ماذا تعرف عن أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية؟

المستشعر الكهروكيميائي هو نوع من أجهزة الاستشعار التي تعتمد على الخواص الكهروكيميائية للمادة التحليلية لتحويل الكمية الكيميائية إلى كمية كهربائية للاستشعار والكشف.

يعود تاريخ أقدم أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية إلى الخمسينيات من القرن الماضي، عندما تم استخدامها لمراقبة الأكسجين. وحتى الثمانينيات، عندما تم استخدامها لرصد مجموعة واسعة من الغازات السامة وأظهرت حساسية وانتقائية جيدة.

Ⅰ. مبدأ عمل المستشعر الكهروكيميائي

 تعمل أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية عن طريق التفاعل كيميائيًا مع الغاز الذي يتم قياسه وإنتاج إشارة كهربائية تتناسب مع تركيز الغاز. تقوم معظم أجهزة استشعار الغاز الكهروكيميائية بتوليد تيار يتناسب خطيًا مع تركيز الغاز.

 يعمل مستشعر الغاز الكهروكيميائي على النحو التالي: تمر جزيئات الغاز المستهدفة المتلامسة مع المستشعر أولاً عبر حاجز يمنع التكثيف ويعمل أيضًا كحاجز غبار. ثم تنتشر جزيئات الغاز من خلال أنبوب شعري، ربما من خلال مرشح لاحق، ثم من خلال غشاء كاره للماء إلى سطح قطب الاستشعار. وهناك تتأكسد الجزيئات أو تختزل على الفور، وبالتالي توليد أو استهلاك الإلكترونات وبالتالي توليد تيار كهربائي.

 ومن المهم ملاحظة أن كمية جزيئات الغاز التي تدخل المستشعر بهذه الطريقة محدودة بالانتشار عبر الشعيرات الدموية. ومن خلال تحسين المسار، يتم الحصول على إشارة كهربائية مناسبة وفقًا لنطاق القياس المطلوب. يعد تصميم قطب الاستشعار ضروريًا لتحقيق استجابة عالية للغاز المستهدف وقمع الاستجابات غير المرغوب فيها للغازات المتداخلة. وهو يتضمن نظامًا ثلاثي المراحل للمواد الصلبة والسوائل والغازات، وكلها تتضمن تحديدًا كيميائيًا للغاز التحليلي. يتم إكمال الخلية الكهروكيميائية بواسطة ما يسمى بالقطب المضاد، وهو قطب كهربائي Cont، الذي يوازن التفاعل عند قطب الاستشعار. يتم نقل التيار الأيوني بين القطب الكهربائي Cont والقطب الكهربائي Sen بواسطة الإلكتروليت داخل جسم المستشعر، بينما يتم توفير المسار الحالي من خلال سلك منتهي بواسطة موصل دبوس. عادة ما يتم تضمين القطب الثالث في أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية (أجهزة استشعار ثلاثية الأقطاب). يتم استخدام ما يسمى بالقطب المرجعي للحفاظ على إمكانات قطب الاستشعار عند قيمة ثابتة. لهذا الغرض، وعادةً لتشغيل أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية، يلزم وجود دائرة جهد ثابتة.

Ⅱ. مكونات جهاز الاستشعار الكهروكيميائي

يتكون المستشعر الكهروكيميائي من المكونات الرئيسية الأربعة التالية:

1. الأغشية القابلة للتنفس (المعروفة أيضًا باسم الأغشية الكارهة للماء): تعمل هذه الأغشية على تغطية أقطاب الاستشعار (الحفزية)، وفي بعض الحالات، تنظم الوزن الجزيئي للغازات التي تصل إلى سطح القطب. عادة، يتم تصنيع هذه الأغشية من أفلام تفلون ذات مسامية منخفضة. عندما يتم استخدام هذه الأغشية لتغطية الأقطاب الكهربائية، يشار إلى أجهزة الاستشعار على أنها أجهزة استشعار مغلفة. وبدلاً من ذلك، يمكن استخدام طبقة تفلون عالية المسامية، جنبًا إلى جنب مع أنبوب شعري، للتحكم في الوزن الجزيئي للغاز الذي يصل إلى سطح القطب. يُعرف هذا التكوين بمستشعر النوع الشعري. إلى جانب توفير الحماية الميكانيكية للمستشعر، يعمل الغشاء أيضًا كمرشح، مما يزيل الجزيئات غير المرغوب فيها. لضمان السماح للوزن الجزيئي المناسب للغاز بالمرور، من الضروري تحديد حجم الفتحة المناسب لكل من الغشاء والشعيرات الدموية. يجب أن يسمح حجم الفتحة بوصول جزيئات غاز كافية إلى قطب الاستشعار مع منع التسرب أو الجفاف السريع للإلكتروليت السائل.

