專利名稱：微庫侖分析儀的電解電流發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種電流發(fā)生裝置，更具體地說，涉及一種微庫侖分 析儀的電解電流發(fā)生器。
技術(shù)背景首先介紹一下微庫侖分析儀，微庫侖分析儀用來測量樣品中各種元素 的含量，微庫侖分析儀包括控制電路和滴定池，滴定池用來放置電解溶液。參見

圖1和圖2的微庫侖分析儀的滴定池6，它通過微庫侖滴定法測量樣 品中的硫含量，它有兩對電極， 一對為測量電極71、 72(71為正極，72 為負極)，連接到電壓測量電路；另一對為電解電極81、 82(81為正極， 82為負極)，連接到電解電源。滴定池6內(nèi)充有含醋酸的碘化鉀溶液，測 量電極的負極72是一個甘汞電極，由于甘汞電極在溶液中的電位比較穩(wěn) 定，起到參考電極的作用。測量電極的正極71由鉑片制成，作為溶液電位 的檢測電極。電解電極81、 82由兩根鉑絲制成。當(dāng)電解電極81、 82之間 有電流通過時，電解液中的碘化鉀能逐漸析出碘離子/3-，測量電極能指示 電解液中的/3—濃度。當(dāng)樣品，例如微量有機硫和無機硫，經(jīng)過轉(zhuǎn)化爐燃燒 后，大部分能轉(zhuǎn)化成5<92氣體，進入滴定池后與電解液中的/3-進行反應(yīng)， 使/3—濃度降低，造成測量電極71、 72間電壓下降。微庫侖分析儀的控制電 路，向電解電極81、 82輸入電流，使滴定池內(nèi)產(chǎn)生/3-，逐漸恢復(fù)原來的/3_ 濃度。當(dāng)電解產(chǎn)生的/3—與被502消耗的/3-相等時，測量電極71、 72間電壓恢復(fù)到原來的數(shù)值。根據(jù)電解電流對時間的積分可得到通入滴定池6的 電量，再根據(jù)法拉第定律可計算出進入滴定池6的硫的含量。微庫侖儀滴定池6中的電解液具有一定的電導(dǎo)，電解電極81、 82和 測量電極71、 72在滴定池6內(nèi)具有電的通路。而如果測量電路和電解電路 共地或具有通路，電解電流必然會在測量電極間產(chǎn)生附加電壓和干擾。由 于電解電極電壓比較高(可達幾伏到十幾伏)，而在微量分析中，測量電 極電壓變化量很小，為微伏級，對測量電極電壓的測量影響很嚴重。所以必須采取措施來避免或降低電解電極電流對測量電極電流產(chǎn)生 的干擾，傳統(tǒng)技術(shù)中所采取的措施有一下幾種1 )采用分時測量辦法避免兩對電極在滴定池外部產(chǎn)生通路。分時辦法參見圖3。該測量電路圖中，由四個同步切換的振動子S,、 S2、 S3、 S4(或 稱模擬開關(guān))、三個電容器d、 C2、 C3、偏置電壓發(fā)生電路85、放大器A和 積分器構(gòu)成。四個振動子在控制電路作用下，周期性地在位置"I "和"II" 之間同步切換。在測量階段，所有振動子切換到"I"的位置，測量電極 71、 72向電容d充電到測量電極原電池的電壓，電容C2接地，放大器A輸 出為零。在電解階段，所有振動子切向位置"II"，電容d與偏置電壓E。版t的差值向電容C2充電，因為電容C2的數(shù)值選擇得比C,的數(shù)值小得多，在很短時間內(nèi)，電容C2充電到等于電容d儲存的電壓與偏置電壓之差。在平衡 狀態(tài)下，這個差值等于O。當(dāng)?shù)味ǔ?放入被測物質(zhì)后，電容C,電壓與偏置 電壓的差值為正，經(jīng)過放大器A放大后向電容C3通過積分器充電。當(dāng)振動子 再次切向位置"I"時，A輸出為零，相當(dāng)于電容C3 —端接地，于是C3通過 電解電極放電，使測量電極間電壓升高。經(jīng)過若干周期后，恢復(fù)平衡。積分器測定出這若干周期內(nèi)向電容C3的充電電荷，它應(yīng)等于C3向電解池放電電荷，通過計算，算出進入滴定池硫的含量。從圖中可以看出，雖然測量 電路和電解電路是共地的，但它們僅交替地和兩對電極連接，因此兩對電 極在任何時刻都不會在滴定池之外構(gòu)成通路。