Circuito potenciostático electroquímico de tres electrodos
Oxidar o reducir el gas objetivo en el electrodo de trabajo WE, generando una corriente proporcional a la concentración del gas, que se suministra al sensor a través del contraelectrodo CE.
Un circuito potenciostático mantiene un potencial fijo entre el electrodo de referencia RE y el electrodo de trabajo WE. Para un sensor insesgado, el potencial del electrodo de trabajo debe ser consistente con el potencial del electrodo de referencia; para un sensor que requiere polarización, se debe mantener la compensación.
El contraelectrodo CE y el electrodo de trabajo WE completan el circuito juntos, por lo que si el electrodo de trabajo WE se está oxidando, el contraelectrodo CE está reduciendo una determinada especie química (normalmente oxígeno), o si el electrodo de trabajo WE reduce el gas objetivo, el contraelectrodo CE se oxida. Se permite que el potencial del contraelectrodo CE fluctúe a medida que aumenta la concentración de gas. El potencial del contraelectrodo CE no es importante siempre que el circuito del potenciostato pueda proporcionar suficiente voltaje y corriente para mantener el electrodo de trabajo WE al mismo potencial o a una compensación fija con respecto al electrodo de referencia RE.
1. Circuito de control de voltaje de polarización
2. Circuito de medición de corriente (amplificador de transimpedancia)
3. Cuando se apaga la alimentación, el cortocircuito El transistor de efecto de campo del circuito funcionará. El electrodo WE está conectado al electrodo de referencia RE (polarización cero).
El amplificador operacional (IC2 en la Figura 1) se controla para suministrar energía al contraelectrodo CE para equilibrar la corriente. requerido por el electrodo de trabajo WE.
El terminal de entrada inversora de IC2 está conectado al electrodo de referencia RE, y la corriente del electrodo de referencia RE es muy pequeña. Se recomienda utilizar un amplificador operacional con una corriente de polarización de entrada inferior a 5 nA.
Cuando se enciende el circuito, el modo de agotamiento JFET (Q1 en la Figura 1) entra en un estado de alta impedancia y IC2 proporciona corriente para mantener el electrodo de trabajo WE al mismo potencial que el electrodo de referencia RE. Cualquier compensación causada por el voltaje de compensación de entrada en IC2 provocará un cambio repentino en el potencial cuando se encienda. Los sensores de gas tienen capacitancias más grandes y, por lo tanto, pueden fluir corrientes más grandes con poca deriva potencial, así que asegúrese de que el amplificador operacional tenga un voltaje de compensación bajo, preferiblemente menos de 100 µV, y verifique el amplificador operacional con un voltaje de compensación de temperatura de funcionamiento.
Normalmente, para gases oxidables (como el CO) que utilizan un electrodo de referencia de platino RE, la distancia entre el contraelectrodo CE y el potencial de tierra es de -300 a -400 mV, pero si los iones de hidrógeno reemplazan a las moléculas de oxígeno se reduce, el potencial puede ser tan alto como -1,05 V. Además, los gases reductores como el dióxido de nitrógeno o el cloro obligan al contraelectrodo CE a oxidar el agua, liberando oxígeno, en cuyo caso el potencial puede llegar a -1,05 V. El potencial relativo al electrodo de referencia RE se sitúa entre + 600 y + 800 mV, según el tipo de electrodo de referencia RE. Por lo tanto, IC2 debe tener suficiente oscilación para llevar el contraelectrodo CE al potencial requerido, y el sensor necesita suficiente corriente. Si el circuito no logra hacer esto, se producirá una no linealidad extrema en concentraciones más altas. IC2 preferiblemente oscila a ±1,1 V (más cualquier voltaje de polarización aplicado). Esto significa que para un sensor de CO o H2S, normalmente desea que el contraelectrodo CE esté por debajo de -350 mV de tierra, por lo que IC2 necesita un suministro negativo. Si utiliza un suministro de bajo voltaje de un solo extremo, preste especial atención a la oscilación de salida disponible del amplificador operacional a la corriente requerida.
Tenga en cuenta que cuando hay gases eléctricamente activos presentes o cuando se conecta un nuevo sensor por primera vez y se enciende el circuito, el sensor puede generar una sobrecorriente de varios miliamperios, lo que puede causar que IC1 abrazadera, dependiendo de la capacidad de manejo de corriente de IC1 durante transitorios de corriente tan altos, es imposible que IC1 mantenga una tierra virtual en su entrada inversora a través de la resistencia de alta retroalimentación;
Asegúrate de conectar el sensor antes de aplicar energía al circuito.
La estabilidad del circuito y la reducción de ruido del circuito de control dependen de R1, R2, C1 y C2; es posible que algunos amplificadores operacionales no requieran C2. Si no se requiere C2, C1 se puede aumentar entre 10 y 100 nF. Los amplificadores operacionales recomendados son OP90 (amplificador operacional único) y OP 296 (amplificador operacional dual).