2. القطب الكهربائي: من الضروري اختيار مادة القطب الكهربائي بعناية. ينبغي أن تكون المادة محفزة، وقادرة على إجراء تفاعل شبه إلكتروليتي على مدى فترة طويلة. عادة، يتم تصنيع الأقطاب الكهربائية من معادن ثمينة، مثل البلاتين أو الذهب، والتي تتفاعل بكفاءة مع جزيئات الغاز من خلال الحفز. اعتمادًا على تصميم المستشعر، يمكن تصنيع الأقطاب الكهربائية الثلاثة من مواد مختلفة لتسهيل تفاعل التحليل الكهربائي.

3. المنحل بالكهرباء: يجب أن يكون المنحل بالكهرباء قادرًا على تسهيل التفاعلات الإلكتروليتية ونقل الشحنة الأيونية بكفاءة إلى القطب الكهربي. ويجب أيضًا أن يشكل إمكانات مرجعية مستقرة مع القطب المرجعي وأن يكون متوافقًا مع المواد المستخدمة داخل المستشعر. علاوة على ذلك، يمكن أن يؤدي التبخر السريع للكهارل إلى إضعاف إشارة المستشعر، مما قد يؤثر على دقتها وموثوقيتها.

4. المرشحات: في بعض الأحيان، يتم وضع مرشحات الغسيل أمام المستشعر للتخلص من الغازات غير المرغوب فيها. اختيار المرشحات محدود، حيث يُظهر كل نوع مستوى متميزًا من الكفاءة. يعد الكربون المنشط مادة الترشيح الأكثر استخدامًا على نطاق واسع، حيث يقوم بتصفية معظم المواد الكيميائية بشكل فعال، باستثناء أول أكسيد الكربون. ومن خلال اختيار وسائط الترشيح المناسبة بعناية، تحقق أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية انتقائية عالية تجاه الغازات المقصودة.

Ⅲ. تصنيف أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية

هناك طرق عديدة لتصنيف أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية. اعتمادًا على إشارات الخرج المتغيرة، يمكن تقسيمها إلى مستشعرات قياس الجهد، وأجهزة استشعار أمبيروميترية، وأجهزة استشعار موصلية.

وفقًا للمواد التي تكتشفها أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية، يمكن تصنيف أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية بشكل أساسي إلى أجهزة استشعار الأيونات وأجهزة استشعار الغاز وأجهزة الاستشعار الحيوية.

Ⅳ. الخصائص الرئيسية والعوامل المؤثرة

1. الحساسية

تشمل العوامل الرئيسية التي تؤثر على الحساسية ما يلي: نشاط المحفز، وسحب الهواء، وموصلية الإلكتروليت، ودرجة الحرارة المحيطة.

2. استعادة الاستجابة

العوامل الرئيسية التي تؤثر على سرعة استعادة الاستجابة هي نشاط المحفز، وموصلية الإلكتروليت، وبنية غرفة الغاز، وخصائص الغاز، وما إلى ذلك.

3. الانتقائية/التداخل المتبادل

تشمل العوامل الرئيسية التي تؤثر على الانتقائية نوع المحفز، والكهارل، والجهد المتحيز، والمرشح، وما إلى ذلك.

4. التكرار / الاستقرار على المدى الطويل

تشمل العوامل التي تؤثر على التكرار ما يلي: استقرار هيكل القطب، واستقرار المنحل بالكهرباء، واستقرار دائرة الغاز، وما إلى ذلك.