但分時測量使電路復(fù)雜，搡 作不便，機械振子存在壽命問題，如果采用模擬開關(guān)，需要高壓模擬開關(guān)，另外對電容d、 C2、 C3絕緣要求高，總的來說此套方案缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高且操作不便。2 )使電解電流的發(fā)生電路浮置(或稱為隔離)。但是，真正實現(xiàn)浮 置是很不容易的，早期報道過的解決方案是采用工頻變壓器的兩個隔離繞 組通過整流電賂得到兩個不共地電源，分別給測量電路和電解電路供電， 使電解電路隔離。實際結(jié)果表明，該方案遠遠不能消除電解電路對測量電 路的干擾，所得到測量電極電壓輸出跳動達零點幾亳伏甚至更大，即使沒 有電解電流流過電解電極時跳動仍然存在，無法實現(xiàn)精密微庫侖分析。追 其原因是這兩組不共地電源雖然在直流意義上是獨立的，但由于工頻變 壓器的兩個繞組之間存在很大的靜電偶合，兩組電源在交流意義上不是完 全隔離的，所以該套方案并不能實現(xiàn)完全隔離的目的。3 )—種專利申請?zhí)枮镃N0221740. 2的微庫侖儀隔離電解電源的實用新 型，公開了一種隔離電解電源，它采用一個鐵淦氧環(huán)形磁芯高頻變壓器， 以特殊的繞組布置和工藝把初次級繞組之間靜電偶合減小到最低程度，完 成電解電路的浮置，成功解決微庫侖分析儀測量電極的電壓測量。但它仍然有以下兩個缺點首先是分立元件較多，沒實現(xiàn)集成電路化或模塊化；其次是電解電流的控制電路隔離比較復(fù)雜，成本高。發(fā)明內(nèi)容針對目前使微庫侖分析儀的電解電流發(fā)生電路和測量電路隔離的現(xiàn) 有技術(shù)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本高以及隔離效果不好的缺陷，本實用新型的目的 是提供一種微庫侖分析儀的電解電流發(fā)生器，其不但能很好的實現(xiàn)電解電 流的隔離，同時由于采用了集成塊所以其結(jié)構(gòu)比較簡單，成本也比較低。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供一種用于微庫侖分析儀的隔離式電 解電流發(fā)生器，包括D/A轉(zhuǎn)換單元，該D/A轉(zhuǎn)換單元輸入端與所述微庫侖分析儀的單片機接口連接；電流反饋放大單元，該電流反饋放大單元的輸入端與所述D/A轉(zhuǎn)換單元 的輸出端連接；光電耦合單元，該光電耦合單元輸入端與所述電流反饋放大單元輸出端 連接，該光電耦合單元輸出端輸出電解電流信號，另一輸出端與所述電流 反饋放大單元的另 一輸入端連接；隔離電源單元，該隔離電源單元的正輸出端與所述光電耦合單元的另一 輸入端連接，該隔離電源單元的負端是所述電解電流的返回端。所述電流反饋放大單元是電流負反饋放大器，包括集成運放A和反饋電 阻Rf,該集成運放A的同相輸入端與所述D/A轉(zhuǎn)換單元的輸出端連接，反 相輸入端與所述光電耦合單元的另一輸出端連接，反相輸入端連接反饋電 阻Rf—端，反饋電阻Rf另一端接地，集成運放A輸出端與所述所述光電 耦合單元的輸入端連接。所述光電耦合單元為集成線性光電耦合器，包括發(fā)光二極管Dl、伺服光 敏晶體管Ts以及前向光敏晶體管Tf，所述發(fā)光二極管Dl的陽極與所述集 成運放A的輸出端連接，發(fā)光二極管Dl的陰極接地，伺服光敏晶體管TS 的基極引出端與集成運放A的反相輸入端連接，前向光敏晶體管Tf基極輸 出電解電流信號。所述電流反饋放大單元還包括低通濾波電路、電阻R3及電容C4，低通 濾波電路的電阻R2和電容C3相連接，所述D/A轉(zhuǎn)換單元的輸出端通過電 阻R2連接所述集成運放A的同相輸入端，集成運放A的輸出端通過限流電 阻R3連接所述光電耦合單元的輸入端，集成運放A的輸出端通過電容C4連接集成運放A的反相輸入端。