用于電化學(xué)傳感器的恒電位電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請涉及驅(qū)動電化學(xué)傳感器的電路和方法。更具體地，本申請涉及由相應(yīng)的傳感器所產(chǎn)生的功率部分或全部供電的電路。
【背景技術(shù)】
[0002]功率消耗是關(guān)于電化學(xué)傳感器的問題。常規(guī)恒電位器必須向傳感器提供電流，即使傳感器將能夠在簡單的二電極負載電阻器電路中操作時產(chǎn)生其自己的電流。
[0003]常規(guī)恒電位器主動迫使電流穿過計數(shù)器/工作電極電路，以便維持在工作和參考電極之間的期望電位差?；诶玟\或錫的金屬的自耗陽極氧傳感器遭受由于感測電極被驅(qū)動到它們可析出氫的電位而引起的問題。效果在升高的溫度下變得更壞。在感測電極上的析氫也導(dǎo)致背景電流、陽極的額外消耗以及與從傳感器排出所析出的氫有關(guān)的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種控制電化學(xué)傳感器的方法，包括:操作所述傳感器并產(chǎn)生傳感器電壓；以及進行將基本上固定的負載電阻耦合到所述傳感器或?qū)㈦娮拥乜勺兊呢撦d電阻耦合到所述傳感器之一，并調(diào)節(jié)電阻以便維持選定的傳感器電壓，其中來自所述傳感器的電能耦合到所述固定的負載電阻或所述可變的負載電阻。
[0005]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種裝置，包括:電化學(xué)傳感器，其被攜帶在殼體中，攜帶在所述殼體上的兩個端子耦合到相應(yīng)的傳感器電極；以及攜帶在所述殼體中的傳感器輸出電壓建立電路，其被所述傳感器耦合并供電。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，提供了一種電化學(xué)檢測器，包括:電化學(xué)傳感器；以及以下中的至少一個:包括耦合到所述傳感器以維持選定傳感器電壓的電子地可變的負載電阻的有源電壓控制電路，或產(chǎn)生跨所述傳感器的電壓降的電子部件，其中所述電壓降足以在所述傳感器的正常操作電流范圍上防止析氫而不引起過度的活動性損失，且其中功率是至少部分地從所述傳感器得到的。
【附圖說明】
[0007]圖1是其動態(tài)實施例的一個實施例的示意圖；
圖2是其另一實施例的示意圖；
圖3是其又另一實施例的示意圖；
圖4是靜態(tài)實施例的示意圖；
圖5是另一靜態(tài)實施例的不意圖；以及圖6是示出有和沒有如本文公開的電路的傳感器性能的曲線圖。
【具體實施方式】
[0008]雖然所公開的實施例可采取很多不同的形式，但是其中的特定實施例在附圖中示出，且將在本文被詳細描述，應(yīng)理解的是，本公開應(yīng)被考慮為其原理的范例以及實施其的最佳模式，且并不意圖將其權(quán)利要求限制到所示的特定實施例。
[0009]在其中的一個方面中，與包括電化學(xué)傳感器特別是氣體傳感器的檢測器相關(guān)的功率消耗可有利地減少。其中的電化學(xué)實施例可包括兩個、三個或更多個電極。
[0010]可利用下列事實:電化學(xué)傳感器可產(chǎn)生其自己的功率。該功率中的一些可用于給相關(guān)電路供電。例如其值被主動或被動地調(diào)節(jié)的晶體管或二極管的電子地可變的負載電阻可用于維持在工作和參考電極之間的期望電位。該電路可使用由相應(yīng)的傳感器產(chǎn)生的功率。它有利地不主動向傳感器施加功率。它從它正調(diào)整的傳感器接收其功率要求，以便調(diào)節(jié)電子地可變的電阻設(shè)備。在一些實施例中，反饋放大器也可至少部分地從相應(yīng)的傳感器所產(chǎn)生的功率或從單獨的源被供電。
[0011]因為在其中的實施例中，驅(qū)動電能來自傳感器本身，最大電壓和電流由傳感器確定。具體地，這意味著不可能在偏壓下操作傳感器，該偏壓在由傳感器的零(即，短路)和開路電壓定界的范圍之外。此外，因為開路電壓被接近，可用電流降低了。
