CN212904654U - 一种氧化还原电位的测量电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种氧化还原电位的测量电路，包括：Orp传感单元，所述Orp传感器包括第一输出端子和第二输出端子；电压跟随器，所述电压跟随器第一端通过电容C1与所述第一输出端子相连，所述电压跟随器第一端通过电阻R1与所述第二输出端子相连；差分放大器，所述差分放大器第一端与所述电压跟随器第二端相连，所述差分放大器第二端与所述第一输出端子相连，给Orp传感单元提供反相的浮动偏置；电源,所述电源的电压为2V‑3.6V,所述电源Vcc给所述电压跟随器、所述差分放大器供电。本实用新型一种氧化还原电位的测量电路具有微功耗、低成本、电路简单的优点。
Description
【技术领域】
本实用新型涉及测量电路的技术领域，特别是涉及一种氧化还原电位的测量电路。
【背景技术】
氧化还原电位是用来反应水溶液中所有物质表现出的宏观氧化还原性，用 En表示，单位为mv。氧化还原电位越高，氧化性越高，氧化还原电位越低，还原性越强。氧化还原电位为正表示溶液显示出一定的氧化性，为负则说明溶液显示出一定的还原性。氧化还原电位虽然不能作为某种氧化物与还原物浓度的指标，但有助于了解水体的电化学特征，分析水体的性质，是一项综合性指标。
氧化还原电位(ORP)是水质检测中的一个重要的检测项目，通常可采用一种叫做ORP传感器的电化学传感器进行测量。ORP传感器内置工作电极和参比电极。测量溶液的氧化还原电位时，参比电极和工作电极共同插入被测溶液中，与被测溶液一起组成一个高内阻的化学原电池。
目前传统的ORP传感器中一般采用单片机对电极采集到的模拟信号进行模数转换或正负电源供电外置模数转器的结构。但传统的ORP传感器中氧化还原电位的测量范围超出单片机进行模数转换的输入范围，导致ORP传感器测量范围和测量精度下降的问题，而正负电源供电外置模数转器的结构电路较复杂、能耗较高。
【实用新型内容】
本实用新型为了克服现有技术中的不足，提出一种氧化还原电位的测量电路，解决现有技术中氧化还原电位的测量范围超出单片机进行模数转换的输入范围，导致ORP传感器测量范围和测量精度下降，正负电源供电外置模数转器导致的电路较复杂、能耗较高等问题。能够在不压缩动态范围和降低测量精度的基础上，使送入单片机模数采样端的采样电压始终在输入的允许范围之内，在一个电源供电环境下，实现微功耗、低成本、电路简单的氧化还原电位测量电路。
为实现上述目的，本实用新型提出了一种氧化还原电位的测量电路，包括：
Orp传感单元，所述Orp传感单元包括第一输出端子和第二输出端子，所述第一输出端子与Orp传感单元内部的参比电极Ref相连、所述第二输出端子与 Orp传感单元内部的测量电极Pt相连，所述第一输出端子位于Orp传感单元第一端，所述第二输出端子位于Orp传感单元第二端；
电压跟随器A，所述电压跟随器A第一端通过电容C1与所述第一输出端子相连，所述电压跟随器A第一端通过电阻R1与所述第二输出端子相连；
差分放大器B，所述差分放大器B第一端与所述电压跟随器A第二端相连，所述差分放大器B第二端与所述第一输出端子相连，给Orp传感单元提供反相的浮动偏置；
电源Vcc,所述电源Vcc的电压为2V-3.6V,所述电源Vcc与所述电压跟随器 A、所述差分放大器B相连，所述电源Vcc给所述电压跟随器A、所述差分放大器B供电。
进一步地，所述电压跟随器A中，低压CMOS运算放大器U1A反相输入端与其输出端相连，所述低压CMOS运算放大器U1A正相输入端通过所述电容C1与所述第一输出端子相连，所述低压CMOS运算放大器U1A正相输入端通过所述电阻R1与所述第二输出端子相连，所述低压CMOS运算放大器U1A的正电源输入端与所述电源Vcc相连，所述低压CMOS运算放大器U1A的负电源输出端接地。