5 、 أداء درجات الحرارة العالية والمنخفضة

تشمل العوامل التي تؤثر على استقرار درجات الحرارة العالية والمنخفضة: نشاط المحفز، واستقرار بنية القطب، وخصائص الغاز.

V. أربعة تطبيقات رئيسية لأجهزة الاستشعار الكهروكيميائية

تستخدم أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية على نطاق واسع في المناطق الصناعية والمدنية للكشف عن الغاز، ويمكنها اكتشاف الأوزون والفورمالديهايد وأول أكسيد الكربون والأمونيا وكبريتيد الهيدروجين وثاني أكسيد الكبريت وثاني أكسيد النيتروجين والأكسجين والغازات الأخرى، والتي تستخدم عادة في الأجهزة المحمولة وأجهزة مراقبة الغاز عبر الإنترنت.

1. مستشعر الرطوبة

الرطوبة مؤشر مهم للبيئة الجوية، رطوبة الهواء وجسم الإنسان لها علاقة وثيقة بين حرارة التبخر وارتفاع درجة الحرارة والرطوبة العالية، وذلك بسبب صعوبات تبخر الماء التي يواجهها جسم الإنسان والشعور بالاختناق وانخفاض درجة الحرارة والرطوبة الرطوبة العالية، عملية تبديد حرارة جسم الإنسان مكثفة، وسهلة التسبب في نزلات البرد وعضة الصقيع. درجة الحرارة المناسبة لجسم الإنسان هي 18~22 درجة مئوية، والرطوبة النسبية 35%~65% رطوبة نسبية. في مراقبة البيئة والصحة، يتم استخدامه بشكل شائع في مقياس الرطوبة الحراري للمصباح الرطب، ومقياس الرطوبة اليدوي، ومقياس رطوبة التهوية وغيرها من الأدوات لتحديد رطوبة الهواء.

في السنوات الأخيرة، ورد عدد كبير من الأدبيات حول استخدام أجهزة الاستشعار لتحديد رطوبة الهواء. يتم تصنيع بلورات الكوارتز الكهرضغطية المطلية المستخدمة لتحديد الرطوبة النسبية إلى بلورات كوارتز كهرضغطية صغيرة عن طريق الطباعة الحجرية الضوئية وتقنيات الحفر الكيميائي، ويتم طلاء أربع مواد على بلورات الكوارتز AT-cut 10 ميجاهرتز، والتي تتمتع بحساسية كتلة عالية للرطوبة. البلورة عبارة عن مرنان في دائرة متذبذبة يختلف ترددها مع الكتلة، ومن خلال اختيار الطلاء المناسب، يمكن استخدام المستشعر لتحديد الرطوبة النسبية للغازات المختلفة. تعتمد الحساسية وخطية الاستجابة وزمن الاستجابة والانتقائية والتباطؤ وعمر المستشعر على طبيعة مواد الطلاء الكيميائية.

2-حساس أكسيد النيتروجين

أكسيد النيتروجين هو مجموعة متنوعة من أكاسيد النيتروجين تتكون من خليط من الغازات، وغالبًا ما يتم التعبير عنها بـ NOX. في أكسيد النيتروجين، تختلف أشكال الاستقرار الكيميائي لأكسيد النيتروجين، وغالبًا ما ينقسم الهواء إلى خصائص كيميائية مستقرة نسبيًا لأول أكسيد النيتروجين وثاني أكسيد النيتروجين، ويبدو أن أهميتها في النظافة أكثر أهمية من الأشكال الأخرى لأكسيد النيتروجين.

في التحليل البيئي، يشير أكسيد النيتروجين عمومًا إلى ثاني أكسيد النيتروجين. الطريقة القياسية الصينية لرصد أكاسيد النيتروجين هي الطريقة اللونية لنفثالين إيثيلينديامين هيدروكلوريد، وحساسية الطريقة هي 0.25 ميكروغرام / 5 مل، وتتأثر طريقة معامل التحويل بتركيبة المحلول الماص، وتركيز ثاني أكسيد النيتروجين، والسرعة. جمع الغاز، وهيكل أنبوب الامتصاص، والتعايش بين الأيونات ودرجة الحرارة والعديد من العوامل الأخرى، ليست موحدة تماما. يعد تحديد المستشعر طريقة جديدة تم تطويرها في السنوات الأخيرة.

