專利名稱：電化學(xué)檢測(cè)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電化學(xué)檢測(cè)電路，更具體地說(shuō)，涉及檢測(cè)來(lái)自三端電化學(xué)電池的電池電流流動(dòng)的電氣電路。
三端電化學(xué)電池用于各種氣體監(jiān)測(cè)器，并且包括一個(gè)其中引入要分析的氣體的電池和三根隔開(kāi)的電極。三根電極包括一個(gè)跨過(guò)其產(chǎn)生電池電流的主對(duì)、和一根啟動(dòng)在被測(cè)量電池電解液中的預(yù)定點(diǎn)處的電位的參考電極。電池電流與由電池檢測(cè)的化合物或元素的濃度成比例，所述化合物或元素例如可以是一氧化碳。
已知的三端電化學(xué)電池能使用

圖1中所示的電路穩(wěn)定。為了穩(wěn)定電池，必須把分別標(biāo)有“W”和“R”的“工作”和“參考”電極帶到相同電位。不從參考電極取出電流。而是，電流由放大器A1注入標(biāo)有“C”的反電極中，直到參考和工作電極R和W都分別是相同的電位。在反電極和工作電極中流動(dòng)的電流是電池電流，并且由于電池的內(nèi)部操作，該電流與由電池檢測(cè)的化合物的濃度成比例。
參照?qǐng)D1，放大器A1通過(guò)把電流反饋給反電極把參考電極保持在OV。放大器A2把工作電極保持在OV，因?yàn)榉糯笃鰽2負(fù)輸入是處于OV。電池電流由放大器A1驅(qū)動(dòng)，但由放大器A2檢測(cè)，因?yàn)殡姵仉娏魍ㄟ^(guò)電阻器R2以產(chǎn)生電壓Vout。
圖1中所示以前已知的電路的一個(gè)缺點(diǎn)在于，它易于振蕩，因?yàn)槊總€(gè)放大器的虛接地阻抗作為另一個(gè)放大器反饋通路的部分出現(xiàn)。這能在沒(méi)有良好地限定虛接地阻抗之處導(dǎo)致高頻率下的振蕩。
對(duì)于低成本基于微控制器用途的第二個(gè)缺點(diǎn)在于，輸出Vout是在能數(shù)字處理之前必須通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換的模擬電壓。
第三個(gè)缺點(diǎn)在于，盡管當(dāng)檢測(cè)到氣體時(shí)Vout是正的，但反電極負(fù)充電，要求放大器A1的輸出變負(fù)。因此圖1中所示的電路需要正和負(fù)的電源(表示為V+和V-)。
本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種其中克服上述缺點(diǎn)的至少一個(gè)、并且能由諸如電池之類的獨(dú)立直流電源供電的簡(jiǎn)化檢測(cè)電路。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供有一種包括一個(gè)電化學(xué)電池的電化學(xué)電池檢測(cè)電路，該電化學(xué)電池在電解液中具有一根工作電極、一根反電極和一根參考電極，電池如此建造，從而在使用中，當(dāng)把要分析的氣體引入電池中時(shí)，電流在反電極與工作電極之間流動(dòng)，并且在電解液中一個(gè)位置處的電位由參考電極檢測(cè)，該電路進(jìn)一步包括電源裝置，用來(lái)相對(duì)于工作電極向反電極施加一個(gè)偏移電壓；一個(gè)放大器裝置，用來(lái)監(jiān)測(cè)參考電極與工作電極之間的電壓差，并且可在使用中操作以把電流經(jīng)一條反饋回路反饋給工作電極，并由此趨于把工作電極保持為基本上與參考電極相同的電位；及測(cè)量裝置，用來(lái)測(cè)量由放大器反饋給工作電極的電流，作為在工作電極與反電極之間流動(dòng)的電池電流的測(cè)量。
最好測(cè)量裝置包括一個(gè)串聯(lián)連接在放大器的輸出與工作電極之間的電阻器裝置，并且提供用來(lái)測(cè)量跨過(guò)電阻器產(chǎn)生的電壓的裝置。
可選擇的是，測(cè)量裝置包括一個(gè)串聯(lián)連接在放大器的輸出與工作電極之間的電容器；一個(gè)跨過(guò)電容器并聯(lián)連接的開(kāi)關(guān)裝置，所述開(kāi)關(guān)可操作于一個(gè)短路電容器的閉合位置、和一個(gè)允許電容器由通過(guò)放大器反饋給工作電極的電流而充電的斷開(kāi)位置；及一個(gè)比較器，適于在第一輸入處接收放大器的輸出、和在第二輸入處接收參考電壓Vr，所述比較器是可運(yùn)算的，以比較第一和第二輸入，并且當(dāng)所述開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)指示電池電流的輸出信號(hào)。
最好電源裝置包括一個(gè)把正電位施加到反電極上的直流電源。
最好放大器連接在一個(gè)與把正電位施加到反電極上的該直流電源隔離的第二直流電源之間。
最好所述電源裝置包括一個(gè)把正電位施加到反電極上的直流電源，并且比較器和放大器連接在一個(gè)與把正電位施加到反電極上的該直流電源隔離的第二直流電源之間。
來(lái)自比較器的輸出信號(hào)可以是數(shù)字信號(hào)。
