JP2001522464A - 電気化学感知回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 作用電極、対向電極及び参照電極を電解質中に有する電気化学セルを有する電気化学セルのための電気化学セル感知回路であって、電気化学セルが使用中、被分析ガスがセルに導入されたとき、対向電極と作用電極との間に電流が発生し、電解質中の位置における電位が参照電極によって感知される。その回路は、作用電極（ｗ）に対して対向電極（ｃ）にオフセット電圧を印加するための電源手段（１２、１３、１４、１５、１６、Ｒ４、Ｒ５、Ｄ１）と、参照電極（ｒ）と作用電極（ｗ）との間の電圧差をモニタし、フィードバックループを通じて作用電極（ｗ）に電流をフィードバックするために動作可能であり、それによって作用電極（ｗ）を参照電極（ｒ）とほぼ同じ電位に維持しようとする増幅手段（Ａ３、Ａ５）と、作用電極（ｗ）と対向電極（ｃ）との間を流れるセル電流を測定するために増幅器（Ａ２、Ａ３）によって作用電極（ｗ）へフィードバックされる電流を測定するための測定手段（１５、１６、１７、Ｓ１、Ｒ３、Ｃ２、Ａ３）とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】 電気化学感知回路 本発明は、電気化学感知回路に関し、特に３端子の電気化学セルからのセル電 流を感知する電気回路に関する。 ３端子電気化学セルは、種々のガスモニタとして使用されており、分析される ガスが導入されるセル及び３つの間隔の開いた電極を有している。その３つの電 極は、セル電流が発生される主の一対及びセルの予め決められた位置における電 位を電気的に測定することを可能とする参照電極を有している。 既知の３端子電気化学セルは、図１に示される回路を用いて安定させることが できる。セルを安定させるためには、「Ｗ」及び「Ｒ」とラベルを貼られた「作 用」及び「参照」電極のそれぞれが、同じ電位でなければならない。参照電極か ら電流は流れ出さない。代わりに、電流は、「Ｃ」とラベルを貼られた対向電極 に、増幅器Ａ１によって、参照及び作用電極の両方、Ｗ及びＲがそれぞれ同じ電 位となるまで注入される。対向及び作用電極に流れ込む電流がセル電流であり、 セル電流はセルの内部作用によりセルに感知される化合物の濃度に比例する。 図１を参照すると、増幅器Ａ１は、対向電極へ電流をフィードバックすること によって参照電極を０Ｖに維持している。増幅器Ａ２の負の入力が０Ｖなので、 増幅器Ａ２は作用電極を０Ｖに維持している。セル電流は、増幅器Ａ１で駆動さ れるが、セル電流は抵抗Ｒ２を通過して電圧Ｖ_OUTを発生するので、増幅器Ａ２ で感知される。 図１に示される従来知られた回路では、それぞれの増幅器の仮想 の接地インピーダンスが他の増幅器のフィードバック経路の一部として現われる ので、発振する傾向があるという欠点がある。すなわち、仮想の接地インピーダ ンスが良く定まらないところでは、高い周波数による発振を導いてしまう。 第２には、低コストのマイクロコントローラによるアプリケーションに対して 、出力Ｖ_OUTは、デジタル的に処理する前にアナログ・デジタル変換器を通過さ せる必要があるアナログ出力であるという欠点がある。 第３には、ガスが感知されるときは通常Ｖ_OUTは正なので、対向電極が負に充 電され、増幅器Ａ１の出力が負の側に行くことが要求されるという欠点がある。 したがって、図１に示される回路では、（Ｖ＋及びＶ−として示されるように） 正及び負の両方の供給が必要となる。 本発明の目的は、上述した欠点の内の少なくとも１つを克服し、且つバッテリ のような隔離されたＤＣ供給源によって動力を供給されることが可能な、単純化 された感知回路を提供することにある。 本発明の態様に従って、電気化学セル感知回路が提供され、回路は、作用電極 、対向電極及び参照電極を電解質中に有する電気化学セルを有し、電気化学セル は、使用中、被分析ガスがセルに導入されたときに、対向電極と前記作用電極と の間に電流が流れ、電解質中の位置における電位を参照電極によって感知される ように構成されており、さらに回路は、作用電極に対して対向電極にオフセット 電圧を印加するための電源手段と、参照電極と作用電極との間の電圧差をモニタ し、フィードバックループを通じて作用電極に電流をフィードバックするために 動作可能であり、及びそれによって作用電極を参照電極の電位とほぼ同じに維持 しようとする増幅手段と、作用電極と前記対向電極（ｃ）との間を流れるセル電 流の測定とし て増幅器によって作用電極へフィードバックされる電流を測定するための測定手 段とを有する。 好ましくは、測定手段は、増幅器の出力と作用電極との間に直列に接続される 抵抗手段、及び抵抗の端子間で発生する電圧を測定するための手段を有する。 