所述隔離電源單元包括隔離電源模塊、濾波器以及負載電阻R4，所述濾波器由線圈L1、電容C5和C6連接組成，所述隔離電源模塊的正輸出端通 過所述濾波器與所述前向光敏晶體管Tf的集電極引出端連接，負載電阻 R4兩端分別連接隔離電源模塊的正輸出端與負端，所述電解電流通過滴定 池返回隔離電源單元的負端。所述電解電流發(fā)生器還包括輔助電源單元，該輔助電源單元的輸出端分 別與所述D/A轉(zhuǎn)換單元和光電耦合單元連接。所述D/A轉(zhuǎn)換單元為D/A轉(zhuǎn)換器，其輸入端通過數(shù)據(jù)/控制總線連接到所述單片機接口。采用本實用新型所述的微庫侖分析儀的電解電流發(fā)生器， D/A轉(zhuǎn)換單元將單片機輸入的關(guān)于電解電流數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為模擬信號輸出給電流反饋放大單元，信號經(jīng)放大傳給光電耦合單元并使該單元的發(fā)光 二極管Dl發(fā)光，該單元的伺服光敏晶體管Ts和前向光敏晶體管Tf感應(yīng)到 發(fā)光二極管Dl的發(fā)光并產(chǎn)生電流，在隔離電源單元的驅(qū)動下輸出電解電流 到微庫侖分析儀的滴定池中，該電流經(jīng)過滴定池返回隔離電源單元的負端。 由上過程可以看出，由于發(fā)光二極管Dl和伺服光敏晶體管Ts與前向光敏 晶體管Tf之間具有極小的隔離電容和極高的絕緣電阻，所以就能使電解電 流電路和其他電路完全隔離，起到了很好的隔離效果，另外由于本實用新 型結(jié)構(gòu)較簡單，故其成本也較低。圖1、是微庫侖分析儀滴定池結(jié)構(gòu)主視圖；圖2是微庫侖分析儀滴定池結(jié)構(gòu)截面圖； 圖3是現(xiàn)有技術(shù)中采用分時測量辦法的測量原理示意圖； 圖4是本實用新型的原理方框示意圖； 圖5是本實用新型的具體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖和實施例進一步說明本實用新型的技術(shù)方案。 參考圖4 ,本實用新型所述的微庫侖分析儀的電解電流發(fā)生器100包括 D/A轉(zhuǎn)換單元10，該D/A轉(zhuǎn)換單元IO為D/A轉(zhuǎn)換器，其輸入端通過數(shù) 據(jù)/控制總線連接到所述微庫侖分析儀的單片機80的接口 ， D/A轉(zhuǎn)換單元 IO將單片機80提供的關(guān)于電解電流數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為模擬信號輸出給電流反饋放大單元20。參考圖5，作為一個實施例，D/A轉(zhuǎn)換器型號選定為 TLC5618，為可編程雙路12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器,—通過數(shù)據(jù)/控制總線與單片 機80連接，所述的數(shù)據(jù)/控制總線包括片選線^，串行時鐘輸入線SCLK， 串行數(shù)據(jù)輸入線DIN,另外由電阻R1、電容C1、 C2以及U1構(gòu)成的基準(zhǔn)電 壓發(fā)生電路與輔助電源單元50的輸出端連接，為D/A轉(zhuǎn)換器提供穩(wěn)定的 2.5伏的參考電壓。電流反饋放大單元20，所述電流反饋放大單元20是電流負反饋放大 器，參考圖5 ，包括集成運放A、反饋電阻Rf、低通濾波電路、限流電阻R3及 電容"，低通濾波電路的電阻R2和電容C3相連接，所述D/A轉(zhuǎn)換單元的輸出 端通過電阻R2連接所述集成運放A的同相輸入端，集成運放A的輸出端通過 限流電阻R3連接所述光電耦合單元的的發(fā)光二極管Di的陽極，集成運放A的 輸出端通過電容C4連接集成運放A的反相輸入端。該集成運放A反相輸入端連接反饋電阻Rf —端，反饋電阻Rf另一端接地。