本實(shí)用新型涉及一種電化學(xué)傳感器調(diào)理電路，屬于信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，模擬電流輸出可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控電機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)，如果采集的信號(hào)經(jīng)調(diào)理后是電壓信號(hào)并且進(jìn)行長(zhǎng)線傳輸，會(huì)產(chǎn)生以下問題：第一，由于傳輸?shù)男盘?hào)是電壓信號(hào)，傳輸線會(huì)很容易就受到噪聲的干擾；第二，傳輸線的分布電阻會(huì)產(chǎn)生電壓降；第三，在現(xiàn)場(chǎng)如何提供儀表放大器的工作電壓也是個(gè)問題；為了解決上述問題和避開相關(guān)噪聲的影響，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)大量采用電流來傳輸信號(hào)，采用電流信號(hào)不容易受干擾。

目前主要解決方案：

1)運(yùn)放加三極管調(diào)理電路，可以直接將電壓轉(zhuǎn)換成按線性比例輸出的DC4-20mA恒流環(huán)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，連續(xù)輸送到接收裝置，成本價(jià)格低，使得這一方案的性價(jià)比顯得很高，但是受電磁輻射影響較大，對(duì)信號(hào)輸出有一定影響。

2)集成芯片方案，ADI公司提供一種電流環(huán)變送器驅(qū)動(dòng)芯片，如AD694。可以將輸入的電壓轉(zhuǎn)換為電流輸出；這種芯片對(duì)開發(fā)4-20mA電流來說是極大的好消息，集成電路抗干擾能力強(qiáng)，極大增強(qiáng)了信號(hào)的穩(wěn)定性。

但是，現(xiàn)有的調(diào)理電路大都不適用于不同種類的有毒有害氣體的電化學(xué)傳感器。針對(duì)不同種類的電化學(xué)傳感器，需要定制專用的調(diào)理電路。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是提供一種電化學(xué)傳感器調(diào)理電路，用于解決針對(duì)不同種類的電化學(xué)傳感器，需要定制專用的調(diào)理電路這一技術(shù)問題。

為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供了一種電化學(xué)傳感器調(diào)理電路，包括以下方案：

方案一：該調(diào)理電路包括用于連接電化學(xué)傳感器的電流信號(hào)采集處理電路和電壓電流轉(zhuǎn)化電路，所述電流信號(hào)采集處理電路和電壓電流轉(zhuǎn)化電路之間還串設(shè)有調(diào)零電路；所述調(diào)零電路包括調(diào)零運(yùn)算放大器，所述調(diào)零運(yùn)算放大器的同相輸入端連接所述電流信號(hào)采集處理電路，所述調(diào)零運(yùn)算放大器的反相輸入端設(shè)有一個(gè)串聯(lián)分壓電路，所述串聯(lián)分壓電路中設(shè)有一個(gè)電位器，所述調(diào)零運(yùn)算放大器的反相輸入端連接所述電位器的輸出端。

方案二：在方案一的基礎(chǔ)上，所述調(diào)零運(yùn)算放大器的同相輸入端還設(shè)置有低通濾波電路。

方案三、四：分別在方案一、二的基礎(chǔ)上，所述電流信號(hào)采集處理電路包括一個(gè)采樣電阻，所述采樣電阻用于連接電化學(xué)傳感器的感應(yīng)電極。

方案五、六：分別在方案三、四的基礎(chǔ)上，所述電流信號(hào)采集處理電路還包括一個(gè)用于保護(hù)電化學(xué)傳感器的保護(hù)電路，所述保護(hù)電路包括一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管和保護(hù)運(yùn)算放大器；所述場(chǎng)效應(yīng)管的漏極用于連接電化學(xué)傳感器的參考電極，所述場(chǎng)效應(yīng)管的源極用于連接電化學(xué)傳感器的感應(yīng)電極，所述場(chǎng)效應(yīng)管的柵極用于連接觸發(fā)電源；所述保護(hù)運(yùn)算放大器的同相輸入端用于連接參考電壓，所述保護(hù)運(yùn)算放大器的反相輸入端用于連接電化學(xué)傳感器的參考電極，所述保護(hù)運(yùn)算放大器的輸出端用于連接電化學(xué)傳感器的對(duì)電極。

方案七、八：分別在方案三、四的基礎(chǔ)上，所述電流信號(hào)采集處理電路還包括一個(gè)電流轉(zhuǎn)電壓運(yùn)算放大器，所述電流轉(zhuǎn)電壓運(yùn)算放大器的同相輸入端用于連接參考電壓，所述電流轉(zhuǎn)電壓運(yùn)算放大器的反相輸入端與所述采樣電阻相連，所述電流轉(zhuǎn)電壓運(yùn)算放大器的輸出端連接所述調(diào)零運(yùn)算放大器的同相輸入端。

方案九、十：分別在方案一、二的基礎(chǔ)上，所述電壓電流轉(zhuǎn)化電路包括跟隨器電路以及標(biāo)準(zhǔn)電壓電流轉(zhuǎn)換電路；所述跟隨器電路包括一個(gè)跟隨器，所述跟隨器的輸入端連接所述調(diào)零運(yùn)算放大器的輸出端，所述跟隨器的輸出端連接所述標(biāo)準(zhǔn)電壓電流轉(zhuǎn)換電路。