进一步地，所述差分放大器B中，低压CMOS运算放大器U1B的反相输入端通过电阻R2与所述电压跟随器A第二端相连，电压跟随器A第二端为所述电压跟随器A的输出端，低压CMOS运算放大器U1B的正相输入端通过电阻R4与所述电源Vcc相连，电阻R5和电容C2并联后一端接在低压CMOS运算放大器U1B 的正相输入端，电阻R5和电容C2另一端接地，其中所述电阻R4、所述电阻R5、所述电容C2组成的电路给U1B的正向输入端提供适当的偏置参考电压，所述偏置参考电压为所述电源Vcc电压的1/2；所述低压CMOS运算放大器U1B的输出端与所述第一输出端子连接，U1B将输出信号反馈至所述第一输出端子，给Orp 传感单元提供反相的浮动偏置，所述低压CMOS运算放大器U1B的输出端通过电阻R3与所述低压CMOS运算放大器U1B的反相输入端相连，所述低压CMOS运算放大器U1B的正电源输入端与所述电源Vcc相连，所述低压CMOS运算放大器 U1B的负电源输出端接地，电容C3一端与所述电源Vcc相连，另一端接地。
进一步地，还包括：测量单元，所述测量单元为单片机，所述测量单元设于氧化还原电位测量电路内，所述测量单元与所述电压跟随器A第二端相连用来检测所述电压跟随器A的输出信号，所述测量单元与所述差分放大器B第二端相连用来检测所述差分放大器B的输出信号，所述测量单元和所述电源Vcc 相连，所述电源Vcc给所述测量单元供电。
有益效果：
通过本实用新型提供的一种氧化还原电位的测量电路，解决了现有技术中氧化还原电位的测量范围超出单片机进行模数转换的输入范围，导致ORP传感器测量范围和测量精度下降的问题，提供了一种电路更简洁，能耗更低、精度更高、成本更低的氧化还原电位的测量电路。本实用新型对传感单元施加浮动偏置电压，在不压缩动态范围的基础上，可用低至2V的供电电压下，实现满量程(±2V)的测量。且可采用在一个电源供电环境下同时给运算放大器和进行模数转换的单片机同时供电，简化测量电路。
本实用新型的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
【附图说明】
图1是本实用新型实施例提供的电路结构示意图；
图2是本实用新型实施例提供的电路原理图；
图3是本实用新型实施例提供的带单片机测量单元的电路结构示意图。
【具体实施方式】
本实用新型实施例通过提供一种氧化还原电位的测量电路。
如图1所示，在本实施例中，一种氧化还原电位的测量电路包括：Orp传感单元、电压跟随器A、差分放大器B、电源Vcc。所述Orp传感单元包括第一输出端子和第二输出端子，所述第一输出端子与Orp传感单元内部的参比电极Ref 相连、所述第二输出端子与Orp传感单元内部的测量电极Pt相连。所述第一输出端子位于Orp传感单元外部第一端，所述第二输出端子位于Orp传感单元外部第二端。在测量被测溶液的氧化还原电位时，Orp传感单元内部的参比电极 Ref和测量电极Pt，与被测溶液一起组成一个高内阻的化学原电池，而第一输出端子和第二输出端子之间的电压，就体现了被测液体的氧化还原性质和强弱，由于Orp传感单元是一个高阻信号源，对测量电路要求输入阻抗达到109Ω以上，所以不能用一般的测量仪表进行直接测量，在本申请中采用CMOS运放进行阻抗变换。
在本实施例中，电压跟随器A第一端通过电容C1与所述第一输出端子相连，所述电压跟随器A第一端通过电阻R1与所述第二输出端子相连。经过第二输出端子输出的测量电极Pt的信号经过R1、C1组成的低通滤波电路，滤除高频杂波干扰后送入电压跟随器A，由于输入信号直接连接到电压跟随器A的同相输入端，因此电压跟随器A的输出信号不反相，导致电压跟随器的输出电压等于输入电压Vout＝Vin。然后，由于其隔离特性，电压跟随器A成为理想的单位增益缓冲器电路。电压跟随器A的优点是，它可以很好的保持信号电压。电压跟随器的输入阻抗非常高，通常大于1MΩ，其输出阻抗也非常低。
在其他实施例中，如图2所示，所述电压跟随器A中，低压CMOS运算放大器U1A反相输入端与其输出端相连，所述低压CMOS运算放大器U1A正相输入端通过所述电容C1与所述第一输出端子相连，所述低压CMOS运算放大器U1A 正相输入端通过所述电阻R1与所述第二输出端子相连，所述低压CMOS运算放大器U1A的正电源输入端与所述电源Vcc相连，所述低压CMOS运算放大器U1A 的负电源输出端接地。
在本实施例中，差分放大器B，所述差分放大器B第一端与所述电压跟随器 A第二端相连，所述差分放大器B第二端与所述第一输出端子相连，给Orp传感单元提供反相的浮动偏置电压，最终电路稳定后，电压跟随器A的输出端电压信号与差分放大器B的输出端电压信号的差值与Orp传感单元采集到的电压信号一致。