また、測定手段は、増幅器及び作用電極との間に直列に接続された容量と、容 量を横切るようにして並列に接続され、閉位置では容量をショートさせ、開位置 では増幅器による作用電極へのフィードバック電流によって容量を充電させるス イッチ手段と、第１の入力に増幅器の出力、第２の入力に基準電圧Ｖｒを受け、 第１及び第２の入力を比較して、スイッチ手段が開位置のときにはセル電流を表 す出力信号を生じさせる比較器とを有することも可能である。 好ましくは、電源手段は、対向電極に正の電位を印加するＤＣ供給源を有する 。 好ましくは、増幅器は、対向電極に正の電位を印加するＤＣ供給源とは分離さ れた第２のＤＣ供給源の間に接続される。 好ましくは、電源手段は、対向電極に正の電位を印加するＤＣ供給源と、比較 器と、対向電極に正の電位を印加するＤＣ供給源とは分離された第２のＤＣ供給 源の間に接続された増幅器とを有する。 その比較器からの出力信号はデジタル信号でありうる。 回路の正確な動作をテストする手段を提供するために、対向電極に供給源のパ ルスを注入するための手段が提供できる。 添付図面を参照しながら、実施例によって、本発明の２つの実施形態が以下に 説明される。 図１は、前述した従来の電気化学感知回路を図示したものである。 図２は、本発明の１つの実施形態を図示したものである。 図３は、セルの出力をタイミング信号に変換するための本発明の第２の実施形 態を図示したものである。 図２を参照すると、電気化学セル１０は、通常の構成であって、モニタされる ガスが導入されるチャンバまたは空洞１１を有している。３つの間隔を有する電 極、Ｗ、Ｃ、Ｒは空洞１１の中に位置している。電極Ｒは、参照電極から構成さ れ、演算増幅器Ａ２の入力１２と接続されている。増幅器の第２の入力１３は、 電極Ｗと接続されている。増幅器Ａ２の出力１４は、抵抗Ｒ３を含むフィードバ ックループを通して電極Ｗと接続されている。対向電極Ｃは、０Ｖラインと接続 されている抵抗Ｒ４及びダイオードＤ１によって発生される基準電圧と接続され ている。 増幅器Ａ２は、作用及び参照電極、Ｗ及びＲのそれぞれを同じ電位に維持する ために、抵抗Ｒ３を通じて電流をフィードバックする。 セル１０でガスが感知されたとき、増幅器Ａ２の出力は、正の電流を作用電極 Ｗに送り、同時に、電極Ｗが対向電極Ｃに対して正にチャージされるために、正 となる。これらの２つの効果は、常に増幅器Ａ２の出力を０Ｖラインに対して正 に維持する。 Ｒ３の端子間電圧は、セル１０におけるガス濃度と比例した正確な出力である 。仮に＋Ｖの供給が隔離されたバッテリ（図示せず）によって提供された場合、 抵抗Ｒ３の端子１５及び１６は、外部の隔離されたアースへ接続される一つの端 子の出力として取扱われる。正確性が重要でない場合、０Ｖラインに対して、増 幅器Ａ２の出力を感知することで充分であるが、増幅器Ａ２の出力電圧は、作用 電極Ｗと対向電極Ｃとの間のオフセット電圧に起因する成分を含んでいる。その オフセットは、通常電位差のほんの一部に過ぎない。 対向電極Ｃ上のオフセット電圧は、抵抗Ｒ４及びダイオードＤ１ によって発生され、そうしなければ、作用電極に対して対向電極が正になるとい う組込まれた傾向を有するそれらのセルを保護している。またオフセット電圧は 、そうしなければ、セルからの逆の応答を誤って引き起こすかもしれないガスへ の露出を許容している。セルが、対向電極Ｃから作用電極Ｗへ組込まれている正 のバイアスを有するように設計されている場合には、オフセット電圧を対向電極 Ｃに負わせる必要はない。 図１を基礎とした試験回路は、マキシマムＭＡＸ４０６増幅器を使用しており 、Ｒ４は６Ｖのバッテリから１μＡをＤ１に供給する。Ｒ３は１２ＫΩで、テス ト中、セルによって感知される一酸化炭素に対して１ｍＶ／ｐｐｍの感度出力を セルに与える。全体の電流消費量は、バッテリに数年分の寿命を提供できる３μ Ａである。 図３は、セルからの出力がタイミング信号に変換される本発明のさらなる実施 形態を示している。図３において、図２と類似する要素には同様の参照番号を付 している。 図３を詳細に参照すると、抵抗Ｒ３を通じた流れの代わりに、スイッチが閉じ たときにはセル電流がスイッチＳ１を通じて流れ、スイッチが開いているときに はセル電流がコンデンサＣ２を通じて流れることを除いて、増幅器Ａ３は図２の 増幅器Ａ２とほぼ同様に動作する。 増幅器Ａ３の出力１６は、比較器１７の一つの入力と接続されており、基準電 圧Ｖｒは比較器の第２の入力に接続されている。その基準電圧は、隔離された回 路または抵抗Ｒ５をタップすることによって提供されている。 セル電流を測定するために、スイッチＳ１が最初に閉じられ、それによってキ ャパシタＣ２がショートされる。