作為一實施例，這里集成 運放A是軌到軌(即滿幅度)運算放大器，輸入失調(diào)電壓典型值300jiV,輸 入失調(diào)電壓溫度漂移為2pV〃C，輸入偏置電流典型值lpA,輸入失調(diào)電流典 型值為0.5pA ,反饋電阻Rf選用高穩(wěn)定性的、低溫度系數(shù)的金屬膜電阻。光電耦合單元30,所述光電耦合單元30為集成線性光電耦合器，參 考圖5，包括發(fā)光二極管Di、伺服光敏晶體管Ts以及前向光敏晶體管Tf， 所述發(fā)光二極管Di的陽極經(jīng)R3與所述集成運放A的輸出端連接，發(fā)光二極 管Dl的陰極接地，伺服光敏晶體管Ts的基極引出端與集成運放A的反相輸入 端連接，前向光敏晶體管Tf基極連接到微庫侖分析儀的滴定池6中的正電 解電極并輸出電解電流信號If。作為一實施例，集成線性光電耦合器暗電 流典型值為lnA，比普通晶體管的集-射極穿透電流至少小一個數(shù)量級，傳 輸系數(shù)k的溫度漂移50ppm/'C，隔離電壓37S0V (rms),隔離電容為3pF。隔離電源單元40,參考圖5，包括隔離電源模塊41、濾波器以及負載 電阻R4，所述濾波器由線圈L1、電容Cs和C6連接組成，所述隔離電源模塊4 1的正輸出端通過所述濾波器與所述前向光敏晶體管Tf的集電極引出端連 接，負載電阻R4兩端分別連接隔離電源模塊41的正輸出端與負端，隔離電 源模塊4 1的負端連接微庫侖分析儀的滴定池6中的負電解電極并接收前 向光敏晶體管Tf基極發(fā)出的電解電流信號If,從而構(gòu)成回路。作為一實施例，隔離電源模塊4 1選定型號為H1215S型，輸入電壓為12V，輸出電壓15V， 該隔離電源模塊4 1具有很好隔離性能，隔離電壓達6000V，隔離電容小于 10pF,專為直接與人體接觸的醫(yī)療儀器而設(shè)計，其輸出經(jīng)線圈Z^電容q、 c;組成濾波器與光電耦合單元30連接，以減少波紋。負載電阻及4提供初 始負載電流，以保證電解電流為零時，隔離電源模塊41也能正常工作。輔助電源單元50,參考圖5，該輔助電源單元50包括輔助電源模塊 51,輔助電源模塊51的輸出端分別與所述D/A轉(zhuǎn)換單元10和光電耦合單元 30的伺服光敏晶體管Ts的集電極引出端連接，為它們供電。作為一實施例， 輔助電源模塊51選定IA1205KS型號，輸出電壓紋波小于20mV(p-p)，并具 有很好的電壓穩(wěn)定性。下面描述一下所述隔離電解電流發(fā)生器100的工作過程 微庫侖分析儀的控制單片機80通過數(shù)據(jù)/控制總線向所述的D/A轉(zhuǎn)換 單元10輸入電解電流電流值的二進制數(shù)據(jù)，使D/A轉(zhuǎn)換單元IO輸出電壓增 加，集成運放A的輸出電壓增加，流過光電耦合單元30的發(fā)光二極管D1的 電流增加，光電耦合單元30的伺服光敏晶體管&輸出電流A增加，/s在反饋電阻7 ,產(chǎn)生壓降/,及,，反饋到集成運放A的反相輸入端。在平衡狀態(tài)下， 4及/=^，從而/,=「^^。與此同時，光電耦合單元30的前向光敏晶體管 Tf接受到發(fā)光二極管Dii射的光,在隔離電源單元40的正輸出端的供電下， 前向光敏晶體管Tf基極產(chǎn)生線性比例的光電流輸出/,-^ (式中k為衡值， 稱為傳輸系數(shù))，//就是為滴定池6提供的電解電流，電流々通過滴定池6 的溶液返回隔離電源單元40的負端。本技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認識到，以上的實施例僅是用來說 明本實用新型，而并非用作為對本實用新型的限定，只要在本實用新型的 實質(zhì)精神范圍內(nèi)，對以上實施例的變化、變型都將落在本實用新型的權(quán)利 要求書范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種微庫侖分析儀的電解電流發(fā)生器，其特征在于，包括D/A轉(zhuǎn)換單元，該D/A轉(zhuǎn)換單元輸入端與所述微庫侖分析儀的單片機接口連接；電流反饋放大單元，該電流反饋放大單元的輸入端與所述D/A轉(zhuǎn)換單元的輸出端連接；光電耦合單元，該光電耦合單元輸入端與所述電流反饋放大單元輸出端連接，該光電耦合單元輸出端輸出電解電流信號，另一輸出端與所述電流反饋放大單元的另一輸入端連接；隔離電源單元，該隔離電源單元的正輸出端與所述光電耦合單元的另一輸入端連接，該隔離電源單元的負端是所述電解電流的返回端。