在其他实施例中，所述差分放大器B中，低压CMOS运算放大器U1B的反相输入端通过电阻R2与所述电压跟随器A第二端相连，电压跟随器A第二端为所述电压跟随器A的输出端，经过电压跟随器A的信号被送入低压CMOS运算放大器U1B的反相输入端。电压跟随器的输出信号ADC_SIG+的电压大小就是低压 CMOS运算放大器U1A正相输入端的电压大小，也就是与测量电极Pt相连的第一输出端子与地之间的电压大小。
低压CMOS运算放大器U1B的正相输入端通过电阻R4与所述电源Vcc相连，电阻R5和电容C2并联后一端接在低压CMOS运算放大器U1B的正相输入端，电阻R5和电容C2另一端接地，其中所述电阻R4、所述电阻R5、所述电容C2组成的电路给U1B的正向输入端提供适当的偏置参考电压，所述偏置参考电压为电源Vcc电压的1/2。
低压CMOS运算放大器U1B是集成在一个芯片上的晶体管放大器,偏置电流 (biascurrent)是第一级放大器输入晶体管的基极直流电流。偏置电流保证低压CMOS运算放大器U1B工作在线性范围,为低压CMOS运算放大器U1B提供直流工作点，使运算放大器U1B输出的信号不至于截止失真或饱和失真。R4、 R5的比例不强求，但需同时满足R4上的分压>＝1V，R5上的分压>＝1V即可。可以采用两个阻值一样的电阻串联在电源正极与地之间，得到电源电压1/2分压点。
所述低压CMOS运算放大器U1B的输出端通过电阻R3与所述低压CMOS运算放大器U1B的反相输入端相连，且R2＝R3，所以U1B输出信号(ADC_SIG-)与电压跟随器的输出信号(ADC_SIG+)反相。所述低压CMOS运算放大器U1B的输出端与所述第一输出端子连接，U1B将输出信号(ADC_SIG-)反馈至所述第一输出端子，给Orp传感单元提供反相的浮动偏置电压，最终电路稳定后，ADC_SIG+ 与ADC_SIG-的差值与Orp传感单元的输出信号一致。单片机通过采集低压CMOS 运算放大器U1A的输出端电压信号ADC_SIG+和低压CMOS运算放大器U1B的输出端电压信号ADC_SIG-，即可得到实际的氧化还原电位的测量数据。
所述低压CMOS运算放大器U1B的正电源输入端与所述电源Vcc相连，所述低压CMOS运算放大器U1B的负电源输出端接地。电容C3一端与所述电源Vcc 相连，另一端接地。
在本实施例中，电源Vcc,所述电源Vcc的电压为2V-3.6V,所述电源Vcc与所述电压跟随器A、所述差分放大器B相连，所述电源Vcc给所述电压跟随器A、所述差分放大器B供电。在现有技术中，一般采用正负电源供电或采用高于4V 的电源给运算放大器供电。这2种方式相对来讲能耗较高，电路相对复杂。在本申请中，电源Vcc的电压在2v-3.6v，与单片机供电电压范围一致，也就是可以同时用该电源给单片机和运算放大器供电，可以省去部分电源转换模块，降低能耗。
在其他实施例中，如图3所示，还包括一个测量单元，所述测量单元为单片机，所述测量单元设于氧化还原电位测量电路内，所述测量单元与所述电压跟随器A第二端相连用来检测所述电压跟随器A的输出信号，所述测量单元与所述差分放大器B第二端相连用来检测所述差分放大器B的输出信号，所述测量单元和所述电源Vcc相连，所述电源Vcc给所述测量单元供电。
由于氧化还原电位测量的动态范围要求达到4V，而现在常用的单片机一般供电为3.3V，超过了单片机片上模数转换允许的输入范围，所以在现有技术中采用正负电源供电加外置模数转化器实现模数转换。这些电路结构能耗较高，电路相对复杂。在不压缩动态范围的基础上，为了使送入单片机模数采样端的采样电压始终在模数输入的允许范围之内即在单片机供电电压(3.3v)之内，本方法采用浮动偏置电压结合差分输出，使用单电源(2.0-3.6V)和单片机内置模数转换即可实现测量需求，电路简洁，工作稳定，实测的工作电流<20uA，能实现微功耗。
需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例。在不冲突的情况下，本申请实施例及实施例中的特征可以相互组合。显然所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其它实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。
Claims (4)
1.一种氧化还原电位的测量电路，其特征在于，包括：