本實(shí)用新型的有益效果是：

通過在調(diào)理電路中串設(shè)一個(gè)調(diào)零電路，使變送器的量程可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整，以適應(yīng)不同電化學(xué)傳感器的輸出。

進(jìn)一步的，通過設(shè)置一個(gè)保護(hù)電路對(duì)電化學(xué)傳感器進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)減小了電化學(xué)傳感器的穩(wěn)定時(shí)間。

進(jìn)一步的，通過在標(biāo)準(zhǔn)電壓電流轉(zhuǎn)換電路前串設(shè)一個(gè)跟隨器電路，避免了前端電壓過高損壞后級(jí)器件，同時(shí)提高了信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。

附圖說明

圖1是調(diào)理電路的整體電路結(jié)構(gòu)圖；

圖2是電流信號(hào)采集處理電路的電路結(jié)構(gòu)圖；

圖3是調(diào)零電路的電路結(jié)構(gòu)圖；

圖4是電壓電流轉(zhuǎn)化電路的電路結(jié)構(gòu)圖；

圖5是調(diào)理電路的供電電源電路的電路結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及具體的實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。

電化學(xué)傳感器調(diào)理電路的整體電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，該調(diào)理電路包括電流信號(hào)采集處理電路、調(diào)零電路、電壓電流轉(zhuǎn)化電路以及供電電源電路。其中，該電流信號(hào)采集處理電路的輸入端與電化學(xué)傳感器P1相連，電流信號(hào)采集處理電路的輸出端與調(diào)零電路的輸入端相連，調(diào)零電路的輸出端與電壓電流轉(zhuǎn)化電路的輸入端相連，電壓電流轉(zhuǎn)化電路的輸出端用于連接一個(gè)插件P2。其中D1、D2為插件P2的防反接接口。

在本實(shí)施例中，電化學(xué)傳感器P1可選擇是型號(hào)為：NH3/MR-100、H2/C-2000、CO/CF-1000、SO2-D4、H2S-AE等電化學(xué)傳感器。其中，電化學(xué)傳感器原理如下：

電化學(xué)傳感器通過與被測(cè)氣體發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電信號(hào)來工作。典型的電化學(xué)傳感器由傳感電極(或工作電極)和反電極組成，并由一個(gè)薄電解層隔開。

氣體首先通過微小的毛管型開孔與傳感器發(fā)生反應(yīng)，然后是疏水屏障層，最終到達(dá)電極表面。采用這種方法可以允許適量氣體與傳感電極發(fā)生反應(yīng)，以形成充分的電信號(hào)，同時(shí)防止電解質(zhì)漏出傳感器。

穿過屏障擴(kuò)散的氣體與傳感電極發(fā)生反應(yīng)，傳感電極可以采用氧化機(jī)理或還原機(jī)理。這些反應(yīng)由針對(duì)被測(cè)氣體而設(shè)計(jì)的電極材料進(jìn)行催化。

通過電極間連接的電阻器，與被測(cè)氣濃度成正比的電流會(huì)在正極與負(fù)極間流動(dòng)。測(cè)量該電流即可確定氣體濃度。由于該過程中會(huì)產(chǎn)生電流，電化學(xué)傳感器又常被稱為電流氣體傳感器或微型燃料電池。

在實(shí)際中，由于電極表面連續(xù)發(fā)生電化反應(yīng)，傳感電極電勢(shì)并不能保持恒定，在經(jīng)過一段較長(zhǎng)時(shí)間后，它會(huì)導(dǎo)致傳感器性能退化。為改善傳感器性能，人們引入了參考電極。

參考電極安裝在電解質(zhì)中，與傳感電極鄰近。固定的穩(wěn)定恒電勢(shì)作用于傳感電極。參考電極可以保持傳感電極上的這種固定電壓值。參考電極間沒有電流流動(dòng)。氣體分子與傳感電極發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)測(cè)量反電極，測(cè)量結(jié)果通常與氣體濃度直接相關(guān)。施加于傳感電極的電壓值可以使傳感器針對(duì)目標(biāo)氣體。

下面就該調(diào)理電路中的各個(gè)子電路進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1)電流信號(hào)采集處理電路

電流信號(hào)采集處理電路的電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，該電路由兩個(gè)部分組成，上半部分是電化學(xué)傳感器的保護(hù)電路，主要由場(chǎng)效應(yīng)管Q2(SST177)和運(yùn)算放大器U1A(OPA4336)以及電容電阻組成。其中，U1A的同相輸入端通過串聯(lián)連接的電阻R3和R19連接2.5V參考電壓，U1A的反相輸入端通過串聯(lián)連接的電阻R1和R2連接電化學(xué)傳感器P1的參考電極REF，U1A的輸出端與電化學(xué)傳感器P1的對(duì)電極CE相連。并且，U1A的輸出端與R1和R2的連接點(diǎn)之間跨接有電容C1(100nf)，U1A的輸出端和反相輸入端之間跨接有電容C2(10nf)。電阻R3和R19的連接點(diǎn)通過電容C13與電化學(xué)傳感器P1的感應(yīng)電極SE相連。場(chǎng)效應(yīng)管Q2的漏極與電化學(xué)傳感器P1的參考電極REF相連，場(chǎng)效應(yīng)管Q2的源極與電化學(xué)傳感器P1的感應(yīng)電極SE相連，場(chǎng)效應(yīng)管Q2的柵極通過電阻R6連接5V的觸發(fā)電源。

