KR20010012148A - 전기 화학적 감지 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명의 작업 전극, 역 전극, 및 전해질의 기준 전극을 가진 전기 화학적 셀을 포함하는 전기 화학적 셀 감지 회로는 분석될 가스가 셀로 유입될 때, 역 전극 및 작업 전극 사이에서 전류가 발생하며, 기준 전극에 의해 전해질의 임의의 위치에서 전위가 감지된다. 본 발명의 회로는 작업 전극(w)에 대하여 역 전극(c)으로 오프셋 전압을 인가하기 위한 전력 공급 수단(12,13,14,15,16,R4,R5,D1), 기준 전극(r) 및 작업 전극(w) 사이의 전압차를 감시하며, 피드백 루프( 14,A3)를 통하여 작업 전극(w)으로 전류를 피드백하도록 동작하며, 이에 따라 기준 전극(r)과 실질적으로 동일 전위에서 작업 전극(w)을 유지하는 증폭기 수단(A3,A5), 작업 전극(w) 및 역 전극(c) 사이에서 흐르는 셀 전류에 대한 측정으로서 증폭기(A2,A3)에 의해 작업 전극(w)에 대한 전류 피드백을 측정하기 위한 측정 수단(15,16,17,S1,C2,A3)을 포함한다.

Description

전기 화학적 감지 회로 {ELECTROCHEMICAL SENSING CIRCUITS}

세개의 터미널 전기 화학적 셀은 다양한 가스 모니터로 사용되며 분석될 가스가 유입된 셀 및 세개의 간격진 전극을 포함한다. 세개의 전극은 셀 전류가 발생되는 주된 한쌍 및 측정된 셀 전해질의 소정 포인트에서 전위를 가능하게 하는 기준 전극을 포함한다. 셀 전류는 예를 들면, 탄소 일산화물과 같은 셀에 의해 감지된 요소 또는 화합물의 농도에 비례한다.

공지된 세개의 터미널을 가진 전기 화학적 셀은 도 1에 참조된 회로를 사용하여 설명된다. 셀에 대한 설명을 위해, "W" 및 "R"로 각각 라벨을 붙인 "작업" 및 "기준" 전극은 동일한 전위를 일으켜야 한다. 어떠한 전류도 기준 전극으로부터 흐르지 않는다. 대신, 전류는 양 기준 및 작업 전극(R,W)이 각각 동일 전위가 될 때까지 증폭기(A1)에 의해 "C"로 라벨된 역 전극으로 유입된다. 역 전극 및 작업 전극에서 흐르는 전류는 셀 전류이며 셀의 내부 동작에 따르며, 이는 셀에 의해 감지된 화합물의 농도에 비례한다.

도 1을 참조하면, 증폭기(A1)는 역 전극에 피드백되는 전류에 의해 0V에서 기준 전극을 유지한다. 증폭기(A2)는 0V에서 증폭기(A2)의 음의 입력이 0V이기 때문에 0v에서 작업 전극을 유지한다. 셀 전류는 증폭기(A1)에 의해 구동되지만, 증폭기(A2)에 의해 감지된다. 왜냐하면, 셀 전류는 전압(V)을 출력시키기 위해 저항(R2)을 통과하기 때문이다.

도 1에 공지된 회로의 불리한 점은 각각의 증폭기의 가상 접지 임피던스가 다른 증폭기의 피드백 경로로서 나타나기 때문에 오실레이션하는 경향이 있다는 것이다. 이는 가상 접지 임피던스가 제대로 한정되지 않을 경우, 높은 주파수에서 오실레이션을 초래할 수 있다.

저 비용 마이크로 제어기-기반 기술에 대한 둘째로 불리한 점은 출력(V)이 디지탈로 처리되기 전에 아날로그를 통하여 디지탈 변환에 이르는 아날로그 전압이라는 것이다.

셋째로 불리한 점은 가스가 감지될 때, 출력(V)이 양이므로, 역 전극은 음으로 충전되고, 증폭기(A1)의 출력은 음으로 향할 필요가 있다는 것이다. 그러므로, 도 1에 도시된 회로는 양 및 음의 공급(V+ 및 V-)을 필요로 한다.

