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                淺析電化學型氣體傳感器的工作原理和檢測方法
              淺析電化學型氣體傳感器的工作原理和檢測方法
              發布時間:2019/12/24 8:21:04

              要進行一個具體的測量工作,首先要考慮采用何種原理的傳感器,這需要分析多方面的因素之后才能確定。因為,即使是測量同一物理量,也有多種原理的傳感器可供選用,哪一種原理的傳感器更為合適,國產還是進口,價格能否承受,還是自行研制。在考慮上述問題之后就能確定選用何種類型的傳感器,然后再考慮傳感器的具體性能指標。

              1.電化學型氣體傳感器的結構

              電化學式氣體傳感器,主要利用兩個電極間的化學電位差,一個在氣體中測量氣體濃度,另一個是固定的參比電極。電化學式傳感器采用恒電位電解方式和伽伐尼電池方式工作。有液體電解質和固體電解質,而液體電解質有分為電位型和電流型。電位型是利用電極電勢和氣體濃度之間的關系進行測量;電流型采用極限電流原理,利用氣體通過薄層透氣膜或毛細孔擴散作為限流措施,獲得穩定的傳質條件,產生正比于氣體濃度或分壓的極限擴散電流。

              電化學傳感器有兩電極和三電極結構,主要區別在于有無參比電極。兩電極CO傳感器沒有參比電極,結構簡單,易于設計和制造,成本較低適用于低濃度CO的檢測和報警;三電極CO傳感器引入參比電極,使傳感器具有較大的量程和良好的精度,但參比電極的引入增加了制造工序和材料成本,所以三電極CO傳感器的價格高于兩電極CO傳感器,主要用于工業領域。兩電極電化學CO傳感器主要由電極、電解液、電解液的保持材料、出去干涉氣體的過濾材料、管腳等零部件組成。

              2.電傳感器工作原理

              電化學氣體傳感器是一種化學傳感器,按照工作原理一般分為:a.在保持電極和電解質溶液的界面為某恒電位時,將氣體直接氧化或還原,并將流過外電路的電流作為傳感器的輸出;b.將溶解于電解質溶液并離子化的氣態物質的離子作用與離子電極,把由此產生的電動勢作為傳感器輸出;c.將氣體與電解質溶液反應而產生的電解電流作為傳感器輸出;d.不用電解質溶液,而用有機電解質、有機凝膠電解質、固體電解質、固體聚合物電解質等材料制作傳感器。

              1 各種電化學式氣體傳感器的比較

              種類

              現象

              傳感器材料

              特點

              恒電位電解式

              電解電流

              氣體擴散電極,電解質水溶液

              通過改變氣體電極,電解質水溶液,電極電位等可測量CO、H2S、HO2、SO2、HCl等

              離子電極式

              電極電位變化

              離子選擇電極,電解質水溶液,多孔聚四氟乙烯膜

              選擇性好,可測量NH3、HCN、H2S、SO2、CO2等氣體

              電量式

              電解電流

              貴金屬正負電極,電解質水溶液,多孔聚四氟乙烯膜

              選擇性好,可測量Cl2、NH3、H2S等

              固體電解質式

              測定電解質濃度差產生的電勢

              固體電解質

              適合低濃度測量,需要基準氣體,耗電,可測量CO2、NO2、H2S等

              1匯集了各類電化學氣體傳感器的種類、檢測原理所用材料與特點。

              2.1 恒電位電解式氣體傳感器

              恒電位電解式氣體傳感器的原理是:使電極與電解質溶液的界面保持一定電位進行電解,通過改變其設定電位,有選擇的使氣體進行氧化或還原,從而能定量檢測各種氣體。對于特定氣體來說,設定電位由其固有的氧化還原電位決定,但又隨電解時作用電極的材質、電解質的種類不同而變化。電解電流和氣體濃度之間的關系如下式表示:

              I=/ σ

              式中:I-電解電流;n-1mol氣體產生的電子數;f-法拉第常數;A-氣體擴散面積;D-擴散系數;C-電解質溶液中電解的氣體濃度;σ-擴散層的厚度。

              在統一傳感器中,n、f、A、D及σ是一定的,電解電流與氣體濃度成正比。

              20世紀50年代出現CIDK電極以來,控制電位電化學氣體傳感器在結構、性能和用途等方面都得到了很大的發展。20世紀70年代初,市場上就有了31檢測器。有先后出現了CO、NxOY、H2S檢測儀器等產品。這些氣體傳感器靈敏度是不同的,一般是H2S>NO>NOb>Sq>CO,響應時間一般為幾秒至幾十秒,大多數小于1min;他們的壽命相差很大,短的只有半年,有的CO監測儀實際壽命已近10年。影響這類傳感器壽命的主要因素為:電極受淹、電解質干枯、電極催化劑晶體長大、催化劑中毒和傳感器使用方法等。