可以提供一種把電源中的脈沖注入到反電極中的裝置，以提供一個(gè)試驗(yàn)電路的校正運(yùn)算的裝置。
參照附圖通過(guò)例子將描述本發(fā)明的兩個(gè)實(shí)施例，在附圖中圖1表明一種已知的電化學(xué)檢測(cè)電路，并且以上進(jìn)行了討論。
圖2表明本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，及圖3表明用來(lái)把電池輸出轉(zhuǎn)換成計(jì)時(shí)信號(hào)的本發(fā)明第二實(shí)施例。
參照?qǐng)D2，電化學(xué)電池10具有常規(guī)結(jié)構(gòu)，并且包括一個(gè)向其中引入要監(jiān)測(cè)的氣體的腔室或空腔11。三根隔開(kāi)的電極W、C、R布置在空腔11中。電極R構(gòu)成一根參考電極，并且連接到一個(gè)運(yùn)算放大器A2的一個(gè)輸入12上。放大器的一個(gè)第二輸入13連接到電極W上。放大器A2的輸出14經(jīng)一條包括電阻器R3的反饋回路連接到電極W上。反電極C連接到由電阻器R4和連接到OV線上的二極管D1產(chǎn)生的參考電壓上。
放大器A2經(jīng)電阻器R3反饋電流，以把工作和參考電極W和R分別保持在相同電位。
當(dāng)由電池10檢測(cè)氣體時(shí)，放大器A2的輸出變正，以把正電流輸送到工作電極W中，并且同時(shí)，電極W相對(duì)于反電極C正充電。這兩種效果保證輸出放大器A2相對(duì)于OV線在所有時(shí)間都保持為正。
跨過(guò)R3的電壓是與電池10中的氣體濃度成比例的準(zhǔn)確輸出。如果+V電源由一個(gè)隔電池(未表示)提供，則電阻器R3的端子15、16能作為輸出，一個(gè)端子連接到外部隔離地上。在精度較不重要的場(chǎng)合，檢測(cè)放大器A2相對(duì)于OV線的輸出可能就足夠了，但放大器A2的輸出電壓包括包括由于在工作電極W與反電極C之間的偏移電壓造成的分量。該偏移通常是非常小的伏特分?jǐn)?shù)。
反電極C上的偏移電壓由電阻器R4和二極管D1產(chǎn)生，并且保護(hù)否則對(duì)于相對(duì)于工作電極為正的反電極具有固定(in-built)趨勢(shì)的那些電池。偏移電壓也允許暴露于否則由電池虛假地誘發(fā)相反響應(yīng)的氣體。如果把電池設(shè)計(jì)成具有從反電極C至工作電極W的固定正偏移，則可能不必把偏移電壓加在反電極C上。
一個(gè)基于圖1的試驗(yàn)電路使用一個(gè)Maxim MAX 406放大器和由6伏特電池提供1μA到D1中的R4。R3是12k∑，以在試驗(yàn)下給電池一個(gè)由電池檢測(cè)的一氧化碳的1mV/ppm輸出靈敏度?？傠娏飨氖悄芴峁┒嗄觌姵貕勖?μA。
圖3表示本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，其中來(lái)自電池的輸出轉(zhuǎn)換成計(jì)時(shí)信號(hào)。在圖3中，與圖2中表示的那些類似的元件給出相同的標(biāo)號(hào)。
更詳細(xì)地參照?qǐng)D3，除電池電流不是流經(jīng)電阻器R3，而是當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)流經(jīng)開(kāi)關(guān)S1，或者當(dāng)開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)時(shí)流經(jīng)電容器C2之外，放大器A3以與圖2的放大器A2非常類似的方式操作。
放大器A3的輸出16連接到一個(gè)比較器17的一個(gè)輸入上，并且把參考電壓Vr施加到比較器17的一個(gè)第二輸入上。參考電壓可以由一個(gè)獨(dú)立電路提供，或者能在電阻器R5上取出。
為了測(cè)量電池電流，一個(gè)開(kāi)關(guān)S1首先閉合，由此短路電容器C2。啟動(dòng)一個(gè)計(jì)時(shí)器(未表示)，并且斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S1。電容器C2以與電池電流成比例的速率正充電。當(dāng)放大器A3的輸出電壓等于參考電壓Vr時(shí)，切換比較器17，由此產(chǎn)生一個(gè)代表電池電流的計(jì)時(shí)信號(hào)18。
一個(gè)基于圖3電路的檢測(cè)器將遭受由工作電極W與反電極C之間的電壓偏移造成的小誤差。如果需要較高精度，則例如由一個(gè)射極跟隨器能使參考電壓Vr隨作為緩沖的工作電極電壓而變。
權(quán)利要求