タイマ（図示せず）がスタートし、スイッチＳ １が開かれる。続いてコンデンサＣ２が セル電流に比例した割合で正に充電される。増幅器Ａ３の出力電圧が基準電圧Ｖ ｒと等しくなると比較器１７がスイッチされ、それによってセル電流を表すタイ ミング信号１８が作られる。 図３の回路に基づくセンサは、作用電極Ｗと対向電極Ｃとの間のオフセット電 圧に起因するささいなエラーの影響を受ける。より高い正確性が要求される場合 には、基準電圧Ｖｒは、例えばエミッタ・フォロアによってバッファされた作用 電極電圧に応じて変化するように作られれば良い。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１１年６月１８日（１９９９．６．１８） 【補正内容】 明細書 ポテンシオスタット・タイプ（potentiostat-type）回路に使用されるさらな るセルが、米国特許第４，０４８，０４１号（米国陸軍）に記載されている。そ の電気回路は、３電極電気化学セルの作用電極に印加される電位を制御している 。その電気化学セルは、セルの接地アノードと負のパルス・カソード(pulsed ca thode)との間の電流差を測定することによって動作するセンサに組込まれている 。この回路は、非常に複雑で、正及び負の供給源の両方を必要としている。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジャクソン，マイケル イギリス国，バークシャー アールジー10 ０イーエックス，リーディング，トワイ フォード，ブロードウォーター ロード ４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．作用電極（ｗ）、対向電極（ｃ）及び参照電極（ｒ）を電解質中に有する 電気化学セルを有し、前記電気化学セルは、使用中、被分析ガスがセルに導入さ れたとき、前記対向電極（ｃ）と前記作用電極（ｒ）との間に電流が流れ、前記 電解質中の位置における電位を前記参照電極（ｒ）によって感知するように構成 される電気化学セル感知回路であって、さらに回路は、前記作用電極（ｗ）に対 して前記対向電極（ｃ）にオフセット電圧を印加するための電源手段（１２、１ ３、１４、１５、１６、Ｒ４、Ｒ５、Ｄ１）と、前記参照電極（ｒ）と前記作用 電極（ｗ）との間の電圧差をモニタし、フィードバックループ（１４、Ａ３）を 通じて前記作用電極（ｗ）に電流をフィードバックするために動作可能であり、 それによって前記作用電極（ｗ）を前記参照電極（ｒ）とほぼ同じ電位に維持し ようとする増幅手段（Ａ３、Ａ５）と、前記作用電極（ｗ）と前記対向電極（ｃ ）との間を流れるセル電流を測定するために前記増幅器（Ａ２、Ａ３）によって 前記作用電極（ｗ）へフィードバックされる電流を測定する測定手段（１５、１ ６、１７、Ｓ１、Ｃ２、Ａ３）とを有することを特徴とする回路。 ２．前記測定手段は、前記増幅器（Ａ２）の出力と前記作用電極（ｗ）との間 に直列に接続される抵抗（Ｒ３）手段、及び前記抵抗（Ｒ３）の端子間で発生す る電圧を測定するための手段（１５、１６）を有する請求項１に記載の回路。 ３．前記測定手段（Ａ３）は、増幅器（Ａ３）及び作用電極（ｗ）との間に直 列に接続されたキャパシタ（Ｃ２）と、前記キャパシタ（Ｃ２）を横切るように して並列に接続され、閉位置では前記キャパシタ（Ｃ２）をショートさせ、開位 置では前記増幅器（Ａ３） による作用電極（ｗ）へのフィードバック電流によって前記キャパシタ（Ｃ２） を充電させるスイッチ手段（Ｓ１）と、第１の入力（１９）に増幅器（Ａ３）の 出力、第２の入力（２０）に基準電圧Ｖｒを受け、前記第１及び第２の入力を比 較して、前記スイッチ（Ｓ１）が開位置のときには前記セル電流を表す出力信号 （１８）を生じさせる比較器（１７）とを有する請求項１に記載の回路。 ４．前記電源手段（Ｒ５、Ｄ１）は、対向電極（ｃ）に正の電位を印加するＤ Ｃ供給源を有する請求項１〜３の何れか一項に記載の回路。 ５．前記増幅器（Ａ３）は、前記対向電極（ｃ）に正の電位を印加するＤＣ供 給源とは隔離された第２のＤＣ供給源の間に接続されている請求項４に記載の回 路。 ６．前記電源手段は、前記対向電極（ｃ）に正の電位を印加するＤＣ供給源（ Ｒ５、Ｄ１）と、前記比較器（１７）及び増幅器（Ａ３）が前記対向電極（ｃ） に正の電位を印加する前記ＤＣ供給源とは隔離された第２のＤＣ供給源の間に接 続されている請求項３に記載の回路。 ７．前記比較器（１７）からの出力信号はデジタル信号である請求項３または ６に記載の回路。 ８．前記回路の正確な動作をテストする手段を提供するために、前記対向電極 （ｃ）に供給源のパルスを注入するための手段が提供されている請求項１〜７の 何れか一項に記載の回路。