본 발명은 전기 화학적 감지 회로, 특히 세개의 터미널 전기 화학적 셀로부터 셀 전류 흐름을 감지하는 전기 회로에 관한 것이다.

도 1은 공지된 전기 화학적 감지 회로를 도시한다.

도 2는 본 발명의 제 1 실시예를 도시한다.

도 3은 셀의 출력을 타이밍 신호로 변화시키는 본 발명의 제 2 실시예를 도시한다.

본 발명의 목적은 상술한 적어도 하나의 불리한 점이 극복되며, 배터리와 같은 절연된 DC 공급기에 의해 전력이 공급되는 단순화된 감지 회로를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 작업 전극 및 역 전극 및 전해질의 기준 전극을 가진 전기 화학적 셀을 포함하며, 이 셀은 분석될 가스가 셀로 유입되었을 때, 전류가 역 전극 및 작업 전극 사이를 흐르도록 그리고, 전해질에서 기준 전극에 의해 감지된 전위를 포함하도록 구성되는 전기 화학적 셀 감지 회로가 제공된다. 또한 회로는 작업 전극에 대하여 역 전극으로 오프셋 전압을 인가하기 위한 전력 공급 수단, 기준 전극 및 작업 전극 사이의 전압차를 감시하고 피드백 루프를 통하여 작업 전극으로 전류를 피드백하도록 동작 가능한 증폭기 수단, 및 작업 전극 및 역 전극 사이의 셀 전류 흐름에 대한 측정으로서, 증폭기에 의해 작업 전극에 대한 피드백 전류를 측정하는 측정 수단을 포함한다.

바람직하게 측정 수단은 증폭기 출력 및 작업 전극 사이에서 직렬 연결된 저항 수단을 포함하며, 저항 수단은 저항을 통하여 발생된 전압을 측정하기 위하여 제공된다.

선택적으로, 측정 수단은 증폭기 출력 및 작업 전극 사이에서 직렬로 접속된 저항 수단을 포함하며, 캐패시터에 병렬로 접속된 스위치 수단을 포함하고, 상기 스위치는 닫혀진 위치에서 캐패시터를 단락시키며, 열린 위치에서 캐패시터를 피드백하는 전류에 의해 증폭기에 의한 작업 전극으로 충전되도록 동작한다. 또한 측정 수단은 제 1 입력에서 증폭기의 출력을 수신하며, 제 2 입력에서 기준 전극(Vr)을 수신하는 비교기를 포함하며, 상기 비교기는 제 1 및 제 2 입력을 비교하고 상기 스위치가 열려있을 때의 셀 전류를 나타내는 출력 신호를 만든다.

바람직하게 전력 공급 수단은 역 전극으로 양 전위를 인가하는 DC 공급기를 포함한다.

바람직하게 증폭기는 역 전극으로 양 전위를 인가하는 DC 공급기로부터 절연된 제 2 DC 공급기 사이에 접속된다.

바람직하게 상기 전력 공급 수단은 역 전극으로 양 전위를 인가하는 DC 공급기 및 역 전극으로 양 전위를 인가하는 DC 공급기로부터 절연된 제 2 DC 공급기 사이에 접속된 비교기 및 증폭기를 포함한다.

비교기의 출력 신호는 디지털 신호일 수 있다.

회로의 정확한 동작을 테스트기 위한 수단을 제공하기 위해, 공급기의 펄스를 역 전극으로 공급하는 수단이 제공된다.

본 발명은 도면을 참조로 하여 실시예에서 상세히 설명된다.

도 2를 참조하면, 전기 화학적 셀(10)은 통상적인 구조로 이루어져 있고, 감시될 가스가 유입되는 챔버 또는 공동(11)을 포함한다. 세개의 간격진 전극(W,C,R)은 공동(11)에 위치한다. 전극(R)은 기준 전극으로 구성되고 동작 증폭기(A2)의 입력(12)에 접속된다. 증폭기의 제 2 입력(13)은 전극(W)에 접속된다. 증폭기(A2)의 출력(14)은 저항(R3)을 포함하는 피드백 루프를 통하여 전극(W)에 접속된다. 역 전극(C)은 0V 라인에 접속된 저항(R4) 및 다이오드(D1)에 의해 생성된 기준 전압에 접속된다.