1.一種包括一個(gè)電化學(xué)電池的電化學(xué)電池檢測(cè)電路，該電化學(xué)電池在電解液中具有一根工作電極(w)、一根反電極(c)和一根參考電極(r)，電池如此建造，從而在使用中，當(dāng)把要分析的氣體引入電池中時(shí)，電流在反電極(c)與工作電極(r)之間流動(dòng)，并且在電解液中一個(gè)位置處的電位由參考電極(r)檢測(cè)。其特征在于該電路進(jìn)一步包括一個(gè)電源裝置(12、13、14、15、16、R4、R5、D1)，用來(lái)相對(duì)于工作電極(w)向反電極(c)施加一個(gè)偏移電壓；一個(gè)放大器裝置(A3、A5)，用來(lái)監(jiān)測(cè)參考電極(r)與工作電極(w)之間的電壓差，并且可在使用中操作以把電流經(jīng)一條反饋回路(14、A3)反饋給工作電極(w)，并由此趨于把工作電極(w)保持為基本上與參考電極(r)相同的電位；及測(cè)量裝置(15、16、17、S1、C2、A3)，用來(lái)測(cè)量由放大器(A2、A3)反饋給工作電極(w)的電流，作為在工作電極(w)與反電極(c)之間流動(dòng)的電池電流的測(cè)量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中測(cè)量裝置包括一個(gè)串聯(lián)連接在放大器(A2)的輸出與工作電極(w)之間的電阻器(R3)裝置，并且提供用來(lái)測(cè)量跨過(guò)電阻器(R3)產(chǎn)生的電壓的裝置(15、16)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中測(cè)量裝置(A3)包括一個(gè)串聯(lián)連接在放大器(A3)的輸出與工作電極(w)之間的電容器(C2)；一個(gè)跨過(guò)電容器(C2)并聯(lián)連接的開(kāi)關(guān)裝置(S1)，所述開(kāi)關(guān)(S1)可操作于一個(gè)短路電容器(C2)的閉合位置、和一個(gè)允許電容器(C2)由通過(guò)放大器(A3)反饋給工作電極(w)的電流而充電的斷開(kāi)位置；及一個(gè)比較器(17)，適于在第一輸入(19)處接收放大器(A3)的輸出、和在第二輸入(20)處接收參考電壓Vr，所述比較器(17)是可運(yùn)算的，以比較第一和第二輸入(19、20)，并且當(dāng)所述開(kāi)關(guān)(S1)斷開(kāi)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)指示電池電流的輸出信號(hào)(18)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的電路，其中電源裝置(R5、D1)包括一個(gè)把正電位施加到反電極(c)上的直流電源。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電路，其中放大器(A3)連接在一個(gè)與把正電位施加到反電極(c)上的該直流電源隔離的第二直流電源之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電路，其中所述電源裝置包括一個(gè)把正電位施加到反電極(c)上的直流電源(R5、D1)，并且比較器(17)和放大器(A3)連接在一個(gè)與把正電位施加到反電極(c)上的該直流電源隔離的第二直流電源之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求3或權(quán)利要求6所述的電路，其中來(lái)自比較器(17)的輸出信號(hào)是數(shù)字信號(hào)。
8.根據(jù)以上權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的電路，其中提供把電源中的脈沖注入到反電極(c)中的裝置，以提供一個(gè)試驗(yàn)電路的校正運(yùn)算的裝置。
9.一種基本上如這里參照附圖中的圖2或圖3描述的電路。
全文摘要
一種用于一個(gè)電化學(xué)電池的電化學(xué)電池檢測(cè)電路,該電化學(xué)電池在電解液中具有一根工作電極、一根反電極和一根參考電極,該電池在使用中,當(dāng)把要分析的氣體引入電池中時(shí),產(chǎn)生在反電極與工作電極之間的電流,并且在電解液中一個(gè)位置處的電位由參考電極檢測(cè)。該電路包括:電源裝置(12、13、14、15、16、R4、R5、D1),用來(lái)相對(duì)于工作電極(w)向反電極(c)施加一個(gè)偏移電壓;一個(gè)放大器裝置(A3、A5),用來(lái)監(jiān)測(cè)參考電極(r)與工作電極(w)之間的電壓差,并且可在使用中操作以把電流經(jīng)一條反饋回路反饋給工作電極(w),并由此趨于把工作電極(w)保持為基本上與參考電極(r)相同的電位,該電路包括測(cè)量裝置(15、16、17、S1、R3、C2、A3),用來(lái)測(cè)量由放大器(A2、A3)反饋給工作電極(w)的電流,作為在工作電極(w)與反電極(c)之間流動(dòng)的電池電流的測(cè)量。
文檔編號(hào)G01N27/416GK1254415SQ9880474
公開(kāi)日2000年5月24日 申請(qǐng)日期1998年4月29日 優(yōu)先權(quán)日1997年5月1日
發(fā)明者伊恩·麥克唐納德·格林, 邁克爾·杰克遜 申請(qǐng)人:研究中心實(shí)驗(yàn)室(有限)