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電化學(xué)氣體傳感器原理與應(yīng)用
- 作者: 富凱特
- 來源: 本公司創(chuàng)作
- 日期 : 2018-02-02
電化學(xué)氣體傳感器原理與應(yīng)用
最早的電化學(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。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)與移動應(yīng)用場合。
一、工作原理
電化學(xué)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(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，最終到達(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，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)由針對被測氣體而設(shè)計(jì)的電極材料進(jìn)行催化。
通過電極間連接的電阻器，與被測氣濃度成正比的電流會在正極與負(fù)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(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)，傳感電極電勢并不能保持恒定，在經(jīng)過一段較長時(shí)間后，它會導(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(shí)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(biāo)氣體。
二、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?；蛘撸部梢杂酶呖紫堵侍胤∧じ采w，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，傳感器信號會減弱。
D. 過濾器：有時(shí)候傳感器前方會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?；钚蕴靠梢詾V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，最終取決于要檢測的氣體和制造商。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)用場合中與制造商執(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。
三、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)傳感器對溫度也非常敏感，因此通常采取內(nèi)部溫度補(bǔ)償。但最好盡量保持標(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%至1.0%，視制造商和傳感器類型而定。
四、選擇性
電化學(xué)傳感器通常對其目標(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的氣體濃度。最好的電化學(xué)傳感器是檢測氧氣的傳感器，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，會導(dǎo)致讀數(shù)錯(cuò)誤或誤報(bào)警。
五、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。
六、小結(jié)
電化學(xué)傳感器對工作電源的要求很低。實(shí)際上，在氣體監(jiān)測可用的所有傳感器類型中，它們的功耗是最低的。因此，這種傳感器廣泛用于包含多個(gè)傳感器的移動儀器中。它們是有限空間應(yīng)用場合中使用最多的傳感器。
傳感器的預(yù)期壽命由其制造商根據(jù)他們認(rèn)為正常的條件進(jìn)行預(yù)測。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。
七、典型的電化學(xué)傳感器的規(guī)格
傳感器類型：2或3電極，通常為3電極
范圍：可允許暴露極限的2-10倍
預(yù)期壽命：正常為12至24個(gè)月，取決于制造商與傳感器
溫度范圍：–40°C至+45°C
相對濕度：15-95%，無凝露
響應(yīng)時(shí)間：< 50秒
長期偏移：每月下移2%
最早的電化學(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。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)與移動應(yīng)用場合。
一、工作原理
電化學(xué)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(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，最終到達(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，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)由針對被測氣體而設(shè)計(jì)的電極材料進(jìn)行催化。
通過電極間連接的電阻器，與被測氣濃度成正比的電流會在正極與負(fù)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(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)，傳感電極電勢并不能保持恒定，在經(jīng)過一段較長時(shí)間后，它會導(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(shí)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(biāo)氣體。
二、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?；蛘撸部梢杂酶呖紫堵侍胤∧じ采w，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，傳感器信號會減弱。
D. 過濾器：有時(shí)候傳感器前方會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?；钚蕴靠梢詾V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，最終取決于要檢測的氣體和制造商。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)用場合中與制造商執(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。
三、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)傳感器對溫度也非常敏感，因此通常采取內(nèi)部溫度補(bǔ)償。但最好盡量保持標(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%至1.0%，視制造商和傳感器類型而定。
四、選擇性
電化學(xué)傳感器通常對其目標(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的氣體濃度。最好的電化學(xué)傳感器是檢測氧氣的傳感器，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，會導(dǎo)致讀數(shù)錯(cuò)誤或誤報(bào)警。
五、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。
六、小結(jié)
電化學(xué)傳感器對工作電源的要求很低。實(shí)際上，在氣體監(jiān)測可用的所有傳感器類型中，它們的功耗是最低的。因此，這種傳感器廣泛用于包含多個(gè)傳感器的移動儀器中。它們是有限空間應(yīng)用場合中使用最多的傳感器。
傳感器的預(yù)期壽命由其制造商根據(jù)他們認(rèn)為正常的條件進(jìn)行預(yù)測。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。
七、典型的電化學(xué)傳感器的規(guī)格
傳感器類型：2或3電極，通常為3電極
范圍：可允許暴露極限的2-10倍
預(yù)期壽命：正常為12至24個(gè)月，取決于制造商與傳感器
溫度范圍：–40°C至+45°C
相對濕度：15-95%，無凝露
響應(yīng)時(shí)間：< 50秒
長期偏移：每月下移2%
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