2. 如權(quán)利要求l所述的電解電流發(fā)生器，其特征在于，所述電流反饋 放大單元是電流負反饋放大器，包括集成運放A和反饋電阻Rf,該集成運放 A的同相輸入端與所述D/A轉(zhuǎn)換單元的輸出端連接，反相輸入端與所述光電 耦合單元的另一輸出端連接，反相輸入端連接反饋電阻Rf —端，反饋電阻 Rf另一端接地，集成運放A輸出端與所述光電耦合單元的輸入端連接。
3. 如權(quán)利要求2所述的電解電流發(fā)生器，其特征在于，所述光電耦合 單元為集成線性光電耦合器，包括發(fā)光二極管Di、伺服光敏晶體管Ts以及 前向光敏晶體管Tf，所述發(fā)光二極管Di的陽極與所述集成運放A的輸出端連 接，發(fā)光二極管Di的陰極接地，伺服光敏晶體管Ts的基極引出端與集成運 放A的反相輸入端連接，前向光敏晶體管Tf基極輸出電解電流信號。
4. 如權(quán)利要求2所述的電解電流發(fā)生器，其特征在于，所述電流反饋 放大單元還包括低通濾波電路、電阻R3及電容"，低通濾波電路的電阻R2和電容C3相連接，所述D/A轉(zhuǎn)換單元的輸出端通過電阻R2連接所述集成運放A的同相輸入端，集成運放A的輸出端通過限流電阻R3連接所述光電耦合單元 的輸入端，集成運放A的輸出端通過電容C4連接集成運放A的反相輸入端。
5.如權(quán)利要求3所述的電解電流發(fā)生器，其特征在于，所述隔離電 源單元包括隔離電源模塊、濾波器以及負載電阻R4，所述濾波器由線圈L1、電容C5和C6連接組成，所述隔離電源模塊的正輸出端通過所述濾波器與所述前向光敏晶體管Tf的集電極引出端連接，負載電阻R4兩端分別連接隔離電 源模塊的正輸出端與負端，所述電解電流通過滴定池返回隔離電源單元的
6. 如權(quán)利要求1或2或3所述的電解電流發(fā)生器，其特征在于，所述 電解電流發(fā)生器還包括輔助電源單元，該輔助電源單元的輸出端分別與所 述D/A轉(zhuǎn)換單元和光電耦合單元連接。
7. 如權(quán)利要求l所述的電解電流發(fā)生器，其特征在于，所述D/A轉(zhuǎn)換 單元為D/A轉(zhuǎn)換器，其輸入端通過數(shù)據(jù)/控制總線連接到所述單片機接口。
專利摘要本實用新型涉及一種微庫侖分析儀的電解電流發(fā)生器，包括D/A轉(zhuǎn)換單元、電流反饋放大單元、光電耦合單元及隔離電源單元，D/A轉(zhuǎn)換單元將信號傳給光電耦合單元并使該單元的發(fā)光二極管D1發(fā)光，該單元的伺服光敏晶體管Ts和前向光敏晶體管Tf感應(yīng)到二極管D1發(fā)光并產(chǎn)生電流，在隔離電源單元的驅(qū)動下輸出電解電流到微庫侖分析儀的滴定池中，該電流經(jīng)過滴定池返回隔離電源單元的負端。由上過程可看出，由于發(fā)光二極管D1和伺服光敏晶體管Ts與前向光敏晶體管Tf之間具有極小的隔離電容和極高的絕緣電阻，所以就能使電解電流電路和其他電路完全隔離，起到了很好的隔離效果，另外由于本實用新型結(jié)構(gòu)較簡單，故其成本也較低。
文檔編號G01N27/42GK201126436SQ20072019921
公開日2008年10月1日 申請日期2007年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月13日
發(fā)明者楊燦謙, 陳光瑜 申請人:上海化工研究院