증폭기(A2)는 작업 및 기준 전극(W,R)을 각각 동일 전위에서 유지하기 위하여 저항(R3)을 통하여 피드백 전류를 공급한다.

가스가 셀(10)에 의해 감지되었을 때, 증폭기(A2)의 출력은 양의 전류를 작업 전극(W)으로 가하기 위해 양으로되며, 동시에, 전극(W)은 역 전극(C)에 대하여 양으로 충전된다. 이 결과는 출력 증폭기(A2)가 언제나 0V에 대하여 양이라는 사실을 보장한다.

R3를 통하는 전압은 셀(10)의 가스 농도에 비례하는 정확한 출력이다. 만일 +V 공급기가 절연된 배터리에 의해 제공된다면(도시되지 않음), 저항(R3)의 터미널(15,16)은 외부 절연 접지에 접속된 터미널에 대한 출력이 될 것이다. 정확도가 덜 중요하다면, 0V 라인에 대한 증폭기(A2)의 출력을 감지하기에 충분하지만, 증폭기(A2)의 출력 전압은 작업 전극(W) 및 역 전극(C) 사이의 오프셋 전압에 영향을 받는 성분을 포함한다. 오프셋은 일반적으로 매우 작은 전압이다.

역 전극(C)의 오프셋 전압은 저항(R4) 및 다이오드(D1)에 의해 생성되고 그렇지 않을 경우, 셀을 보호하며, 역 전극을 작업 전극에 대하여 양이되도록 한다. 오프셋 전압은 또한 가스에 대한 노출을 허용하며, 그렇지 않을 경우, 셀로부터 역 반응을 허위로 일으킨다. 만일 셀이 역 전극(C)로부터 작업 전극(W)으로 빌트인 양의 바이어스를 가지도록 설계된다면, 역 전극(C)으로 오프셋 전압이 부과될 필요가 없을 것이다.

도 1에 기초한 회로는 맥심 맥스 406 증폭기(Maxim MAX 406 amplifier) 및 6볼트 배터리로부터 D1으로 1μA가 제공된 R4를 사용한다. R3은 12kΣ이며, 테스트시 셀에의해 감지된 탄소 일산화물의 1mV/ppm의 출력 감도를 셀로 제공한다. 총 전류 소비는 수년간의 배터리 수명을 제공하는 3μA이다.

도 3은 셀로부터의 출력이 타이밍 신호로 변하는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한다. 도 3에서는 도 2에 도시된 동일한 참조 번호로 동일한 소자가 제공된다.

도 3을 참조하여 보면, 셀 전류는 저항(R3)을 통하여 흐르는 대신 스위치가 닫혀있을 때, 스위치(S1)를 통하여 흐르며, 또한 스위치(S1)가 열려있을 때, 캐패시터(C2)를 통하여 흐르는 것 외에는 도 2의 증폭기(A2)와 같은 방식으로 증폭기(A3)가 동작한다.

증폭기(A3)의 출력(16)은 캐패시터(17)의 일 출력에 접속되며 기준 전압(Vr)은 캐패시터(17)의 제 2 입력으로 인가된다. 기준 전압은 분리된 회로에 의해 제공되거나 저항(R5)에 탭핑될 수 있다.

셀 전류를 측정하기 위해, 스위치(S1)는 먼저 닫혀지고 이에 따라 캐패시터(C2)는 단락된다. 타이머(도시되지 않음)는 시작되고, 스위치(S1)는 열린다. 이 후, 캐패시터(C2)는 셀 전류와 비례하여 양으로 충전된다. 비교기(17)는 증폭기(A3)의 출력 전압이 참조 전압(Vr)과 동일할 때, 스위칭되고, 셀 전류를 나타내는 타이밍 신호(18)를 발생한다.

도 3의 회로에 기초한 감지기는 작업 전극(W) 및 역 전극(C) 사이에서 전압 오프셋에 따른 작은 에러를 허용할 것이다. 만일 더 큰 정확도가 필요하다면, 기준 전압(Vr)은 예를 들면 에미터 종동부에 의해 버퍼될 때, 작업 전극 전압을 변경함으로써 이루어질 수 있다.

