Што вы ведаеце пра электрахімічныя сэнсары Беларусь

Электрахімічны датчык - гэта тып датчыка, які абапіраецца на электрахімічныя ўласцівасці аналіту для пераўтварэння хімічнай колькасці ў электрычную для зандзіравання і выяўлення.

Самыя раннія электрахімічныя датчыкі датуюцца 1950-мі гадамі, калі яны выкарыстоўваліся для маніторынгу кіслароду. І да 1980-х гадоў, калі яны выкарыстоўваліся для маніторынгу шырокага спектру таксічных газаў і паказалі добрую адчувальнасць і селектыўнасць.

Ⅰ. Прынцып працы электрахімічнага датчыка

 Электрахімічныя датчыкі працуюць, уступаючы ў хімічную рэакцыю з вымяраным газам і ствараючы электрычны сігнал, прапарцыйны канцэнтрацыі газу. Большасць электрахімічных датчыкаў газу генеруюць ток, які лінейна прапарцыйны канцэнтрацыі газу.

 Электрахімічны датчык газу працуе наступным чынам: малекулы мэтавага газу ў кантакце з датчыкам спачатку праходзяць праз дыяфрагму, якая прадухіляе кандэнсацыю, а таксама дзейнічае як бар'ер для пылу. Затым малекулы газу дыфузіююць праз капілярную трубку, магчыма, праз наступны фільтр, а затым праз гідрафобную мембрану да паверхні адчувальнага электрода. Там малекулы неадкладна акісляюцца або аднаўляюцца, такім чынам генеруючы або спажываючы электроны, такім чынам ствараючы электрычны ток.

 Важна адзначыць, што колькасць малекул газу, якія трапляюць у датчык такім чынам, абмежавана дыфузіяй праз капіляр. Шляхам аптымізацыі шляху атрымліваецца адпаведны электрычны сігнал у адпаведнасці з патрэбным дыяпазонам вымярэння. Канструкцыя адчувальнага электрода вельмі важная для дасягнення высокай рэакцыі на мэтавы газ і падаўлення непажаданых рэакцый на газы, якія перашкаджаюць. Гэта ўключае ў сябе трохступеньчатую сістэму для цвёрдых рэчываў, вадкасцей і газаў, і ўсе яны ўключаюць хімічную ідэнтыфікацыю аналізаванага газу. Электрахімічная ячэйка завяршаецца так званым процілеглым электродам, электродам Cont, які ўраўнаважвае рэакцыю на адчувальным электродзе. Іённы ток паміж электродам Cont і электродам Sen транспартуецца электралітам унутры корпуса датчыка, у той час як шлях току забяспечваецца праз провад, заканчваецца штыфтавым раздымам. Трэці электрод звычайна ўключаецца ў электрахімічныя датчыкі (3-электродныя датчыкі). Для падтрымання патэнцыялу адчувальнага электрода на фіксаваным значэнні выкарыстоўваецца так званы электрод параўнання. Для гэтай мэты і звычайна для працы электрахімічных датчыкаў патрабуецца ланцуг пастаяннага патэнцыялу.

Ⅱ. Кампаненты электрахімічнага сэнсара

Электрахімічны датчык складаецца з наступных чатырох ключавых кампанентаў:

1. Дыхаючыя мембраны (таксама вядомыя як гідрафобныя мембраны): гэтыя мембраны служаць для пакрыцця адчувальных (каталітычных) электродаў і, у некаторых выпадках, рэгулююць малекулярную масу газаў, якія дасягаюць паверхні электродаў. Як правіла, гэтыя мембраны вырабляюцца з тэфлонавых плёнак з нізкай сітаватасцю. Калі гэтыя мембраны выкарыстоўваюцца для пакрыцця электродаў, датчыкі называюцца датчыкамі з пакрыццём. У якасці альтэрнатывы можна выкарыстоўваць тэфлонавую плёнку з высокай сітаватасцю разам з капілярам для кантролю малекулярнай масы газу, які дасягае паверхні электрода. Гэтая канфігурацыя вядомая як датчык капілярнага тыпу. Акрамя механічнай абароны датчыка, плёнка таксама выконвае функцыю фільтра, ухіляючы непажаданыя часціцы. Каб забяспечыць праходжанне газу адпаведнай малекулярнай масы, вельмі важна выбраць адпаведны памер адтуліны як для мембраны, так і для капіляра. Памер адтуліны павінен дазваляць дастатковай колькасці малекул газу дасягаць адчувальнага электрода, адначасова прадухіляючы ўцечку або хуткае высыханне вадкага электраліта.

2. Электрод: вельмі важна старанна выбіраць матэрыял электрода. Матэрыял павінен быць каталітычным, здольным выконваць паўэлектралітычную рэакцыю на працягу доўгага часу. Як правіла, электроды вырабляюцца з каштоўных металаў, такіх як плаціна або золата, якія эфектыўна рэагуюць з малекуламі газу шляхам каталізу. У залежнасці ад канструкцыі датчыка, тры электроды могуць быць выраблены з розных матэрыялаў для палягчэння рэакцыі электролізу.

