CN204705614U - 提高分辨率的气体浓度测量模块及气体监测仪 - Google Patents
提高分辨率的气体浓度测量模块及气体监测仪 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种提高分辨率的气体浓度测量模块及气体监测仪，所述测量模块包括：至少一个电化学传感器；所述电化学传感器具有计数电极CE、工作电极WE和参考电极RE；连接所述电化学传感器，用于在所述工作电极WE和所述参考电极RE间施加恒定电位的恒电位仪；连接所述电化学传感器的放大电路；连接所述放大电路的滤波电路；连接所述滤波电路的模数转换电路；连接所述模数转换电路的数字隔离电路；本实用新型能够大幅度提高电化学传感器的分辨率，在精度上满足了环境标准的要求，并提高了气体检测的准确度。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种提高分辨率的气体浓度测量模块及气体监测仪。
背景技术
经济快速发展，发展与环境之间的矛盾也日益突出，尤其近年来各种环境事件的频繁出现，造成重大的环境影响和财产损失，引起了社会各界对环境安全的担忧。快速准确的环境应急监测数据能够帮助管理部门科学应对突发环境事件，但是由于技术水平和研发思路的限制，大部分气体监测仪不能很好满足应急监测快速准确的要求。化学传感器是对各种化学物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器，因种类多、成本低、体积小、耐候性好和抗震性佳的优点，除在安防、农业和消防等领域被广泛应用外，近年来更是广泛用于环境应急监测领域，目前市售化学传感器及配套的仪器仪表所能提供的分辨率普遍仅能达到0.1ppm，在精度和准确度上很难满足我国环境标准的要求。
发明内容
本实用新型针对以上问题的提出，而研制一种提高分辨率的气体浓度测量模块及气体监测仪。
本实用新型的技术方案是：
一种提高分辨率的气体浓度测量模块，所述测量模块包括：
至少一个电化学传感器；所述电化学传感器具有计数电极CE、工作电极WE和参考电极RE；
连接所述电化学传感器，用于在所述工作电极WE和所述参考电极RE间施加恒定电位的恒电位仪；
连接所述电化学传感器，用于将所述工作电极WE产生的对应气体浓度的电流信号转换为与所述电流信号成正比的电压信号的放大电路；
连接所述放大电路，用于对放大电路输出的电压信号进行滤波的滤波电路；
连接所述滤波电路，用于对滤波后的模拟电压信号进行模数转换得到相应的数字信号的模数转换电路；
连接所述模数转换电路的数字隔离电路；所述数字隔离电路实现输入输出 数字信号电气隔离；
另外，所述测量模块还包括用于给恒电位仪、放大电路、模数转换电路和数字隔离电路供电的电源；所述电源包括5V电源、2.5V电源和3.3V电源；
进一步地，
所述恒电位仪包括：电阻R3、运算放大器U1、电容C1、电阻R1、电容C2、电阻R2、MOS管Q1和电阻R7；所述运算放大器U1采用LMP7721芯片；所述运算放大器U1的同相输入端通过电阻R3接地；所述运算放大器U1的反相输入端经由电容C1连接所述运算放大器U1的输出端；所述电容C1两端并联接有RC串联支路，该RC串联支路由电阻R1和电容C2构成；所述RC串联支路的串接点通过电阻R2连接电化学传感器的参考电极RE；所述运算放大器U1的输出端连接电化学传感器的计数电极CE；所述MOS管Q1的栅极通过电阻R7连接5V电源正极；所述MOS管Q1的漏极连接电化学传感器的参考电极RE；所述MOS管Q1的源极连接电化学传感器的工作电极WE；
所述放大电路包括：电阻R6、电阻R4、电容C3、电阻R5和运算放大器U2；所述电化学传感器的工作电极WE通过电阻R6连接所述运算放大器U2的反相输入端；所述运算放大器U2的同相输入端通过电阻R5接地；所述运算放大器U2的反相输入端经过相互并联的电阻R4和电容C3连接所述运算放大器U2的输出端；所述运算放大器U2的输出端输出与所述工作电极WE产生的对应气体浓度的电流信号成正比的电压信号；
进一步地，
所述滤波电路包括由电容C8、电容C9和电阻R13构成的π型滤波器；所述π型滤波器一端连接放大电路，另一端连接模数转换电路；