Orp传感单元，所述Orp传感单元包括第一输出端子和第二输出端子，所述第一输出端子与Orp传感单元内部的参比电极Ref相连、所述第二输出端子与Orp传感单元内部的测量电极Pt相连，所述第一输出端子位于Orp传感单元第一端，所述第二输出端子位于Orp传感单元第二端；
电压跟随器A，所述电压跟随器A第一端通过电容C1与所述第一输出端子相连，所述电压跟随器A第一端通过电阻R1与所述第二输出端子相连；
差分放大器B，所述差分放大器B第一端与所述电压跟随器A第二端相连，所述差分放大器B第二端与所述第一输出端子相连，给Orp传感单元提供反相的浮动偏置电压；
电源Vcc,所述电源Vcc的电压为2V-3.6V,所述电源Vcc与所述电压跟随器A、所述差分放大器B相连，所述电源Vcc给所述电压跟随器A、所述差分放大器B供电。
2.如权利要求1所述的一种氧化还原电位的测量电路，其特征在于，所述电压跟随器A中，低压CMOS运算放大器U1A反相输入端与其输出端相连，所述低压CMOS运算放大器U1A正相输入端通过所述电容C1与所述第一输出端子相连，所述低压CMOS运算放大器U1A正相输入端通过所述电阻R1与所述第二输出端子相连，所述低压CMOS运算放大器U1A的正电源输入端与所述电源Vcc相连，所述低压CMOS运算放大器U1A的负电源输出端接地。
3.如权利要求1所述的一种氧化还原电位的测量电路，其特征在于，所述差分放大器B中，低压CMOS运算放大器U1B的反相输入端通过电阻R2与所述电压跟随器A第二端相连，电压跟随器A第二端为所述电压跟随器A的输出端，低压CMOS运算放大器U1B的正相输入端通过电阻R4与所述电源Vcc相连，电阻R5和电容C2并联后一端接在低压CMOS运算放大器U1B的正相输入端，电阻R5 和电容C2的另一端接地，其中所述电阻R4、所述电阻R5、所述电容C2组成的电路给U1B的正向输入端提供适当的偏置参考电压，所述偏置参考电压为所述电源Vcc电压的1/2，所述低压CMOS运算放大器U1B的输出端与所述第一输出端子连接，U1B将输出信号连接至所述第一输出端子，给Orp传感单元提供反相的浮动偏置电压，所述低压CMOS运算放大器U1B的输出端通过电阻R3与所述低压CMOS运算放大器U1B的反相输入端相连，所述低压CMOS运算放大器U1B的正电源输入端与所述电源Vcc相连，所述低压CMOS运算放大器U1B的负电源输出端接地，电容C3一端与所述电源Vcc相连，另一端接地。
4.如权利要求1所述的一种氧化还原电位的测量电路，其特征在于，还包括：测量单元，所述测量单元为单片机，所述测量单元设于氧化还原电位测量电路内，所述测量单元与所述电压跟随器A第二端相连用来检测所述电压跟随器A的输出信号，所述测量单元与所述差分放大器B第二端相连用来检测所述差分放大器B的输出信号，所述测量单元和所述电源Vcc相连，所述电源Vcc给所述测量单元供电。
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| CN202021671834.2U CN212904654U (zh) | 2020-08-12 | 2020-08-12 | 一种氧化还原电位的测量电路 |
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN115097197A (zh) * | 2022-07-06 | 2022-09-23 | 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 | 电流传感器的辅助电路和电流传感器 |
| CN115189329A (zh) * | 2022-07-06 | 2022-10-14 | 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 | 断路器的控制系统和基于断路器的控制系统的控制方法 |
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- 2020-08-12 CN CN202021671834.2U patent/CN212904654U/zh active Active
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