              CO氣體監測為例來說明這種傳感器隔膜工作電極對比電極的結構和工作原理。在容器內的相對兩壁,安置作用電極h’和對比電極,其內充滿電解質溶液構成一密封結構。瓦在化田由極3g對沖由極AnljI進行恒定電位差而構成恒壓電路。此時,作用電極和對比電極之間的電流是I,恒電位電解式氣體傳感器的基本構造根據此電流值就可知CO氣體的濃度。這種方式的傳感器可用于檢測各種可燃性氣體和毒氣,如H2S、NO、NOb、Sq、HCl、Cl2、PH3等,還能檢測血液中的氧濃度。

              2.2離子電極式氣體傳感器

              離子電極式氣體傳感器的工作原理是:氣態物質溶解于電解質溶液并離解,離解生成的離子作用于離子電極產生電動勢,將此電動勢取出以代表氣體濃度。這種方式的傳感器是有作用電極、對比電極、內部溶液和隔膜等構成的。

              現以檢測NH3傳感器為例說明這種氣體傳感器的工作原理。作用電極是可測定pH的玻璃電極,參比電極是A8從姐電極,內部溶液是NIkCE溶液。NEACt離解,產生銨離子NH4+,同時水也微弱離解,生成氫離子H+,而NH4+與H+保持平衡。將傳感器侵入NH3中,NH3將通過隔膜向內部滲透,NH3增加,而H+減少,即pH 增加。通過玻璃電極檢測此PH的變化,就能知道NH3濃度。除NH3外,這種傳感器海能檢測HCN、H2S、Sq、C02等氣體。

              離子電極式氣體傳感器出現得較早,通過檢測離子極化電流來檢測氣體的體積分數,電化學式氣體傳感器主要的有點是檢測氣體的靈敏度高、選擇性好。

              2.3電量式氣體傳感器

              電量式氣體傳感器的原理是:被測氣體與電解質溶液反應生成電解電流,將此電流作為傳感器輸出,來檢測氣體濃度,其作用電極、對比電極都是Pt電極。

              現以檢測C12為例來說明這種傳感器的工作原理。將溴化物MBr水溶液介于兩個鉑電極之間,其離解成比,同時水也離解成H+,在兩鉑電極間加上適當電壓,電流開始流動,后因H+反應產生了H2 ,電極間發生極化,發生反應,其結果,電極部分的H2被極化解除,從而產生電流。該電流與H2濃度成正比,所以檢測該電流就能檢測Cl2濃度。除Cl2外,這種方式的傳感器還可以檢測NH2、H2S等氣體。

              3.傳感器的檢測

              電化學型氣體傳感器可分為原電池式、可控電位電解式、電量式和離子電極式四種類型。原電池式氣體傳感器通過檢測電流來檢測氣體的體積分數,市售的檢測缺氧的儀器幾乎都配有這種傳感器?煽仉娊馐絺鞲衅魇峭ㄟ^檢測電解時流過的電流來檢測氣體的體積分數,和原電池式不同的是,需要由外界施加特定電壓,除了能檢測CO、NO、NO2、O2、SO2等氣體外,還能檢測血液中的氧體積分數。電量式氣體傳感器是通過被測氣體與電解質反應產生的電流來檢測氣體的體積分數。離子電極式氣體傳感器出現得較早,通過檢測離子極化電流來檢測氣體的體積分數。電化學式氣體傳感器主要的優點是檢測氣體的靈敏度高、選擇性好。

              綜上所述,不同種類的氣體傳感器適用于不同氣體檢測與控制的需求,隨著現代工業的發展,尤其是綠色環保理念的不斷加強,氣體傳感器技術的開發應用必將具有非常廣闊的發展前景。兩電極電化學CO傳感器,是近年來研究的熱點,屬于國際上先進的傳感器技術,通過實驗研究,在電極、過濾層、電解質等材料選擇和結構的設計中,攻克了影響傳感器壽命的諸多技術難題,研制成功了具有實用意義的新型CO傳感器,它必將在CO氣體檢測領域發揮積極的作用。