所述模数转换电路包括：模数转换器U3、基准源U4、电容C4、电容C5、电容C6和电容C7；所述模数转换器U3采用AD7190芯片；所述基准源U4采用ADR421芯片；所述模数转换器U3的引脚AIN1连接所述滤波电路；所述模数转换器U3的引脚REFIN1+连接所述基准源U4的输出端；所述电容C4和电容C5相互并联接在所述基准源U4的输入端和地之间；所述电容C6和电容C7相互并联接在所述基准源U4的输出端和地之间；所述基准源U4的输入端还连接5V电源正极；所述模数转换器U3的引脚REFIN1-接地；所述模数转换器U3的引脚SCLK、引脚DIN和引脚DOUT连接数字隔离电路；
所述数字隔离电路包括数字隔离器U5、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻 R11和电阻R12；所述数字隔离器U5采用ADUM1402芯片；所述数字隔离器U5的引脚OA经由电阻R8连接所述模数转换器U3的引脚SCLK；所述数字隔离器U5的引脚OB经由电阻R9连接所述模数转换器U3的引脚DIN；所述数字隔离器U5的引脚IC经由电阻R10连接所述模数转换器U3的引脚DOUT；所述数字隔离器U5的引脚E2通过电阻R11连接2.5V电源正极；所述数字隔离器U5的引脚E1通过电阻R12连接3.3V电源正极。
一种气体监测仪，包括：
以上任一项所述的提高分辨率的气体浓度测量模块；
进一步地，所述气体监测仪还包括：
壳体；所述壳体上具有进气口；
设置于所述壳体内，且与所述进气口相连通，用于对由所述进气口进入的待测气体中的颗粒物进行过滤的过滤器；
设置在所述壳体内，容置所述气体浓度测量模块包括的至少一个电化学传感器的传感器仓；
与所述传感器仓相连通的气管；
设置于所述壳体内，且与所述过滤器和所述气管相连接，用于将经过过滤的待测气体引导至所述气管中的气泵；待测气体经由气管进入所述传感器仓；
进一步地，所述壳体分成前后两个部分；所述过滤器、气泵和气管均设置在所述壳体的后部分；所述传感器仓和气体浓度测量模块设置于所述壳体的前部分；所述壳体的后部分开设有连通所述气管和所述传感器仓的导气孔。
由于采用了上述技术方案，本实用新型提供的提高分辨率的气体浓度测量模块及气体监测仪，从满足环境标准要求出发，通过对电化学传感器信号测量部分的电路改造，实现对电化学传感器的输出电信号进行数字化处理，开发出具有更高分辨率的电化学传感器检测技术，能够大幅度提高电化学传感器的分辨率，在精度上满足了环境标准的要求，并提高了气体检测的准确度，大大拓展了电化学传感器的应用范围。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实用新型所述气体浓度测量模块的结构框图；
图2是本实用新型所述恒电位仪和放大电路的电路原理图；
图3是本实用新型所述滤波电路、模数转换电路和数字隔离电路的电路原理图；
图4是本实用新型所述电源的电路原理图；
图5是本实用新型所述气体监测仪的结构框图；
图6是本实用新型所述气体监测仪的结构示意图；
图7是本实用新型所述壳体的后部分的结构示意图。
图中：1、壳体，2、进气口，3、排气口，4、过滤器，5、传感器仓，6、电路板，7、气管，8、气泵，9、导气孔，10、壳体的前部分，11、壳体的后部分。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
如图1、图2、图3、图4和图5所示的一种提高分辨率的气体浓度测量模块，所述测量模块包括：至少一个电化学传感器；所述电化学传感器具有计数电极CE、工作电极WE和参考电极RE；连接所述电化学传感器，用于在所述工作电极WE和所述参考电极RE间施加恒定电位的恒电位仪；连接所述电化学传感器，用于将所述工作电极WE产生的对应气体浓度的电流信号转换为与所述电流信号成正比的电压信号的放大电路；连接所述放大电路，用于对放大电路输出的电压信号进行滤波的滤波电路；连接所述滤波电路，用于对滤波后的模拟电压信号进行模数转换得到相应的数字信号的模数转换电路；连接所述模数转换电路的数字隔离电路；所述数字隔离电路实现输入输出数字信号电气隔离；另外，所述测量模块还包括用于给恒电位仪、放大电路、模数转换电路和数字隔离电路供电的电源；所述电源包括5V电源、2.5V电源和3.3V电源；进一步地，所述恒电位仪包括：电阻R3、运算放大器U1、电容C1、电阻R1、电容C2、电阻R2、MOS管Q1和电阻R7；所述运算放大器U1采用LMP7721芯片；所述运算放大器U1的同相输入端通过电阻R3接地；所述运算放大器U1的反相输入端 