3. Электраліт: электраліт павінен быць здольны спрыяць электралітычнай рэакцыі і эфектыўна перадаваць іённы зарад на электрод. Ён таксама павінен ствараць стабільны эталонны патэнцыял з эталонным электродам і быць сумяшчальным з матэрыяламі, якія выкарыстоўваюцца ў датчыку. Акрамя таго, хуткае выпарэнне электраліта можа прывесці да паслаблення сігналу датчыка, патэнцыйна пагаршаючы яго дакладнасць і надзейнасць.

4. Фільтры: часам ачышчальныя фільтры размяшчаюцца перад датчыкам для ліквідацыі непажаданых газаў. Выбар фільтраў абмежаваны, кожны тып дэманструе розны ўзровень эфектыўнасці. Актываваны вугаль з'яўляецца найбольш шырока выкарыстоўваным фільтруючым матэрыялам, які эфектыўна адфільтроўвае большасць хімічных рэчываў, за выключэннем угарнага газу. Шляхам стараннага выбару адпаведнага фільтруючага асяроддзя электрахімічныя датчыкі дасягаюць павышанай селектыўнасці ў адносінах да прызначаных газаў.

Ⅲ. Класіфікацыя электрахімічнага сэнсара

Ёсць шмат спосабаў класіфікацыі электрахімічных датчыкаў. У залежнасці ад іх розных выхадных сігналаў іх можна падзяліць на патэнцыяметрычныя датчыкі, ампераметрычныя датчыкі і кандуктаметрычныя датчыкі.

У залежнасці ад рэчываў, якія выяўляюцца электрахімічнымі датчыкамі, электрахімічныя датчыкі можна ў асноўным класіфікаваць на іённыя, газавыя і біядатчыкі.

Ⅳ. Асноўныя ўласцівасці і фактары ўплыву

1. Адчувальнасць

Да асноўных фактараў, якія ўплываюць на адчувальнасць, адносяцца: актыўнасць каталізатара, забор паветра, праводнасць электраліта і тэмпература навакольнага асяроддзя.

2. Аднаўленне адказу

Асноўнымі фактарамі, якія ўплываюць на хуткасць аднаўлення адказу, з'яўляюцца актыўнасць каталізатара, праводнасць электраліта, структура газавай камеры, уласцівасці газу і інш.

3. Выбіральнасць/перакрыжаваная інтэрферэнцыя

Асноўныя фактары, якія ўплываюць на селектыўнасць, ўключаюць тып каталізатара, электраліта, напружанне зрушэння, фільтр і г.д.

4. Паўтараемасць/доўгатэрміновая стабільнасць

Фактары, якія ўплываюць на паўтаральнасць, ўключаюць: стабільнасць структуры электрода, стабільнасць электраліта, стабільнасць газавага контуру і г.д.

5、Прадукцыйнасць пры высокіх і нізкіх тэмпературах

Фактары, якія ўплываюць на стабільнасць пры высокіх і нізкіх тэмпературах, ўключаюць: актыўнасць каталізатара, стабільнасць структуры электрода і характарыстыкі газу.

V. Чатыры асноўных прымянення электрахімічных датчыкаў

Электрахімічныя датчыкі шырока выкарыстоўваюцца ў прамысловых і грамадзянскіх сферах выяўлення газу, могуць выяўляць азон, фармальдэгід, угарны газ, аміяк, серавадарод, дыяксід серы, дыяксід азоту, кісларод і іншыя газы, якія звычайна выкарыстоўваюцца ў партатыўных прыборах і прыборах онлайн-маніторынгу газу.

1. Датчык вільготнасці

Вільготнасць з'яўляецца важным паказчыкам навакольнага асяроддзя, вільготнасць паветра і чалавечае цела мае цесную ўзаемасувязь паміж цеплынёй выпарэння, высокай тэмпературай і высокай вільготнасцю, з-за чалавечага цела цяжкасці выпарэння вады і адчуваць сябе душна, нізкая тэмпература і высокая вільготнасць, працэс адводу цяпла чалавечага цела з'яўляецца інтэнсіўным, лёгка выклікаць прастуду і абмаражэнне. Найбольш прыдатная тэмпература для цела чалавека 18~22℃, адносная вільготнасць 35%~65% адноснай вільготнасці. У маніторынгу навакольнага асяроддзя і здароўя ён звычайна выкарыстоўваецца ў вільготным гігрометры, ручным гігрометры і вентыляцыйных гігрометрах і іншых прыборах для вызначэння вільготнасці паветра.