               

              要進行一個具體的測量工作,首先要考慮采用何種原理的傳感器,這需要分析多方面的因素之后才能確定。因為,即使是測量同一物理量,也有多種原理的傳感器可供選用,哪一種原理的傳感器更為合適,國產還是進口,價格能否承受,還是自行研制。在考慮上述問題之后就能確定選用何種類型的傳感器,然后再考慮傳感器的具體性能指標。

              1.電化學型氣體傳感器的結構

              電化學式氣體傳感器,主要利用兩個電極間的化學電位差,一個在氣體中測量氣體濃度,另一個是固定的參比電極。電化學式傳感器采用恒電位電解方式和伽伐尼電池方式工作。有液體電解質和固體電解質,而液體電解質有分為電位型和電流型。電位型是利用電極電勢和氣體濃度之間的關系進行測量;電流型采用極限電流原理,利用氣體通過薄層透氣膜或毛細孔擴散作為限流措施,獲得穩定的傳質條件,產生正比于氣體濃度或分壓的極限擴散電流。

              電化學傳感器有兩電極和三電極結構,主要區別在于有無參比電極。兩電極CO傳感器沒有參比電極,結構簡單,易于設計和制造,成本較低適用于低濃度CO的檢測和報警;三電極CO傳感器引入參比電極,使傳感器具有較大的量程和良好的精度,但參比電極的引入增加了制造工序和材料成本,所以三電極CO傳感器的價格高于兩電極CO傳感器,主要用于工業領域。兩電極電化學CO傳感器主要由電極、電解液、電解液的保持材料、出去干涉氣體的過濾材料、管腳等零部件組成。

              2.電傳感器工作原理

              電化學氣體傳感器是一種化學傳感器,按照工作原理一般分為:a.在保持電極和電解質溶液的界面為某恒電位時,將氣體直接氧化或還原,并將流過外電路的電流作為傳感器的輸出;b.將溶解于電解質溶液并離子化的氣態物質的離子作用與離子電極,把由此產生的電動勢作為傳感器輸出;c.將氣體與電解質溶液反應而產生的電解電流作為傳感器輸出;d.不用電解質溶液,而用有機電解質、有機凝膠電解質、固體電解質、固體聚合物電解質等材料制作傳感器。

              1 各種電化學式氣體傳感器的比較

              種類

              現象

              傳感器材料

              特點

              恒電位電解式

              電解電流

              氣體擴散電極,電解質水溶液

              通過改變氣體電極,電解質水溶液,電極電位等可測量CO、H2S、HO2、SO2、HCl等

              離子電極式

              電極電位變化

              離子選擇電極,電解質水溶液,多孔聚四氟乙烯膜

              選擇性好,可測量NH3、HCN、H2S、SO2、CO2等氣體

              電量式

              電解電流

              貴金屬正負電極,電解質水溶液,多孔聚四氟乙烯膜

              選擇性好,可測量Cl2、NH3、H2S等

              固體電解質式

              測定電解質濃度差產生的電勢

              固體電解質

              適合低濃度測量,需要基準氣體,耗電,可測量CO2、NO2、H2S等

              1匯集了各類電化學氣體傳感器的種類、檢測原理所用材料與特點。

              2.1 恒電位電解式氣體傳感器

              恒電位電解式氣體傳感器的原理是:使電極與電解質溶液的界面保持一定電位進行電解,通過改變其設定電位,有選擇的使氣體進行氧化或還原,從而能定量檢測各種氣體。對于特定氣體來說,設定電位由其固有的氧化還原電位決定,但又隨電解時作用電極的材質、電解質的種類不同而變化。電解電流和氣體濃度之間的關系如下式表示:

              I=/ σ

              式中:I-電解電流;n-1mol氣體產生的電子數;f-法拉第常數;A-氣體擴散面積;D-擴散系數;C-電解質溶液中電解的氣體濃度;σ-擴散層的厚度。

              在統一傳感器中,n、f、A、D及σ是一定的,電解電流與氣體濃度成正比。

              20世紀50年代出現CIDK電極以來,控制電位電化學氣體傳感器在結構、性能和用途等方面都得到了很大的發展。20世紀70年代初,市場上就有了31檢測器。有先后出現了CO、NxOY、H2S檢測儀器等產品。這些氣體傳感器靈敏度是不同的,一般是H2S>NO>NOb>Sq>CO,響應時間一般為幾秒至幾十秒,大多數小于1min;他們的壽命相差很大,短的只有半年,有的CO監測儀實際壽命已近10年。影響這類傳感器壽命的主要因素為:電極受淹、電解質干枯、電極催化劑晶體長大、催化劑中毒和傳感器使用方法等。

