms)，隔离电容为3pF。

隔离电源单元40，参考图5，包括隔离电源模块41、滤波器以及负载电阻R4，所述滤波器由线圈L1、电容C₅和C₆连接组成，所述隔离电源模块41的正输出端通过所述滤波器与所述前向光敏晶体管T_f的集电极引出端连接，负载电阻R₄两端分别连接隔离电源模块41的正输出端与负端，隔离电源模块41的负端连接微库仑分析仪的滴定池6中的负电解电极并接收前向光敏晶体管T_f基极发出的电解电流信号I_f，从而构成回路。作为一实施例，隔离电源模块41选定型号为H1215S型，输入电压为12V，输出电压15V，该隔离电源模块41具有很好隔离性能，隔离电压达6000V，隔离电容小于10pF，专为直接与人体接触的医疗仪器而设计，其输出经线圈L₁、电容C₅、C₆组成滤波器与光电耦合单元30连接，以减少波纹。负载电阻R₄提供初始负载电流，以保证电解电流为零时，隔离电源模块41也能正常工作。

辅助电源单元50，参考图5，该辅助电源单元50包括辅助电源模块51，辅助电源模块51的输出端分别与所述D/A转换单元10和光电耦合单元30的伺服光敏晶体管T_S的集电极引出端连接，为它们供电。作为一实施例，辅助电源模块51选定IA1205KS型号，输出电压纹波小于20mV(p-p)，并具有很好的电压稳定性。

下面描述一下所述隔离电解电流发生器100的工作过程：

微库仑分析仪的控制单片机80通过数据/控制总线向所述的D/A转换单元10输入电解电流电流值的二进制数据，使D/A转换单元10输出电压增加，集成运放A的输出电压增加，流过光电耦合单元30的发光二极管D1的电流增加，光电耦合单元30的伺服光敏晶体管T_S输出电流T_S增加，I_S在反馈电阻R_f产生压降I_SR_f，反馈到集成运放A的反相输入端。在平衡状态下，I_SR_f＝V_IN，从而I_S＝V_IN/R_f。与此同时，光电耦合单元30的前向光敏晶体管T_f接受到发光二极管D₁发射的光，在隔离电源单元40的正输出端的供电下，前向光敏晶体管T_f基极产生线性比例的光电流输出I_f＝kI_s(式中k为衡值，称为传输系数)，I_f就是为滴定池6提供的电解电流，电流I_f通过滴定池6的溶液返回隔离电源单元40的负端。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本实用新型，而并非用作为对本实用新型的限定，只要在本实用新型的实质精神范围内，对以上实施例的变化、变型都将落在本实用新型的权利要求书范围内。

Claims

1.一种微库仑分析仪的电解电流发生器，其特征在于，

包括：

2.如权利要求1所述的电解电流发生器，其特征在于，所述电流反馈放大单元是电流负反馈放大器，包括集成运放A和反馈电阻R_f，该集成运放A的同相输入端与所述D/A转换单元的输出端连接，反相输入端与所述光电耦合单元的另一输出端连接，反相输入端连接反馈电阻R_f一端，反馈电阻R_f另一端接地，集成运放A输出端与所述光电耦合单元的输入端连接。

3.如权利要求2所述的电解电流发生器，其特征在于，所述光电耦合单元为集成线性光电耦合器，包括发光二极管D₁、伺服光敏晶体管T_S以及前向光敏晶体管T_f，所述发光二极管D₁的阳极与所述集成运放A的输出端连接，发光二极管D₁的阴极接地，伺服光敏晶体管T_S的基极引出端与集成运放A的反相输入端连接，前向光敏晶体管T_f基极输出电解电流信号。

4.如权利要求2所述的电解电流发生器，其特征在于，所述电流反馈放大单元还包括低通滤波电路、电阻R₃及电容C₄，低通滤波电路的电阻R₂和电容C₃相连接，所述D/A转换单元的输出端通过电阻R₂连接所述集成运放A的同相输入端，集成运放A的输出端通过限流电阻R₃连接所述光电耦合单元的输入端，集成运放A的输出端通过电容C₄连接集成运放A的反相输入端。

5.如权利要求3所述的电解电流发生器，其特征在于，所述隔离电源单元包括隔离电源模块、滤波器以及负载电阻R₄，所述滤波器由线圈L1、电容C₅和C₆连接组成，所述隔离电源模块的正输出端通过所述滤波器与所述前向光敏晶体管T_f的集电极引出端连接，负载电阻R₄两端分别连接隔离电源模块的正输出端与负端，所述电解电流通过滴定池返回隔离电源单元的负端。

6.如权利要求1或2或3所述的电解电流发生器，其特征在于，所述电解电流发生器还包括辅助电源单元，该辅助电源单元的输出端分别与所述D/A转换单元和光电耦合单元连接。

7.如权利要求1所述的电解电流发生器，其特征在于，所述D/A转换单元为D/A转换器，其输入端通过数据/控制总线连接到所述单片机接口。