[0012]在可替代實施例中，包括例如二極管的部件的“無源”系統(tǒng)可用于產(chǎn)生跨例如氧傳感器的傳感器的電壓降。例如，在一些實施例中，“無源”系統(tǒng)可包括不活動且不包括晶體管的系統(tǒng)。在該配置中，電壓降優(yōu)選地足以防止析氫，而不引起在傳感器的正常操作電流范圍上的活動性的過度損失。
[0013]上述方法可應(yīng)用于自診斷電路，其中期望通過在不同偏壓處的操作來故意將電極反應(yīng)的速率減小到正常使用的速率。例如，對于兩個電極自耗鉛陽極氧傳感器，可通過改變傳感器偏壓來得到有用的診斷，以便減小電極活動性。通常這將需要有源恒電位電路的使用，然而，這需要功率消耗，并因此是不合乎期望的，因為氧傳感器通常在負載電阻器內(nèi)操作且不需要外部功率。使用本方法和電路，這樣的傳感器可以被恒電位地控制，而不明顯增加功率消耗。
[0014]在圖1中示出電化學(xué)檢測器10的一種可能的示例性實現(xiàn)。在圖1中，檢測器10包括攜帶電化學(xué)氣體傳感器14的殼體12。傳感器14包括計數(shù)器電極14a、工作電極14b和參考電極14c。
[0015]部件20是電子地可調(diào)節(jié)的可變電阻的某種形式。這可例如是晶體管(雙極或場效應(yīng))或電子地可調(diào)節(jié)的電位計。例如，諸如模擬設(shè)備AD5258或類似設(shè)備的數(shù)字電位計，或電子地可調(diào)節(jié)的機械可變電阻器或產(chǎn)生其電阻可被電子地調(diào)節(jié)的設(shè)備的任何其它裝置。
[0016]部件22包括數(shù)字或模擬比較器。它測量在參考電極14c和工作電極14b之間發(fā)展的電壓，并在線22a上輸出信號以調(diào)節(jié)部件20的電阻。部件22調(diào)節(jié)部件20的電阻以確保在工作和參考電極14b、c之間的偏壓保持等于期望偏壓24。在很多應(yīng)用中，偏壓24為零，如本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將理解的。部件22可被實現(xiàn)為模擬設(shè)備，例如運算放大器?？商娲?，可使用數(shù)字設(shè)備，例如在22b處指示的微控制器。
[0017]實際中，所需的偏壓24根據(jù)傳感器電流可以是可變的。例如，傳感器14可被制造成在一狀況(regime)中操作，該狀況在介于開路恒電位設(shè)備的狀況與完全恒電位控制的測量電流設(shè)備的狀況之間的某處。如同常規(guī)恒電位器一樣，圖1的電路可通過將相應(yīng)于電極14a、14c的“參考”和“計數(shù)器”端子連接在一起來在2電極模式中使用，并且也可容易擴展以包括額外的工作電極。
[0018]也可提供用于測量由傳感器14產(chǎn)生的電流的電路。電流跟隨器的使用不是合乎期望的，因為它是有源電流吸收器，且因此需要提供等于正被測量的電流的電流。測量電流的可能電路包括但不限于:與工作或計數(shù)器電極串聯(lián)的、具有測量跨其發(fā)展的電壓的裝置的固定電阻器，或如果可變電阻設(shè)備20的電阻是已知的(如可以是如果例如它是電子地可控制的機械或固態(tài)電位計的情況)或如果它的電阻可基于施加到它的電壓而被計算(如可以是例如具有場效應(yīng)晶體管的情況)，則可從跨其發(fā)展的電壓計算流經(jīng)設(shè)備20的電流。
[0019]如果可變電阻設(shè)備20是雙極晶體管，則可從基極電流或基極電壓的測量計算它的電流，如果它的特性被良好限定。在一些情況(特別是其中可變電阻設(shè)備20是雙極或場效應(yīng)晶體管)下，可能需要與可變電阻設(shè)備20相同的類型的第二匹配設(shè)備來補償溫度影響?？商娲?，可使用外部溫度補償電路。對于一些應(yīng)用一例如用于在存儲中時在正確的偏壓條件下維持傳感器的“偏壓板”，測量傳感器電流可能不是必要的。然而，這樣的電路將仍然受益于較長的電池壽命。
