Что вы знаете об электрохимических датчиках?

Электрохимический датчик — это тип датчика, который использует электрохимические свойства анализируемого вещества для преобразования химической величины в электрическую для обнаружения.

Первые электрохимические датчики появились в 1950-х годах, когда они использовались для мониторинга кислорода. А в 1980-х годах они применялись для мониторинга широкого спектра токсичных газов и показывали хорошую чувствительность и избирательность.

ⅰ. Принцип работы электрохимического датчика

Электрохимические датчики работают за счёт химической реакции с измеряемым газом и вырабатывают электрический сигнал, пропорциональный концентрации газа. Большинство электрохимических газовых датчиков вырабатывают ток, линейно пропорциональный концентрации газа.

Электрохимический датчик газа работает следующим образом: молекулы целевого газа, сначала проходя через мембрану, которая предотвращает конденсацию и также служит фильтром от пыли. Затем молекулы газа диффундируют через капиллярное отверстие, возможно, через дополнительный фильтр, а затем через гидрофобную мембрану на поверхность чувствующего электрода. Там молекулы сразу окисляются или восстанавливаются, тем самым вырабатывая или потребляя электроны, что создает электрический ток.

Важно отметить, что количество молекул газа, попадающих в датчик таким образом, ограничено диффузией через капилляр. Оптимизацией пути достигается соответствующий электрический сигнал в соответствии с желаемым диапазоном измерений. Конструкция чувствительного электрода является ключевой для достижения высокой реактивности на целевой газ и подавления нежелательных реакций на интерферирующие газы. Она включает трехступенчатую систему для твердых, жидких и газообразных веществ, причем все они связаны с химической идентификацией анализируемого газа. Электрохимическая ячейка завершается так называемым контрольным электродом (Cont), который компенсирует реакцию на чувствительном электроде. Ионный ток между контрольным электродом Cont и электродом Sen переносится электролитом внутри корпуса датчика, тогда как путь тока обеспечивается проводом, заканчивающимся разъемом. В электрохимических датчиках обычно включается третий электрод (3-электродные датчики). Так называемый эталонный электрод используется для поддержания потенциала чувствительного электрода на фиксированном значении. Для этой цели и обычно для работы электрохимических датчиков требуется цепь постоянного потенциала.

ⅱ. Компоненты электрохимического датчика

Электрохимический датчик включает в себя следующие четыре ключевых компонента:

1. Дышащие мембраны (также известные как гидрофобные мембраны): Эти мембраны служат для покрытия чувствительных (каталитических) электродов и, в определенных случаях, регулируют молекулярный вес газов, достигающих поверхности электрода. Как правило, эти мембраны изготавливаются из пленок Тефлона с низкой пористостью. Когда такие мембраны используются для покрытия электродов, датчики называются покрытыми датчиками. Альтернативно может использоваться пленка Тефлона с высокой пористостью вместе с капилляром для контроля молекулярного веса газа, достигающего поверхности электрода. Такая конфигурация называется капиллярным типом датчика. Помимо обеспечения механической защиты датчика, пленка также функционирует как фильтр, удаляя нежелательные частицы. Для того чтобы пропускать подходящий молекулярный вес газа, важно правильно выбрать размер отверстия как для мембраны, так и для капилляра. Размер отверстия должен позволять достаточному количеству молекул газа достигать чувствительного электрода, предотвращая утечку или быстрое высыхание жидкой электролитной жидкости.

2. Электрод: Очень важно тщательно выбирать материал электрода. Материал должен быть катализатором, способным выполнять полуреакцию электрохимического процесса в течение длительного периода времени. Как правило, электроды изготавливаются из драгоценных металлов, таких как платина или золото, которые эффективно взаимодействуют с молекулами газа через катализ. В зависимости от конструкции датчика три электрода могут быть изготовлены из разных материалов для обеспечения реакции электролиза.

3. Электролит: Электролит должен быть способен обеспечивать электрохимические реакции и эффективно передавать ионный заряд на электрод. Он также должен формировать стабильный эталонный потенциал с эталонным электродом и быть совместимым с материалами, используемыми внутри датчика. Кроме того, быстрое испарение электролита может привести к ослаблению сигнала датчика, что может повлиять на его точность и надежность.

4. Фильтры: Иногда, перед датчиком устанавливаются фильтры-скрубберы для удаления нежелательных газов. Выбор фильтров ограничен, причем каждый тип обладает различным уровнем эффективности. Активированный уголь является наиболее широко используемым материалом фильтрации, успешно удаляя большинство химических веществ, за исключением оксида углерода. Тщательный выбор подходящего фильтрующего материала позволяет электрохимическим датчикам повысить специфичность к целевым газам.

ⅲ. Классификация электрохимического датчика

Существует множество способов классификации электрохимических датчиков. В зависимости от их различных выходных сигналов они могут быть разделены на потенциометрические датчики, амперометрические датчики и проводиметрические датчики.

В соответствии с веществами, обнаруживаемыми электрохимическими датчиками, эти датчики можно классифицировать в основном как ионные датчики, газовые датчики и биодатчики.

ⅳ. Основные свойства и влияющие факторы

1. Чувствительность

Основными факторами, влияющими на чувствительность, являются: активность катализатора, подача воздуха, проводимость электролита и температура окружающей среды.

2. Восстановление ответа

Основными факторами, влияющими на скорость восстановления, являются активность катализатора, проводимость электролита, структура камеры для газа, свойства газа и т.д.

3. Выборочность/Кросс-взаимодействие

Основными факторами, влияющими на выборочность, являются тип катализатора, электролит, смещение напряжения, фильтр и т.д.

