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电化学气体传感器的结构及分类

精讯畅通    2022-09-8

最早的电化学气体传感器能够追溯到20世纪50年代,当时是用于检测氧气浓度。到了20世纪80年代中期,小型电化学气体传感器开始用于检测PEL范围内的多种不同的有毒气体,并显示出了良好的敏感性与选择性。随着科技的快速发展,气体传感器的应用也日趋广泛,并开始向小型化、集成化、模块化、智能化方向发展。其中电化学气体传感器由于具备线性输出、低功耗和较好的分辨率等优点,在很多气体检测领域中较为普及。相较于其他气体传感器,电化学气体传感器拥有较好的测量重复性和精度。经过数十年来技术的发展,电化学气体传感器对特定气体监测有着不可低估显著优势。

电化学气体传感器

电化学气体传感器的结构

电化学气体传感器有两电极和三电极结构,主要区别在于有无参比电极。两电极CO传感器没有参比电极,结构简单,易于设计和制造,成本较低适用于低浓度CO的检测和报警;三电极CO传感器引入参比电极,使传感器具有较大的量程和良好的精度,但参比电极的引入增加了制造工序和材料成本,所以三电极CO传感器的价格高于两电极CO传感器,主要用于工业领域。两电极电化学CO传感器主要由电极、电解液、电解液的保持材料、除去干涉气体的过滤材料、管脚等零部件组成。

电化学气体传感器的分类

电化学气体传感器是一种化学传感器,通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工作。按照工作原理一般分为原电池式、可控电位电解式、电量式和离子电极式四种类型。

恒电位电解式气体传感器

恒电位电解式气体传感器的原理是:使电极与电解质溶液的界面保持一定电位进行电解,通过改变其设定电位,有选择的使气体进行氧化或还原,从而能定量检测各种气体。对于特定气体来说,设定电位由其固有的氧化还原电位决定,但又随电解时作用电极的材质、电解质的种类不同而变化。电解电流和气体浓度之间的关系如下式表示:

I=(nfADC)/σ 式中:I-电解电流;n-1mol气体产生的电子数;f-法拉第常数;A-气体扩散面积;D-扩散系数;C-电解质溶液中电解的气体浓度;σ-扩散层的厚度。在统一传感器中,n、f、A、D及σ是一定的,电解电流与气体浓度成正比。

自20世纪50年代出现CIDK电极以来,控制电位电化学气体传感器在结构、性能和用途等方面都得到了很大的发展。20世纪70年代初,市场上就有了31检测器。先后出现了CO、NxOy(氮氧化物)、H2S检测仪器等产品。这些气体传感器灵敏度是不同的,一般是H2S>NO>NOb>Sq>CO,响应时间一般为几秒至几十秒,大多数小于1min;他们的寿命相差很大,短的只有半年,有的CO监测仪实际寿命已近10年。影响这类传感器寿命的主要因素为:电极受淹、电解质干枯、电极催化剂晶体长大、催化剂中毒和传感器使用方法等。

一氧化碳传感器为例来说明这种传感器隔膜工作电极对比电极的结构和工作原理。在容器内的相对两壁,安置工作电极和对比电极,其内充满电解质溶液构成一密封结构。工作电极和对比电极之间的电流是I,恒电位电解式气体传感器的基本构造根据此电流值就可知CO气体的浓度。这种方式的传感器可用于检测各种可燃性气体和毒气,如CO、H2S、NO、NO2、SO2、HCl、Cl2、PH3、O2等,还能检测血液中的氧浓度。

离子电极式气体传感器

离子电极式气体传感器的工作原理是:气态物质溶解于电解质溶液并离解,离解生成的离子作用于离子电极产生电动势,将此电动势取出以代表气体浓度。这种方式的传感器是有工作电极、对比电极、电解液和隔膜等构成的。

现以检测NH3传感器为例说明这种气体传感器的工作原理。作用电极是可测定pH的玻璃电极,参比电极是A8电极,内部溶液是NIkCE溶液。NEACt离解,产生铵离子NH4+,同时水也微弱离解,生成氢离子H+,而NH4+与H+保持平衡。将传感器侵入NH3中,NH3将通过隔膜向内部渗透,NH3增加,而H+减少,即pH增加。通过玻璃电极检测此PH的变化,就能知道NH3浓度。除NH3外,这种传感器还能检测HCN(氰化氢)、H2S、Sq、CO2等气体。

离子电极式气体传感器出现得较早,通过检测离子极化电流来检测气体的体积分数,电化学式气体传感器主要检测气体的灵敏度高、选择性好。

电量式气体传感器

电量式气体传感器的原理是:被测气体与电解质溶液反应生成电解电流,将此电流作为传感器输出,来检测气体浓度,其工作电极、对比电极都是Pt电极。

现以检测Cl2为例来说明这种传感器的工作原理。将溴化物MBr(M是一价金属)水溶液介于两个铂电极之间,其离解成比Br-,同时水也离解成H+,在两铂电极间加上适当电压,电流开始流动,后因H+反应产生了H2,电极间发生极化,电流停止流动。此时若将传感器与CI2接触,Br-被氧化成Br2。而Br2与极化产生的H2发生反应,其结果,电极部分的H2被极化解除,从而产生电流。该电流与Cl2浓度成正比,所以检测该电流就能检测Cl2浓度。除Cl2外,这种方式的传感器还可以检测H2S、NH3等气体。

原电池型气体传感器

也被称为加伏尼电池型气体传感器,或燃料电池型气体传感器、自发电池型气体传感器。他们原理与我们日常使用的干电池相同,只不过电池碳锰电极被气体电极替代了。以氧气传感器为例,氧阴极被还原,电子电流表流到阳极,那里铅金属被氧化。因此电流大小与氧气浓度直接相关。这种传感器可以有效检测氧气、二氧化硫、氯气等气体。

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