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電化學(xué)傳感器的工作原理
更新時(shí)間:2024-02-01 點(diǎn)擊次數(shù):2544

  早的電化學(xué)傳感器可以追溯到20世紀(jì)50年代,當(dāng)時(shí)用于氧氣監(jiān)測(cè)。到了20世紀(jì)80年代中期,小型電化學(xué)傳感器開始用于檢測(cè)PEL范圍內(nèi)的多種不同有毒氣體,并顯示出了良好的敏感性與選擇性。目前,為保護(hù)人身安全起見,各種電化學(xué)傳感器廣泛應(yīng)用于許多靜態(tài)與移動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)合。

  工作原理

  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),然后是憎水屏障,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)生電化發(fā)應(yīng),傳感電極電勢(shì)并不能保持恒定,在經(jīng)過一段較長時(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。

  電化學(xué)傳感器包含以下主要元件:

  A. 透氣膜(也稱為憎水膜):透氣膜用于覆蓋傳感(催化)電極,在有些情況下用于控制到達(dá)電極表面的氣體分子量。此類屏障通常采用低孔隙率特氟隆薄膜制成。這類傳感器稱為鍍膜傳感器。或者,也可以用高孔隙率特氟隆膜覆蓋,而用毛管控制到達(dá)電極表面的氣體分子量。此類傳感器稱為毛管型傳感器。除為傳感器提供機(jī)械性保護(hù)之外,薄膜還具有濾除不需要的粒子的功能。為傳送正確的氣體分子量,需要選擇正確的薄膜及毛管的孔徑尺寸??讖匠叽鐟?yīng)能夠允許足量的氣體分子到達(dá)傳感電極??讖匠叽邕€應(yīng)該防止液態(tài)電解質(zhì)泄漏或迅速燥結(jié)。

  B. 電極:選擇電極材料很重要。電極材料應(yīng)該是一種催化材料,能夠執(zhí)行在長時(shí)間內(nèi)執(zhí)行半電解反應(yīng)。通常,電極采用貴金屬制造,如鉑或金,在催化后與氣體分子發(fā)生有效反應(yīng)。視傳感器的設(shè)計(jì)而定,為完成電解反應(yīng),三種電極可以采用不同材料來制作。

  C. 電解質(zhì):電解質(zhì)必須有夠促進(jìn)電解反應(yīng),并有效地將離子電荷傳送到電極。它還必須與參考電極形成穩(wěn)定的參考電勢(shì)并與傳感器內(nèi)使用的材料兼容。如果電解質(zhì)蒸發(fā)過于迅速,傳感器信號(hào)會(huì)減弱。

  D. 過濾器:有時(shí)候傳感器前方會(huì)安裝洗滌式過濾器以濾除不需要的氣體。過濾器的選擇范圍有限,每種過濾器均有不同的效率度數(shù)。多數(shù)常用的濾材是活性炭,如圖5所示。活性炭可以濾除多數(shù)化學(xué)物質(zhì),但不能濾除一氧化碳。通過選擇正確的濾材,電化學(xué)傳感器對(duì)其目標(biāo)氣體可以具有更高的選擇性。

  電化傳感器的制造方法多種多樣,終取決于要檢測(cè)的氣體和。然而,傳感器的主要特性在本質(zhì)上非常相似。以下介紹電化傳感器的一些共同特性:

  1.在三電極傳感器上,通常由一個(gè)跳線來連接工作電極和參考電極。如果在儲(chǔ)存過程中將其移除, 則傳感器需要很長時(shí)間來保持穩(wěn)定并準(zhǔn)備使用。某些傳感器要求電極之間存在偏壓,而且在這種情況下,傳感器在出廠時(shí)帶有九伏電池供電的電子電路。傳感器穩(wěn)定需要30分鐘至24小時(shí),并需要三周時(shí)間來繼續(xù)保持穩(wěn)定。