3-حساس غاز كبريتيد الهيدروجين

كبريتيد الهيدروجين هو غاز عديم اللون وقابل للاشتعال وله رائحة خاصة للبيض الفاسد، وهو مهيج وخانق ومضر بجسم الإنسان. تستخدم معظم الطرق قياس السعرات الحرارية واللوني للغاز لتحديد كبريتيد الهيدروجين في الهواء. يعد تحديد ملوثات الهواء التي غالبًا ما يكون محتواها منخفضًا مثل مستوى ملغم / م 3 أحد التطبيقات الرئيسية لأجهزة استشعار الغاز، ولكن أجهزة استشعار الغاز شبه الموصلة غير قادرة على تلبية متطلبات الحساسية والانتقائية لمراقبة بعض الغازات الملوثة في فترة قصيرة من الوقت.

تتكون مجموعة أجهزة الاستشعار ذات الأغشية الرقيقة المطلية بالفضة من أربعة أجهزة استشعار تسجل في وقت واحد تركيزات ثاني أكسيد الكبريت وكبريتيد الهيدروجين باستخدام محلل عالمي يعتمد على المعايرة الكولومترية والإشارات الصادرة عن مجموعة أجهزة استشعار غاز أشباه الموصلات. أظهرت الممارسة أن أجهزة الاستشعار ذات الأغشية الرقيقة المطلية بالفضة والمستخدمة عند درجة حرارة 150 درجة مئوية بطريقة درجة حرارة ثابتة فعالة في مراقبة محتوى كبريتيد الهيدروجين في الهواء الحضري.

4. مستشعر ثاني أكسيد الكبريت

يعد ثاني أكسيد الكبريت أحد المواد الرئيسية التي تلوث الهواء، ويعد اكتشاف ثاني أكسيد الكبريت في الهواء جزءًا منتظمًا من اختبارات الهواء. وقد أظهر تطبيق أجهزة الاستشعار في مراقبة ثاني أكسيد الكبريت تفوقاً كبيراً، بدءاً من اختصار زمن الكشف وحتى خفض حد الكشف. تُستخدم البوليمرات الصلبة كأغشية للتبادل الأيوني، حيث يحتوي جانب واحد من الغشاء على إلكتروليتات داخلية للأقطاب الكهربية العدادية والمرجعية، ويتم إدخال قطب كهربائي من البلاتين على الجانب الآخر لتشكيل مستشعر ثاني أكسيد الكبريت. يتم تركيب المستشعر في خلية تدفق ويقوم بأكسدة ثاني أكسيد الكبريت بجهد 0.65 فولت. ثم تتم الإشارة إلى محتوى ثاني أكسيد الكبريت. يُظهر جهاز الاستشعار حساسية تيار عالية، ووقت استجابة قصير، واستقرار جيد، وضوضاء خلفية منخفضة، ونطاق خطي يبلغ 0.2 مليمول/لتر، وحد كشف يبلغ 8*10-6 مليمول/لتر، ونسبة الإشارة إلى الضوضاء من 3.

لا يستطيع المستشعر اكتشاف ثاني أكسيد الكبريت في الهواء فحسب، بل يمكن استخدامه أيضًا للكشف عن ثاني أكسيد الكبريت في السائل منخفض التوصيل. تم تصنيع الطلاء الحساس للغاز لمستشعر غاز ثاني أكسيد الكبريت ذو الأغشية الرقيقة السيليكاتية المعدلة عضويًا باستخدام عملية sol-gel وتقنية الدوران. يُظهر هذا الطلاء إمكانية تكرار نتائج وانعكاسًا ممتازين في تحديد ثاني أكسيد الكبريت، مع زمن استجابة سريع أقل من 20 ثانية. بالإضافة إلى ذلك، فإنه يوضح الحد الأدنى من التفاعل مع الغازات الأخرى ويتأثر بشكل طفيف بالتغيرات في درجة الحرارة والرطوبة.