4. Повторяемость/Долгосрочная устойчивость

Факторы, влияющие на повторяемость, включают: стабильность структуры электрода, стабильность электролита, стабильность газового контура и т.д.

5. Характеристики при высоких и низких температурах

Факторы, влияющие на устойчивость при высоких и низких температурах, включают: активность катализатора, стабильность структуры электрода и характеристики газа.

V. Четыре основных применения электрохимических датчиков

Электрохимические датчики широко применяются в промышленных и гражданских областях газового контроля, могут обнаруживать озон, формальдегид, угарный газ, аммиак, сероводород, диоксид серы, двуокись азота, кислород и другие газы, обычно используются в переносных приборах и в приборах для онлайн-мониторинга газов.

1. Датчик влажности

Влажность является важным показателем воздушной среды, между влажностью воздуха и человеческим телом существует тесная связь через процесс испарения. При высокой температуре и влажности из-за трудностей испарения воды с поверхности тела человек чувствует себя Suffocating, при низкой температуре и высокой влажности процесс теплоотдачи усиливается, что может легко вызвать простуду или обморожение. Наиболее подходящая температура для человеческого тела составляет 18~22℃, относительная влажность — 35%~65% RH. В мониторинге окружающей среды и здоровья для определения влажности воздуха часто используются такие приборы, как психрометр с мокрым и сухим термометрами, ручной гигрометр и вентилируемый гигрометр.

В последние годы появилось большое количество публикаций о использовании датчиков для определения влажности воздуха. Обработанные покрытием пьезоэлектрические кварцевые кристаллы, используемые для измерения относительной влажности, создаются с помощью фотолитографии и химической травления, а четыре вещества наносятся на кристаллы AT-резонанса частотой 10 МГц, которые обладают высокой массовой чувствительностью к влажности. Кристалл является резонатором в колебательной цепи, частота которой изменяется с массой, и при выборе подходящего покрытия датчик может быть использован для определения относительной влажности различных газов. Чувствительность, линейность реакции, время отклика, избирательность, гистерезис и срок службы датчика зависят от природы химических веществ покрытия.

2, Датчик оксидов азота

Оксид азота — это разновидность оксидов азота, состоящая из смеси газов, часто обозначаемых как NOX. В оксиде азота различные формы химической стабильности оксидов азота различны; воздух обычно делится на монооксид азота и диоксид азота с относительно устойчивыми химическими свойствами, их значение с гигиенической точки зрения кажется более важным, чем других форм оксидов азота.

При экологическом анализе под оксидом азота обычно подразумевается диоксид азота. Китайский стандартный метод мониторинга оксидов азота — это колориметрический метод нафталинового этилендиамин гидрохлорида, чувствительность которого составляет 0,25 мкг/5 мл. Коэффициент преобразования метода зависит от состава поглотительного раствора, концентрации диоксида азота, скорости сбора газа, конструкции поглотительной трубки, сопутствующих ионов и температуры, а также многих других факторов, поэтому он не полностью унифицирован. Определение с помощью датчика является новым методом, разработанным в последние годы.

3, Датчик сероводорода

Сероводород — это бесцветный, горючий газ с особенным запахом тухлых яиц, который является раздражающим и удушливым, а также вредным для человеческого организма. Большинство методов используют колориметрию и газовую хроматографию для определения сероводорода в воздухе. Определение загрязнителей воздуха, содержание которых часто составляет всего несколько мг/м³, является одним из основных применений газовых датчиков, но полупроводниковые газовые датчики не способны обеспечить необходимую чувствительность и избирательность для мониторинга некоторых загрязняющих газов за короткий промежуток времени.

Массив датчиков на основе тонкопленочных сенсоров, модифицированных серебром, состоит из четырех датчиков, которые одновременно регистрируют концентрации диоксида серы и сероводорода с использованием универсального анализатора на основе кулонометрического титрования и сигналов от массива полупроводниковых газовых датчиков. Практика показала, что использование тонкопленочных сенсоров, модифицированных серебром, при 150 °C в режиме постоянной температуры эффективно для мониторинга содержания сероводорода в городском воздухе.

4. Датчик диоксида серы

Диоксид серы является одной из основных веществ, загрязняющих воздух, и обнаружение диоксида серы в воздухе является регулярной частью тестирования воздуха. Применение датчиков для мониторинга диоксида серы показало большое преимущество, от сокращения времени детектирования до снижения предела обнаружения. Используются твердые полимеры как ионные обменные мембраны, одна сторона которых содержит внутренние электролиты для рабочего и референтного электродов, а на другой стороне вставляется платиновый электрод, образуя датчик диоксида серы. Датчик устанавливается в потоковой камере и окисляет диоксид серы при напряжении 0,65В. Затем указывается содержание диоксида серы. Устройство обнаружения демонстрирует высокую токовую чувствительность, короткое время отклика, хорошую стабильность, низкий фоновый шум, линейный диапазон 0,2 ммоль/Л, предел обнаружения 8*10-6 ммоль/Л и соотношение сигнал/шум 3.

Датчик не только может обнаруживать диоксид серы в воздухе, но также может использоваться для обнаружения диоксида серы в жидкости с низкой электропроводностью. Газочувствительное покрытие датчика диоксида серы на основе тонкой пленки органически модифицированного силликата было создано с использованием процесса сол-гель и технологий центрифугирования. Это покрытие демонстрирует отличную воспроизводимость и обратимость при определении диоксида серы, с быстрым временем отклика менее 20 секунд. Кроме того, оно показывает минимальное взаимодействие с другими газами и мало подвержено влиянию изменений температуры и влажности.