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电化学气体传感器的结构和工作原理

本站 2019-01-08 14:21:45

为了进行具体的测量,首先要考虑传感器的原理,它需要分析各种因素才能确定。因为即使测量相同的物理量,也有各种各样的传感器原理可供选择,哪一种原理更适合于国产或进口,价格是负担得起的,还是自行开发的。在考虑了上述问题后,我们可以确定选择哪种类型的传感器,然后考虑传感器的具体性能。

电化学气体传感器主要利用两个电极之间的化学电位差,一种是测量气体中的气体浓度,另一种是固定的参比电极。电化学传感器由恒电位电解和加瓦尼电池组成。液体电解质分为液体电解质和固体电解质,液体电解质分为电位型和电流型。电势类型由电极电位与气体浓度的关系来测量。电流模式采用极限电流原理,利用气体通过薄层、可渗透膜或毛细管的扩散作为限制措施,获得稳定的传质条件,产生与气体浓度或分压成正比的极限扩散电流。

电化学传感器有两个电极和三个电极,主要区别在于是否有参考电极。该双电极CO传感器无参比电极,结构简单,易于设计和制造,适用于低浓度CO的检测和报警。在三电极CO传感器中引入参比电极,使传感器具有范围大、精度高的特点。然而,参比电极的引入增加了制造工艺和材料成本,因此三电极CO传感器的价格高于双电极CO传感器。主要用于工业领域。该双电极电化学CO传感器主要由电极、电解液保持材料、气体干扰过滤材料、引脚等组成。

电化学气体传感器是一种化学传感器,一般分为:a.当电极与电解质溶液的界面为恒电位时,气体直接氧化或还原,通过外部电路的电流作为传感器的输出;b.气体的离子相互作用溶解在电解质溶液中并用离子电极电离的物质,产生电能。动能被用作传感器的输出。c.产生气体和电解质反应产生的电解电流作为传感器的输出。D.不使用电解质溶液,并使用有机电解质、有机凝胶电解质、固体电解质、固体聚合物电解质和其他材料制造传感器。

表1各种电化学气体传感器的比较

表1汇总了各种电化学气体传感器的类型、材料和特性。

恒电位电解气体传感器的原理是使电极与电解液之间的界面保持一定的电解电位。通过改变其设定电位,可以选择性地氧化或还原气体。因此,可以定量地检测到各种气体。对于特定的气体,设定电位由其固有的氧化还原电位决定,但它随电极材料和电解质类型的不同而变化。电解电流与气体浓度的关系式如下:

I=(Nfadc)/σ

公式:I电解电流;n-1 mol气体产生的电子数;法拉第常数;A-气体扩散面积;D-扩散系数;电解气体在C-电解质溶液中的浓度;σ-扩散层厚度。

在统一传感器中,n,f,A,D和σ是确定的,电解电流与气体浓度成正比。

自20世纪50年代CIDK电极问世以来,具有可控电位的电化学气体传感器的结构、性能和应用得到了很大的发展。在1970年代初,市场上有31个探测器。目前已有CO、NxOY(氮氧化物)、H2 S检测仪器等产品.这些气体传感器的灵敏度是不同的。一般情况下,H2S>NO>NOB>Sq>CO的响应时间一般在几秒到几十秒之间,大部分小于1分钟,寿命相差很大,只有半年时间,一些CO监测仪的实际寿命接近10年。影响这种传感器寿命的主要因素是电极浸水、电解液干涸、电极催化剂的晶体生长、催化剂中毒以及传感器的应用。

以CO气体监测为例,阐述了传感器隔膜工作电极的结构和工作原理。在容器的相对两面壁上设置有作用电极H’和对比电极,内壁填充电解质溶液形成密封结构。瓦扎瓦场是由3g极对冲和安基极恒电位差组成的恒压电路。此时,作用电极和对比电极之间的电流为i。恒电位电解气体传感器的基本结构可以根据电流值确定CO气体的浓度。该传感器可用于检测各种易燃气体和有毒气体,如硫化氢、NO、NOB、SQ、HCl、Cl2、PH3等,还可检测血液中的氧浓度。

离子电极气敏传感器的工作原理是将气态物质溶解在电解质溶液中并解离,由解离产生的离子作用于离子电极上产生电动势,电动势被取出来表示气体的浓度。该传感器由一个工作电极、一个对比电极、一个内部溶液和一个膜片组成。

以NH3传感器的检测为例,说明了这种气体传感器的工作原理。作用电极是测定pH值的玻璃电极,参比电极是A8从电极,内液是NIkCE溶液。NEACt解离,铵离子NH4+的产生,水的弱解离,氢离子H+的形成,NH4+和H+保持平衡。当传感器侵入NH3时,NH3通过膜片内部渗透,NH3增加,H+降低,即pH值增大。通过玻璃电极检测PH值的变化,可以测定NH3的浓度。除NH3外,该传感器还能检测到HCN(氰化氢)、H2S、Sq、CO2等气体。

离子电极气体传感器的出现较早。电化学气体传感器通过检测离子极化电流来检测气体的体积分数,主要具有较高的灵敏度和良好的选择性。

电气体传感器的原理是被测气体与电解质溶液反应,产生电解电流,作为传感器的输出,检测气体浓度。它的电极和对比电极都是铂电极。

以C12的测量为例,说明了这种传感器的工作原理。溴酸盐MBR(M是一种单价金属)水溶液位于两个铂电极之间,其解离与水分解成H+成正比。当在两个铂电极之间加入适当的电压时,电流开始流动,H~(2+)反应产生H_2。电极之间发生极化,并发生反应。结果,电极部分的H2被去极化,产生电流。电流与H2浓度成正比,因此电流的检测可以检测到Cl2的浓度。除Cl2外,这种传感器还能检测NH2、H2S等气体。

电化学气体传感器可分为四种类型:一次电池型、可控电位电解型、电量型和离子电极型。一次电池气体传感器通过检测电流来检测气体的体积分数,几乎所有用于检测低氧的仪器都配备了该传感器。可控电解传感器通过检测电解过程中的电流流动来检测气体的体积分数。与原来的电池不同,它需要外界施加的特定电压,除了检测CO、NO、NO2、O2、SO2等气体外。它还能检测血液中的氧气体积分数。所述气体传感器通过被测气体与电解质之间的反应所产生的电流来检测气体的体积分数。离子电极气体传感器的出现较早,通过检测离子极化电流来检测气体的体积分数。电化学气体传感器的主要优点是具有较高的灵敏度和选择性。

综上所述,不同类型的气体传感器适用于不同的气体检测和控制需求。随着现代工业的发展,特别是绿色环保理念的不断强化,气体传感器技术的发展和应用将具有十分广阔的前景。双电极电化学CO传感器是近年来的研究热点.它属于世界先进的传感器技术。通过实验研究,将其应用于电极、过滤层、电解液等材料的选择和结构设计。研制出具有实际意义的新型CO传感器,将在CO气体检测领域发挥积极作用。

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