  2.多數(shù)有毒氣體傳感器需要少量氧氣來保持功能正常。傳感器背面有一個(gè)通氣孔以達(dá)到該目的。建議在使用非氧氣背景氣應(yīng)用場(chǎng)合中與執(zhí)行復(fù)檢。

  3.傳感器內(nèi)電池的電解質(zhì)是一種水溶劑,用憎水屏障予以隔離,憎水屏障具有防止水溶劑泄漏的作用。然而,和其它氣體分子一樣,水蒸汽可以穿過憎水屏障。在大濕度條件下,長時(shí)間暴露可能導(dǎo)致過量水分蓄積并導(dǎo)致泄漏。在低潮濕條件下,傳感器可能燥結(jié)。設(shè)計(jì)用于監(jiān)控高濃度氣體的傳感器具有較低孔率屏障以限制通過的氣體分子量,因此它不受濕度影響,和用于監(jiān)控低濃度氣體的傳感器一樣,這種傳感器具有較高孔率屏障并允許氣體分子自由流動(dòng)。

  壓力與溫度

  電化學(xué)傳感器受壓力變化的影響極小。然而,由于傳感器內(nèi)的壓差可能損壞傳感器,因此整個(gè)傳感器必須保持相同的壓力。電化學(xué)傳感器對(duì)溫度也非常敏感,因此通常采取內(nèi)部溫度補(bǔ)償。但好盡量保持標(biāo)準(zhǔn)溫度。

  一般而言,在溫度高于25°C時(shí),傳感器讀數(shù)較高;低于25°C時(shí),讀數(shù)較低。溫度影響通常為每攝氏度0.5%1.0%,視和傳感器類型而定。

  選擇性

  電化學(xué)傳感器通常對(duì)其目標(biāo)氣體具有較高的選擇性。選擇性的程度取決于傳感器類型、目標(biāo)氣體以及傳感器要檢測(cè)的氣體濃度。好的電化學(xué)傳感器是檢測(cè)氧氣的傳感器,它具有良好的選擇性、可靠性和較長的預(yù)期壽命。其它電化學(xué)傳感器容易受到其它氣體的干擾。干擾數(shù)據(jù)是利用相對(duì)較低的氣體濃度計(jì)算得出。在實(shí)際應(yīng)用中,干擾濃度可能很高,會(huì)導(dǎo)致讀數(shù)錯(cuò)誤或誤報(bào)警。

  預(yù)期壽命

  電化學(xué)傳感器的預(yù)期壽命取決于幾個(gè)因素,包括要檢測(cè)的氣體和傳感器的使用環(huán)境條件。一般而言,規(guī)定的預(yù)期壽命為一至三年。在實(shí)際中,預(yù)期壽命主要取決于傳感器使用中所暴露的氣體總量以及其它環(huán)境條件,如溫度、壓力和濕度。

  小結(jié)

  電化學(xué)傳感器對(duì)工作電源的要求很低。實(shí)際上,在氣體監(jiān)測(cè)可用的所有傳感器類型中,它們的功耗是低的。因此,這種傳感器廣泛用于包含多個(gè)傳感器的移動(dòng)儀器中。它們是有限空間應(yīng)用場(chǎng)合中使用多的傳感器。

  傳感器的預(yù)期壽命由其根據(jù)他們認(rèn)為正常的條件進(jìn)行預(yù)測(cè)。然而,傳感器的預(yù)期壽命很大程度上取決于環(huán)境污染、溫度及其暴露的濕度。

  典型的電化學(xué)傳感器的規(guī)格

  傳感器類型:23電極,通常為3電極

  范圍:可允許暴露極限的2-10

  預(yù)期壽命:正常為1224個(gè)月,取決于與傳感器

  溫度范圍:–40°C+45°C

  相對(duì)濕度:15-95%,無凝露

  響應(yīng)時(shí)間:< 50

  偏移:每月下移2%

 

 

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