经由电容C1连接所述运算放大器U1的输出端；所述电容C1两端并联接有RC串联支路，该RC串联支路由电阻R1和电容C2构成；所述RC串联支路的串接点通过电阻R2连接电化学传感器的参考电极RE；所述运算放大器U1的输出端连接电化学传感器的计数电极CE；所述MOS管Q1的栅极通过电阻R7连接5V电源正极；所述MOS管Q1的漏极连接电化学传感器的参考电极RE；所述MOS管Q1的源极连接电化学传感器的工作电极WE；所述放大电路包括：电阻R6、电阻R4、电容C3、电阻R5和运算放大器U2；所述电化学传感器的工作电极WE通过电阻R6连接所述运算放大器U2的反相输入端；所述运算放大器U2的同相输入端通过电阻R5接地；所述运算放大器U2的反相输入端经过相互并联的电阻R4和电容C3连接所述运算放大器U2的输出端；所述运算放大器U2的输出端输出与所述工作电极WE产生的对应气体浓度的电流信号成正比的电压信号；进一步地，所述滤波电路包括由电容C8、电容C9和电阻R13构成的π型滤波器；所述π型滤波器一端连接放大电路，另一端连接模数转换电路；所述模数转换电路包括：模数转换器U3、基准源U4、电容C4、电容C5、电容C6和电容C7；所述模数转换器U3采用AD7190芯片；所述基准源U4采用ADR421芯片；所述模数转换器U3的引脚AIN1连接所述滤波电路；所述模数转换器U3的引脚REFIN1+连接所述基准源U4的输出端；所述电容C4和电容C5相互并联接在所述基准源U4的输入端和地之间；所述电容C6和电容C7相互并联接在所述基准源U4的输出端和地之间；所述基准源U4的输入端还连接5V电源正极；所述模数转换器U3的引脚REFIN1-接地；所述模数转换器U3的引脚SCLK、引脚DIN和引脚DOUT连接数字隔离电路；所述数字隔离电路包括数字隔离器U5、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11和电阻R12；所述数字隔离器U5的引脚OA经由电阻R8连接所述模数转换器U3的引脚SCLK；所述数字隔离器U5的引脚OB经由电阻R9连接所述模数转换器U3的引脚DIN；所述数字隔离器U5的引脚IC经由电阻R10连接所述模数转换器U3的引脚DOUT；所述数字隔离器U5的引脚E2通过电阻R11连接2.5V电源正极；所述数字隔离器U5的引脚E1通过电阻R12连接3.3V电源正极。
如图5、图6和图7所示的一种气体监测仪，包括：以上任一项所述的提高分辨率的气体浓度测量模块；进一步地，所述气体监测仪还包括：壳体1；所述壳体1上具有进气口2；设置于所述壳体1内，且与所述进气口2相连通，用于对由所述进气口2进入的待测气体中的颗粒物进行过滤的过滤器4；设置在所述 壳体1内，容置所述气体浓度测量模块包括的至少一个电化学传感器的传感器仓5；与所述传感器仓5相连通的气管7；设置于所述壳体1内，且与所述过滤器4和所述气管7相连接，用于将经过过滤的待测气体引导至所述气管7中的气泵8；待测气体经由气管7进入所述传感器仓5；进一步地，所述壳体1分成前后两个部分；所述过滤器4、气泵8和气管7均设置在壳体的后部分11；所述传感器仓5和气体浓度测量模块设置于壳体的前部分10；壳体的后部分11开设有连通所述气管7和所述传感器仓5的导气孔9；所述恒电位仪、放大电路、滤波电路、模数转换电路和数字隔离电路可以集成在一电路板6上，该电路板6置于壳体的前部分10。由进气口2进入的待测气体经过过滤器4、气泵8、气管7和导气孔9进入到传感器仓5，通过气体浓度测量模块得到气体浓度数字信号输出；所述壳体1上还具有排气口3，测量过的待测气体由排气口3排出。
