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

背景技術(shù)：

在工業(yè)現(xiàn)場，模擬電流輸出可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控電機運行的狀態(tài)，如果采集的信號經(jīng)調(diào)理后是電壓信號并且進行長線傳輸，會產(chǎn)生以下問題：第一，由于傳輸?shù)男盘柺请妷盒盘?，傳輸線會很容易就受到噪聲的干擾；第二，傳輸線的分布電阻會產(chǎn)生電壓降；第三，在現(xiàn)場如何提供儀表放大器的工作電壓也是個問題；為了解決上述問題和避開相關(guān)噪聲的影響，工業(yè)現(xiàn)場大量采用電流來傳輸信號，采用電流信號不容易受干擾。

目前主要解決方案：

1)運放加三極管調(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)標準信號，連續(xù)輸送到接收裝置，成本價格低，使得這一方案的性價比顯得很高，但是受電磁輻射影響較大，對信號輸出有一定影響。

2)集成芯片方案，ADI公司提供一種電流環(huán)變送器驅(qū)動芯片，如AD694?？梢詫⑤斎氲碾妷恨D(zhuǎn)換為電流輸出；這種芯片對開發(fā)4-20mA電流來說是極大的好消息，集成電路抗干擾能力強，極大增強了信號的穩(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傳感器。針對不同種類的電化學傳感器，需要定制專用的調(diào)理電路。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是提供一種電化學傳感器調(diào)理電路，用于解決針對不同種類的電化學傳感器，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，本實用新型提供了一種電化學傳感器調(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傳感器的電流信號采集處理電路和電壓電流轉(zhuǎn)化電路，所述電流信號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)零運算放大器，所述調(diào)零運算放大器的同相輸入端連接所述電流信號采集處理電路，所述調(diào)零運算放大器的反相輸入端設(shè)有一個串聯(lián)分壓電路，所述串聯(lián)分壓電路中設(shè)有一個電位器，所述調(diào)零運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，所述電流信號采集處理電路包括一個采樣電阻，所述采樣電阻用于連接電化學傳感器的感應(yīng)電極。

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

方案七、八：分別在方案三、四的基礎(chǔ)上，所述電流信號采集處理電路還包括一個電流轉(zhuǎn)電壓運算放大器，所述電流轉(zhuǎn)電壓運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)電壓運算放大器的輸出端連接所述調(diào)零運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準電壓電流轉(zhuǎn)換電路；所述跟隨器電路包括一個跟隨器，所述跟隨器的輸入端連接所述調(diào)零運算放大器的輸出端，所述跟隨器的輸出端連接所述標準電壓電流轉(zhuǎn)換電路。

本實用新型的有益效果是：

通過在調(diào)理電路中串設(shè)一個調(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)不同電化學傳感器的輸出。

進一步的，通過設(shè)置一個保護電路對電化學傳感器進行保護，同時減小了電化學傳感器的穩(wěn)定時間。

進一步的，通過在標準電壓電流轉(zhuǎn)換電路前串設(shè)一個跟隨器電路，避免了前端電壓過高損壞后級器件，同時提高了信號的驅(qū)動能力。

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。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及具體的實施例對本實用新型進行詳細說明。

電化學傳感器調(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，該電流信號采集處理電路的輸入端與電化學傳感器P1相連，電流信號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插件P2。其中D1、D2為插件P2的防反接接口。

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

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

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，同時防止電解質(zhì)漏出傳感器。

穿過屏障擴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理或還原機理。這些反應(yīng)由針對被測氣體而設(shè)計的電極材料進行催化。

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

在實際中，由于電極表面連續(xù)發(fā)生電化反應(yīng)，傳感電極電勢并不能保持恒定，在經(jīng)過一段較長時間后，它會導致傳感器性能退化。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。氣體分子與傳感電極發(fā)生反應(yīng)，同時測量反電極，測量結(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目標氣體。

下面就該調(diào)理電路中的各個子電路進行詳細介紹。

1)電流信號采集處理電路

電流信號采集處理電路的電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，該電路由兩個部分組成，上半部分是電化學傳感器的保護電路，主要由場效應(yīng)管Q2(SST177)和運算放大器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連接電化學傳感器P1的參考電極REF，U1A的輸出端與電化學傳感器P1的對電極CE相連。并且，U1A的輸出端與R1和R2的連接點之間跨接有電容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的連接點通過電容C13與電化學傳感器P1的感應(yīng)電極SE相連。場效應(yīng)管Q2的漏極與電化學傳感器P1的參考電極REF相連，場效應(yīng)管Q2的源極與電化學傳感器P1的感應(yīng)電極SE相連，場效應(yīng)管Q2的柵極通過電阻R6連接5V的觸發(fā)電源。

上述保護電路主要目的是，在場效應(yīng)管開關(guān)Q2導通時，運算放大器U1A有一個微小的偏置電壓，保證電化學傳感器不發(fā)生嚴重偏壓，Q2起到了保護傳感器P1的作用，并使電化學傳感器P1在短接后穩(wěn)定時間變短。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連接電化學傳感器P1的感應(yīng)電極SE進行取樣，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采集到的電流信號經(jīng)U1B組成的放大電路將傳感器微弱的電流信號成數(shù)百倍或千倍的放大為電壓信號，并輸出給下一級。

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)零運算放大器U1C和一個分壓電路構(gòu)成。調(diào)零運算放大器U1C的同相輸入端連接電流信號采集處理電路，調(diào)零運算放大器U1C的反相輸入端設(shè)有一個串聯(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)零運算放大器U1C的同相輸入端和電流信號采集處理電路之間還設(shè)有一個低通濾波電路，該低通濾波電路由電阻R8與電容C5組成，用于過濾運放U1B輸出的高頻信號。此時，由電流信號采集處理電路輸出的低頻信號輸入到調(diào)零運算放大器U1C，通過改變電位器W2的電阻，對信號的量程進行調(diào)整，最終使得信號反相并調(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，上半部分是由運放U3單獨組成的跟隨器，由調(diào)零電路輸出的信號經(jīng)該跟隨器進行輸出，使信號受到的影響更加小，提高了信號的抗干擾能力。該電路的下半部分是由AD694電壓轉(zhuǎn)電流模塊的標準電路。由于該標準電路屬于現(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基準電壓。

當然上述各個子電路的具體連接線路以及選用的器件的型號僅是作為一種具體的實施例，在實現(xiàn)相同功能的前提下，也可以進行適當調(diào)整或替換。

上述調(diào)理電路的工作原理如下：

電化學傳感器的保護電路對電化學傳感器P1進行保護，防止傳感器發(fā)生嚴重偏壓現(xiàn)象。電化學傳感器P1的感應(yīng)電極SE輸出的微弱電流信號經(jīng)過由運放U1B組成的放大電路轉(zhuǎn)換為電壓信號，該電壓信號輸入到調(diào)零電路，使量程可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整。經(jīng)過調(diào)整后的電壓信號輸入到由運放U3組成的跟隨器進行限壓，以防止前端電壓過高損壞后級器件，同時提高了電壓信號的驅(qū)動能力。由跟隨器輸出的電壓信號進入專用電壓轉(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。