Normalmente, los sensores de gas funcionan en modo de polarización cero; sin embargo, algunos sensores, como los sensores de NO, requieren un voltaje de polarización: los sensores de NO generalmente requieren un voltaje de polarización de ±150 o 300 mV. Además, la sensibilidad del sensor a ciertos gases también se puede mejorar aumentando el voltaje de polarización.
Si el sesgo es incorrecto, ¡el rendimiento se degradará! El uso imparcial de circuitos polarizados puede dañar los sensores imparciales.
Si el sensor requiere un voltaje de polarización, asegúrese también de que el voltaje de polarización sea estable: incluso un cambio de unos pocos milivoltios afectará la sensibilidad al gas, mientras que un cambio rápido en el voltaje de polarización afectará sólo producen un microvoltio, lo que puede producir efectos transitorios que duran varias horas.
En la Figura 2 a continuación se muestra un método simple para polarizar un sensor. La resistencia de carga de 10K a tierra se puede quitar para reducir la corriente en Vbias.
El circuito de medición es un amplificador operacional de una sola etapa (IC1) en configuración de transimpedancia; la corriente del sensor se amplifica a través de R4, produciendo un voltaje de salida con respecto a tierra virtual. C3 reduce el ruido de alta frecuencia. A veces es necesario usar un amplificador operacional de dos etapas para proporcionar la salida deseada: la primera etapa usa un valor de resistencia R4 más pequeño para permitir que el circuito cancele la corriente del sensor durante condiciones transitorias, luego la segunda etapa usa una ganancia de voltaje para proporcionar la salida deseada. salida deseada. El voltaje de compensación de entrada de IC1 aumentará el voltaje de polarización del sensor (porque el electrodo de trabajo WE se desviará de 0 V), por lo que la compensación de entrada debe mantenerse baja.
La corriente generada puede ser positiva o negativa: un sensor (como CO) oxidado en el electrodo de trabajo WE generará una corriente en IC2 y también absorberá corriente en el electrodo de trabajo WE (como Cl2 o NO2). Por lo tanto, para el segundo caso, asegúrese de que IC2 tenga suficiente capacidad de absorción de corriente.
El circuito de medición utiliza una combinación de (resistencia de carga (Rload) más resistencia interna del sensor) y (capacitancia interna del sensor) para construir un circuito RC que debe seleccionarse con el tiempo de respuesta más rápido (Rload de baja resistencia); ) y el menor ruido Bueno (alta resistencia Rcarga).
Este circuito RC afecta al ruido rms y al tiempo de respuesta: el tiempo de respuesta aumenta linealmente al aumentar la resistencia Rload, mientras que el ruido disminuye rápidamente al aumentar la resistencia Rload.
Si necesitas la resolución más alta, pierdes un tiempo de respuesta rápido. Del mismo modo, si se requiere un tiempo de respuesta rápido, la única forma de eliminar la fluctuación es reducir la resolución o muestrear la señal más rápido y promediar múltiples lecturas en el software. Debido a la naturaleza de baja impedancia del circuito, es mejor utilizar un amplificador operacional con corriente de bajo ruido (generalmente a expensas del voltaje de ruido) para obtener el mejor rendimiento general del ruido.
Cuando la corriente del sensor fluye a través de Rload, el potencial de polarización del sensor Bias cambiará ligeramente. Esto aumentará el tiempo de estabilización del sensor y requerirá un corto tiempo para volver a estabilizarse, pero excepto en altas concentraciones de gas y alta resistencia a la carga, estos transitorios normalmente no ocurrirán.
Una práctica común es agregar un FET de cortocircuito a un sensor imparcial para que cuando se apaga el circuito, los electrodos de referencia y de trabajo se cortocircuiten entre sí (la resistencia residual es de unas pocas decenas de ohmios). Esto asegura que los electrodos de trabajo y de referencia permanezcan al mismo potencial cuando el circuito está cerrado. Los transistores de efecto de campo de cortocircuito generalmente están apagados mientras la energía esté encendida. Este estado de "compensación cero" garantiza que el sensor esté listo inmediatamente cuando se vuelva a conectar el circuito. Si en lugar de usar un FET de cortocircuito, el sensor se deja abierto cuando se apaga el circuito, el sensor de gas tardará varias horas en estabilizarse la próxima vez que se encienda.
Si el voltaje de polarización se suministra a través de IC2, el sensor tendrá polarización cero cuando se apague el circuito, por lo que cuando vuelva a aplicar el voltaje de polarización, el sensor tardará mucho tiempo (hasta unos pocos horas) para volver a encenderlo y establecer el equilibrio. Para el circuito de polarización, se recomienda mantener el voltaje de polarización en todo momento y no utilizar FET en cortocircuito, lo que no afectará la vida útil del sensor.
El JFET (Q1) debe ser un FET de tipo p. Los tipos de FET recomendados incluyen paquetes de montaje en superficie o TO-92, como se muestra en la Tabla 2 a continuación.