现有传感器检测技术的精度和准确度较差，目前只能区分0.1mg/m3(ppm)有毒有害气体，而我国现行环境标准基本为0.01mg/m3(ppm)精度，例如《大气污染物综合排放标准》(GB16297-1996)中新污染源无组织排放SO2为0.40mg/m3，《恶臭污染物排放标准》(GB14554-93)中现有三级无组织排放H2S为0.60mg/m3，《室内空气质量标准》(GB/T18883-2002)中NH3为0.20mg/m3，因此在突发环境事件中用气体传感器技术取得的监测结果精度和准确度不适用现行标准进行评价。
电化学传感器的检测过程由两部分组成，前端部分为气体进入电化学传感器与工作电极反应生成电流，后端部分由检测电路对前端部分产生的电流强度进行检测并以数字形式展示出来。由于前端传感器检测本质是一种电解反应，遵循法拉第定律，即电解定律，是电解过程遵循的基本定律。法拉第第一定律表明在电解过程中，阴极上还原物质析出的量与所通过的电流强度和通电时间成正比。法拉第第二定律表明物质的电化当量K跟它的化学当量成正比，所谓化学当量是指该物质的摩尔质量M跟它的化合价的比值，单位kg/mol，即M＝KQ＝Kit；式中M—析出金属的质量、K—比例常数(电化学当量)、Q—通过的电量、I—电流强度、t—通电时间。传感器的精度和准确度由传感器的分辨率所决定，分辨率是指传感器可感受到的被测量的最小变化的能力，也就是说如果输入量从某一非零值缓慢地变化，当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨率时，其输出才会发生变化。由法拉第定律可知现有传感 器技术的分辨率和准确度较差的原因不在于前端传感器产生信号部分，而在于后端检测电路的性能。
本实用新型所述放大电路可以显著减小输入偏置电流，如果放大器的偏置电流已经和电化学传感器输出的电流大小相近，那么运放的噪声已经淹没了电化学传感器输出的电流，例如CO的输出电流为0.7nA/0.01ppm，运放的偏置电流如果也是nA级的，则无法区分电信号来自传感器还是运放，测量出来的气体浓度肯定不准确，而LMP7721的偏置电流为3fA，在测量0.01ppm CO气体时，仅为传感器输出电流的3/700000，这样由于运放的偏置电流引起的测量误差可以忽略不计。本实用新型所述模数转换电路工作在12.5Hz的输出频率，可以很好的抑制50,60hz的工频干扰，可以做到有效分辨率(峰峰)23(21)位的高稳定度转换。AD输入通道采用差分的测量方式，这样很好的抑制各种噪声的干扰，且基准源采用高精度，低噪声的ADR421基准芯片，初始精度可达到±0.05％，为保证基准的品质，基准的电源和输出部分都有效的加了去耦电容和抑制百兆级别高频干扰的滤波电容，保证基准源噪声更小，实际测量中峰峰纹波噪声可以小于1.75uV。本实用新型所述滤波电路利用阻容的π型滤波，可以很好的滤掉高频干扰。
本实用新型从满足环境标准要求出发，通过对电化学传感器信号测量部分的电路改造，实现对电化学传感器的输出电信号进行数字化处理，开发出具有更高分辨率的电化学传感器检测技术，能够大幅度提高电化学传感器的分辨率，在精度上满足了环境标准的要求，并提高了气体检测的准确度，大大拓展了电化学传感器的应用范围。本实用新型所述壳体采用隔离设计，集成度高，不仅避免了使用多个气管的连通不便，且保证无缝连接，很好的抑制辐射对测量部分的干扰，进一步提高了测量的稳定性。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种提高分辨率的气体浓度测量模块，其特征在于，所述测量模块包括：
至少一个电化学传感器；所述电化学传感器具有计数电极CE、工作电极WE和参考电极RE；
连接所述电化学传感器，用于在所述工作电极WE和所述参考电极RE间施加恒定电位的恒电位仪；
连接所述电化学传感器，用于将所述工作电极WE产生的对应气体浓度的电流信号转换为与所述电流信号成正比的电压信号的放大电路；
连接所述放大电路，用于对放大电路输出的电压信号进行滤波的滤波电路；
连接所述滤波电路，用于对滤波后的模拟电压信号进行模数转换得到相应的数字信号的模数转换电路；
连接所述模数转换电路的数字隔离电路；所述数字隔离电路实现输入输出数字信号电气隔离。