上述保護(hù)電路主要目的是，在場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)Q2導(dǎo)通時(shí)，運(yùn)算放大器U1A有一個(gè)微小的偏置電壓，保證電化學(xué)傳感器不發(fā)生嚴(yán)重偏壓，Q2起到了保護(hù)傳感器P1的作用，并使電化學(xué)傳感器P1在短接后穩(wěn)定時(shí)間變短。常態(tài)下Q1為連通狀態(tài)，在通電狀態(tài)下Q1斷開。

圖2的下半部分是由運(yùn)放U1B組成的放大電路，U1B的反相輸入端通過采樣電阻R5連接電化學(xué)傳感器P1的感應(yīng)電極SE進(jìn)行取樣，U1B的同相輸入端通過電阻R7連接2.5V參考電壓。由采樣電阻R5采集到的電流信號(hào)經(jīng)U1B組成的放大電路將傳感器微弱的電流信號(hào)成數(shù)百倍或千倍的放大為電壓信號(hào)，并輸出給下一級(jí)。

2)調(diào)零電路

調(diào)零電路的電路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，該調(diào)零電路主要由調(diào)零運(yùn)算放大器U1C和一個(gè)分壓電路構(gòu)成。調(diào)零運(yùn)算放大器U1C的同相輸入端連接電流信號(hào)采集處理電路，調(diào)零運(yùn)算放大器U1C的反相輸入端設(shè)有一個(gè)串聯(lián)分壓電路，該串聯(lián)分壓電路由2.5V參考電壓、電位器W2、電阻R9和R10串聯(lián)構(gòu)成，調(diào)零運(yùn)算放大器U1C的反相輸入端連接電位器W2的輸出端。調(diào)零運(yùn)算放大器U1C的反相輸入端和輸出端之間還串聯(lián)有電阻R17，R17的兩端并聯(lián)有電容C6。

另外，調(diào)零運(yùn)算放大器U1C的同相輸入端和電流信號(hào)采集處理電路之間還設(shè)有一個(gè)低通濾波電路，該低通濾波電路由電阻R8與電容C5組成，用于過濾運(yùn)放U1B輸出的高頻信號(hào)。此時(shí)，由電流信號(hào)采集處理電路輸出的低頻信號(hào)輸入到調(diào)零運(yùn)算放大器U1C，通過改變電位器W2的電阻，對(duì)信號(hào)的量程進(jìn)行調(diào)整，最終使得信號(hào)反相并調(diào)零輸出。

3)電壓電流轉(zhuǎn)化電路

電壓電流轉(zhuǎn)化電路的電路結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，該電路由上下兩部分組成，上半部分是由運(yùn)放U3單獨(dú)組成的跟隨器，由調(diào)零電路輸出的信號(hào)經(jīng)該跟隨器進(jìn)行輸出，使信號(hào)受到的影響更加小，提高了信號(hào)的抗干擾能力。該電路的下半部分是由AD694電壓轉(zhuǎn)電流模塊的標(biāo)準(zhǔn)電路。由于該標(biāo)準(zhǔn)電路屬于現(xiàn)有技術(shù)，此處不再贅述。

4)供電電源電路

調(diào)理電路的供電電源電路的電路結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，由LM2936電壓轉(zhuǎn)換芯片即Q1將+24V供電電源轉(zhuǎn)換為+5V系統(tǒng)電壓，再經(jīng)LM336將+5V生成2.5V基準(zhǔn)電壓。

當(dāng)然上述各個(gè)子電路的具體連接線路以及選用的器件的型號(hào)僅是作為一種具體的實(shí)施例，在實(shí)現(xiàn)相同功能的前提下，也可以進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整或替換。

上述調(diào)理電路的工作原理如下：

電化學(xué)傳感器的保護(hù)電路對(duì)電化學(xué)傳感器P1進(jìn)行保護(hù)，防止傳感器發(fā)生嚴(yán)重偏壓現(xiàn)象。電化學(xué)傳感器P1的感應(yīng)電極SE輸出的微弱電流信號(hào)經(jīng)過由運(yùn)放U1B組成的放大電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)輸入到調(diào)零電路，使量程可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整。經(jīng)過調(diào)整后的電壓信號(hào)輸入到由運(yùn)放U3組成的跟隨器進(jìn)行限壓，以防止前端電壓過高損壞后級(jí)器件，同時(shí)提高了電壓信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。由跟隨器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)入專用電壓轉(zhuǎn)電流電路，最終將傳感器的量程轉(zhuǎn)換為4-20mA電流輸出，最后該4-20mA的電流通過插件或者直接輸出。