[0020]圖2示出配置有用于現(xiàn)有的2電極自耗陽極氧傳感器的“混入(drop in)”替換14-2的檢測器10-2的實現(xiàn)。圖2中相應(yīng)于圖1的之前討論的元件的元件被分配相同的標(biāo)識數(shù)字且不需要被再次討論。當(dāng)前測量部件30 (—般是電阻器或有時是電流跟隨器)在傳感器封裝14-2外部。可以被溫度補償?shù)膮⒖忌稍?4耦合到比較器22。
[0021]如本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將理解的，在圖2中，沒有明確示出運算放大器22的電源——它可由小鈕扣電池或類似的電池提供，這是因為對運算放大器的功率要求小。例如，如果模擬設(shè)備型號AD8500的低功率低電壓運算放大器用于以I微安為運算放大器22連續(xù)供電5年，則僅僅需要44毫安培小時。這可由單個鋰鈕扣電池實現(xiàn)，鋰紐扣電池的直徑(12.5mm)將方便地安放在City Technology 4系列傳感器殼體內(nèi)，且只占據(jù)2.5mm的高度?？稍趩蝹€1.5V電池上操作的運算放大器現(xiàn)在是可用的，這允許電池尺寸有可能進一步減小。
[0022]在比較中，使用10uA的標(biāo)稱傳感器電流操作具有常規(guī)供電的恒電位電路的氧傳感器14五年將需要大約4.4安培小時。這需要顯著大于4-系列傳感器封裝的電池。
[0023]在圖3中示出另一實現(xiàn)10-3。在實施例10-3中，來自傳感器14的能量被轉(zhuǎn)向以給調(diào)節(jié)運算放大器22的電阻供電。殼體12-3攜帶檢測器10-3。
[0024]傳感器14和控制電路22a包含在具有2管腳連接的殼體14_3內(nèi)，并可被制造為用于現(xiàn)有2管腳自耗陽極傳感器的機械和電氣混入替換，如上面關(guān)于圖2所討論的。例如負載電阻器30的阻抗元件、例如運算放大器電流跟隨器電路的有源阻抗元件或任何其它適當(dāng)?shù)碾娏鳒y量電路在殼體和集成傳感器14-3外部，如對氧傳感器的當(dāng)前一般慣例一樣。電壓參考24限定跨傳感器14要維持的電位以避免析氫或活動性問題，并如果需要的話可設(shè)計成隨著溫度而改變。傳輸晶體管(pass transistor) 20用于產(chǎn)生所需的跨傳感器14的電壓降，且可以是零電壓閾值金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(mosfet)或類似物。
[0025]運算放大器22驅(qū)動傳輸晶體管20以維持跨傳感器14的期望電壓。如上面討論的，運算放大器22可以是集成設(shè)備或可從分立零閾值mosfet或類似部件構(gòu)建，而不偏離其精神和范圍。運算放大器22可直接從跨傳感器的超額電壓被供電，在這種情況下，它的正電源22c連接到在14a處的傳感器的正端子，且它的負電源22d優(yōu)選地連接到如所示的輸出管腳14b，使得流經(jīng)運算放大器22的電流仍然由外部電路30測量，因為它是來自需要被測量的傳感器的總電流。
[0026]可替代地，運算放大器可從傳感器中的單獨電極或內(nèi)部電池被供電，在這種情況下，來自運算放大器22的負電源22d應(yīng)替代地直接連接到傳感器14的在14b處的負管腳，使得流經(jīng)運算放大器22的電流不添加到所測量的輸出電流。這樣的電路可適合于三電極系統(tǒng)，如本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將理解的，其通過將圖3中的運算放大器22的輸入22e連接到參考電極14c而不是感測電極而除了常見的感測和計數(shù)器電極以外還具有參考電極。在又另一方面中，可提供升壓電路來從較低的傳感器電壓產(chǎn)生適當(dāng)高的電源電壓，以激勵運算放大器。
[0027]如上面關(guān)于圖1-3討論的，可提供有源電路來維持恒定電壓配置?？商娲膶嵤├峁﹤鞲衅髋渲?，其合并一個或多個無源部件以提供僅具有兩個與傳感器串聯(lián)的端子的溫度補償自供電電路。應(yīng)認(rèn)識到，鋅陽