2.根据权利要求1所述的提高分辨率的气体浓度测量模块，其特征在于所述测量模块还包括用于给恒电位仪、放大电路、模数转换电路和数字隔离电路供电的电源；所述电源包括5V电源、2.5V电源和3.3V电源。
3.根据权利要求2所述的提高分辨率的气体浓度测量模块，其特征在于，
所述恒电位仪包括：电阻R3、运算放大器U1、电容C1、电阻R1、电容C2、电阻R2、MOS管Q1和电阻R7；所述运算放大器U1采用LMP7721芯片；所述运算放大器U1的同相输入端通过电阻R3接地；所述运算放大器U1的反相输入端经由电容C1连接所述运算放大器U1的输出端；所述电容C1两端并联接有RC串联支路，该RC串联支路由电阻R1和电容C2构成；所述RC串联支路的串接点通过电阻R2连接电化学传感器的参考电极RE；所述运算放大器U1的输出端连接电化学传感器的计数电极CE；所述MOS管Q1的栅极通过电阻R7连接5V电源正极；所述MOS管Q1的漏极连接电化学传感器的参考电极RE；所述MOS管Q1的源极连接电化学传感器的工作电极WE；
所述放大电路包括：电阻R6、电阻R4、电容C3、电阻R5和运算放大器U2；所述电化学传感器的工作电极WE通过电阻R6连接所述运算放大器U2的反相输入端；所述运算放大器U2的同相输入端通过电阻R5接地；所述运算放大器U2的反相输入端经过相互并联的电阻R4和电容C3连接所述运算放大器U2的输出 端；所述运算放大器U2的输出端输出与所述工作电极WE产生的对应气体浓度的电流信号成正比的电压信号。
4.根据权利要求2所述的提高分辨率的气体浓度测量模块，其特征在于，
所述滤波电路包括由电容C8、电容C9和电阻R13构成的π型滤波器；所述π型滤波器一端连接放大电路，另一端连接模数转换电路；
所述模数转换电路包括：模数转换器U3、基准源U4、电容C4、电容C5、电容C6和电容C7；所述模数转换器U3采用AD7190芯片；所述基准源U4采用ADR421芯片；所述模数转换器U3的引脚AIN1连接所述滤波电路；所述模数转换器U3的引脚REFIN1+连接所述基准源U4的输出端；所述电容C4和电容C5相互并联接在所述基准源U4的输入端和地之间；所述电容C6和电容C7相互并联接在所述基准源U4的输出端和地之间；所述基准源U4的输入端还连接5V电源正极；所述模数转换器U3的引脚REFIN1-接地；所述模数转换器U3的引脚SCLK、引脚DIN和引脚DOUT连接数字隔离电路；
所述数字隔离电路包括数字隔离器U5、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11和电阻R12；所述数字隔离器U5采用ADUM1402芯片；所述数字隔离器U5的引脚OA经由电阻R8连接所述模数转换器U3的引脚SCLK；所述数字隔离器U5的引脚OB经由电阻R9连接所述模数转换器U3的引脚DIN；所述数字隔离器U5的引脚IC经由电阻R10连接所述模数转换器U3的引脚DOUT；所述数字隔离器U5的引脚E2通过电阻R11连接2.5V电源正极；所述数字隔离器U5的引脚E1通过电阻R12连接3.3V电源正极。
5.一种气体监测仪，其特征在于，所述气体监测仪包括：
权利要求1至4任一项所述的提高分辨率的气体浓度测量模块。
6.根据权利要求5所述的气体监测仪，其特征在于所述气体监测仪还包括：
壳体；所述壳体上具有进气口；
设置于所述壳体内，且与所述进气口相连通，用于对由所述进气口进入的待测气体中的颗粒物进行过滤的过滤器；
设置在所述壳体内，容置所述气体浓度测量模块包括的至少一个电化学传感器的传感器仓；
与所述传感器仓相连通的气管；
设置于所述壳体内，且与所述过滤器和所述气管相连接，用于将经过过滤的待测气体引导至所述气管中的气泵；待测气体经由气管进入所述传感器仓。
7.根据权利要求6所述的气体监测仪，其特征在于所述壳体分成前后两个部分；所述过滤器、气泵和气管均设置在所述壳体的后部分；所述传感器仓和气体浓度测量模块设置于所述壳体的前部分；所述壳体的后部分开设有连通所述气管和所述传感器仓的导气孔。
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