              CO氣體監測為例來說明這種傳感器隔膜工作電極對比電極的結構和工作原理。在容器內的相對兩壁,安置作用電極h’和對比電極,其內充滿電解質溶液構成一密封結構。瓦在化田由極3g對沖由極AnljI進行恒定電位差而構成恒壓電路。此時,作用電極和對比電極之間的電流是I,恒電位電解式氣體傳感器的基本構造根據此電流值就可知CO氣體的濃度。這種方式的傳感器可用于檢測各種可燃性氣體和毒氣,如H2S、NO、NOb、Sq、HCl、Cl2、PH3等,還能檢測血液中的氧濃度。

              2.2離子電極式氣體傳感器

              離子電極式氣體傳感器的工作原理是:氣態物質溶解于電解質溶液并離解,離解生成的離子作用于離子電極產生電動勢,將此電動勢取出以代表氣體濃度。這種方式的傳感器是有作用電極、對比電極、內部溶液和隔膜等構成的。

              現以檢測NH3傳感器為例說明這種氣體傳感器的工作原理。作用電極是可測定pH的玻璃電極,參比電極是A8從姐電極,內部溶液是NIkCE溶液。NEACt離解,產生銨離子NH4+,同時水也微弱離解,生成氫離子H+,而NH4+與H+保持平衡。將傳感器侵入NH3中,NH3將通過隔膜向內部滲透,NH3增加,而H+減少,即pH 增加。通過玻璃電極檢測此PH的變化,就能知道NH3濃度。除NH3外,這種傳感器海能檢測HCN、H2S、Sq、C02等氣體。

              離子電極式氣體傳感器出現得較早,通過檢測離子極化電流來檢測氣體的體積分數,電化學式氣體傳感器主要的有點是檢測氣體的靈敏度高、選擇性好。

              2.3電量式氣體傳感器

              電量式氣體傳感器的原理是:被測氣體與電解質溶液反應生成電解電流,將此電流作為傳感器輸出,來檢測氣體濃度,其作用電極、對比電極都是Pt電極。

              現以檢測C12為例來說明這種傳感器的工作原理。將溴化物MBr水溶液介于兩個鉑電極之間,其離解成比,同時水也離解成H+,在兩鉑電極間加上適當電壓,電流開始流動,后因H+反應產生了H2 ,電極間發生極化,發生反應,其結果,電極部分的H2被極化解除,從而產生電流。該電流與H2濃度成正比,所以檢測該電流就能檢測Cl2濃度。除Cl2外,這種方式的傳感器還可以檢測NH2、H2S等氣體。

              3.傳感器的檢測

              電化學型氣體傳感器可分為原電池式、可控電位電解式、電量式和離子電極式四種類型。原電池式氣體傳感器通過檢測電流來檢測氣體的體積分數,市售的檢測缺氧的儀器幾乎都配有這種傳感器?煽仉娊馐絺鞲衅魇峭ㄟ^檢測電解時流過的電流來檢測氣體的體積分數,和原電池式不同的是,需要由外界施加特定電壓,除了能檢測CO、NO、NO2、O2、SO2等氣體外,還能檢測血液中的氧體積分數。電量式氣體傳感器是通過被測氣體與電解質反應產生的電流來檢測氣體的體積分數。離子電極式氣體傳感器出現得較早,通過檢測離子極化電流來檢測氣體的體積分數。電化學式氣體傳感器主要的優點是檢測氣體的靈敏度高、選擇性好。

              綜上所述,不同種類的氣體傳感器適用于不同氣體檢測與控制的需求,隨著現代工業的發展,尤其是綠色環保理念的不斷加強,氣體傳感器技術的開發應用必將具有非常廣闊的發展前景。兩電極電化學CO傳感器,是近年來研究的熱點,屬于國際上先進的傳感器技術,通過實驗研究,在電極、過濾層、電解質等材料選擇和結構的設計中,攻克了影響傳感器壽命的諸多技術難題,研制成功了具有實用意義的新型CO傳感器,它必將在CO氣體檢測領域發揮積極的作用。

               

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