Claims (9)

1. 작업 전극(w), 역 전극(c), 및 전해질의 기준 전극(r)을 가지며 분석될 가스가 셀로 유입될 때 전류가 상기 역 전극(c) 및 상기 작업 전극(r) 사이를 흐르도록 그리고, 전해질의 임의의 위치에서의 전위가 상기 작업 전극(r)에 의해 감지되도록 구성되는 전기 화학적 셀을 포함하는 전기 화학적 셀 감지 회로에 있어서,

   상기 작업 전극(w)에 대하여 상기 역 전극(c)에 오프셋 전압을 인가하기 위한 전력 공급 수단(12,13,14,15,16,R4,R5,D1);

   상기 기준 전극(r) 및 상기 작업 전극(w) 사이의 전압차를 감시하며, 피드백 루프( 14,A3)를 통하여 상기 작업 전극(w)으로 전류를 피드백하도록 동작하며, 이에 따라 상기 기준 전극(r)과 실질적으로 동일 전위에서 상기 작업 전극(w)을 유지하는 증폭기 수단(A3,A5); 및

   상기 작업 전극(w) 및 상기 역 전극(c) 사이에서 흐르는 셀 전류에 대한 측정으로서 증폭기(A2,A3)에 의해 작업 전극(w)에 대한 전류 피드백을 측정하기 위한 측정 수단(15,16,17,S1,C2,A3)을 포함하는 것을 특징으로 하는 회로.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 측정 수단은 상기 증폭기(A2)의 출력 및 작업 전극(w) 사이에서 직렬로 접속된 저항(R3) 및 상기 저항(R3)을 통하여 발생된 전압을 측정하기 위하여 제공된 수단(15,16)을 포함하는 것을 특징으로 하는 회로.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 측정 수단은 상기 증폭기(A3)의 출력 및 상기 작업 전극(w) 사이에서 직렬로 접속되는 캐패시터(C2);

   상기 캐패시터(C2)에 병렬로 접속되며, 닫힌 위치에서 캐패시터(C2)를 단락시키고, 열린 위치에서 상기 캐패시터(C2)가 상기 증폭기(A3)에 의해 상기 작업 전극(w)으로 피드백되는 전류에 의해 충전되도록 동작하는 스위칭 수단(S1);및

   제 1 입력(19)에서 상기 증폭기(A3)의 출력을 수신하고, 제 2 입력(20)에서 기준 전압(Vr)을 수신하며, 상기 제 1 및 제 2 입력(19,20)을 비교하여 상기 스위치(S1)가 열릴 때, 셀 전류를 나타내는 출력 신호(18)를 발생하는 비교기(17)를 포함하는 것을 특징으로 하는 회로.
4. 제 1 항 내지 3 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 전력 공급 수단(R5,D1)은 상기 역 전극(c)으로 양의 전위를 인가하는 DC 공급기를 포함하는 것을 특징으로 하는 회로.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 증폭기(A3)는 상기 역 전극(c)으로 양의 전위를 인가하는 상기 DC 공급기로부터 절연된 제 2 DC 공급기 사이에 접속되는 것을 특징으로 하는 회로.
6. 제 3 항에 있어서, 상기 전력 공급 수단은 상기 역 전극(c)으로 양의 전위를 인가하는 DC 공급기(R5,D1)를 포함하며, 상기 비교기(17) 및 상기 증폭기(A3)는 상기 역 전극(c)으로 양의 전위를 인가하는 상기 DC 공급기로부터 절연된 제 2 DC 공급기 사이에 접속되는 것을 특징으로 하는 회로.
7. 제 3 항 내지 6 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 비교기(17)로부터의 출력 신호는 디지털 신호인 것을 특징으로 하는 회로.
8. 제 1 항 내지 7 항중 어느 한 항에 있어서, 회로의 정확한 동작을 테스트하기 위한 수단을 제공하기 위해, 상기 역 전극(c)으로 공급기의 펄스를 공급하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회로.
9. 도 2 또는 도 3을 참조로 하여 기술된 회로.