У апошнія гады з'явілася вялікая колькасць літаратурных паведамленняў аб выкарыстанні датчыкаў для вызначэння вільготнасці паветра. Крышталі п'езаэлектрычнага кварца з пакрыццём, якія выкарыстоўваюцца для вызначэння адноснай вільготнасці, ператвараюцца ў невялікія п'езаэлектрычныя крышталі кварца з дапамогай метадаў фоталітаграфіі і хімічнага тручэння, а чатыры рэчывы наносяцца на крышталі кварца AT-разрэзу з частатой 10 МГц, якія валодаюць высокай масавай адчувальнасцю да вільготнасці. Крышталь з'яўляецца рэзанатарам у вагальным контуры, частата якога змяняецца ў залежнасці ад масы, і, выбраўшы адпаведнае пакрыццё, датчык можа быць выкарыстаны для вызначэння адноснай вільготнасці розных газаў. Адчувальнасць, лінейнасць водгуку, час водгуку, селектыўнасць, гістэрэзіс і тэрмін службы датчыка залежаць ад прыроды хімікатаў пакрыцця.

2、Датчык аксіду азоту

Аксід азоту - гэта разнавіднасць аксідаў азоту, якія складаюцца з сумесі газаў, часта выражаных як NOX. У аксіду азоту розныя формы аксіду азоту адрозніваюцца хімічнай стабільнасцю, паветра часта дзеляць на адносна стабільныя хімічныя ўласцівасці аксіду азоту і дыяксіду азоту, іх значэнне ў гігіене здаецца больш важным, чым іншыя формы аксіду азоту.

У аналізе навакольнага асяроддзя аксід азоту звычайна адносіцца да дыяксіду азоту. Стандартны метад маніторынгу аксідаў азоту ў Кітаі - каларыметрычны метад гідрахларыду нафталіну этылендыяміну, адчувальнасць метаду складае 0.25 мкг/5 мл, на каэфіцыент пераўтварэння метаду ўплываюць склад раствора паглынальніка, канцэнтрацыя дыяксіду азоту, хуткасць збору газу, структуры паглынальнай трубкі, суіснавання іёнаў і тэмпературы і многіх іншых фактараў, не цалкам адзіных. Сэнсарнае вызначэнне - новы метад, распрацаваны ў апошнія гады.

3、Датчык серавадароду

Серавадарод — бескаляровы гаручы газ з асаблівым пахам тухлых яек, які выклікае раздражненне і ўдушша, шкодны для арганізма чалавека. У большасці метадаў для вызначэння серавадароду ў паветры выкарыстоўваецца каларыметрыя і газавая храматаграфія. Вызначэнне забруджвальных рэчываў у паветры, утрыманне якіх часта дасягае ўзроўню мг/м3, з'яўляецца адным з асноўных прымяненняў газавых датчыкаў, але паўправадніковыя газавыя датчыкі не здольныя задаволіць патрабаванні адчувальнасці і селектыўнасці для маніторынгу некаторых забруджвальных газаў за кароткі перыяд часу.

Тонкаплёнкавы датчык, легаваны срэбрам, складаецца з чатырох датчыкаў, якія адначасова фіксуюць канцэнтрацыі дыяксіду серы і серавадароду з дапамогай універсальнага аналізатара на аснове куламетрычнага тытравання і сігналаў ад паўправадніковага датчыка газу. Практыка паказала, што легаваныя срэбрам тонкаплёнкавыя датчыкі, якія выкарыстоўваюцца пры 150 °C пры пастаяннай тэмпературы, эфектыўныя для маніторынгу ўтрымання серавадароду ў гарадскім паветры.

4. Датчык дыяксіду серы

Дыяксід серы з'яўляецца адным з асноўных рэчываў, якія забруджваюць паветра, і выяўленне дыяксіду серы ў паветры з'яўляецца рэгулярнай часткай тэставання паветра. Прымяненне датчыкаў у маніторынгу дыяксіду серы паказала вялікую перавагу - ад скарачэння часу выяўлення да зніжэння мяжы выяўлення. Цвёрдыя палімеры выкарыстоўваюцца ў якасці іонаабменных мембран, прычым адзін бок мембраны змяшчае ўнутраныя электраліты для процілеглага электрода і электрода параўнання, а з другога боку ўстаўлены плацінавы электрод для фарміравання датчыка дыяксіду серы. Датчык усталяваны ў праточнай ячэйцы і акісляе дыяксід серы пры напрузе 0.65 В. Затым паказваецца ўтрыманне дыяксіду серы. Датчык мае высокую адчувальнасць да току, кароткі час водгуку, добрую стабільнасць, нізкі фонавы шум, лінейны дыяпазон 0.2 ммоль/л, мяжа выяўлення 8*10-6 ммоль/л і стаўленне сігнал/шум з 3.

Датчык можа не толькі выяўляць дыяксід серы ў паветры, але і выкарыстоўвацца для выяўлення дыяксіду серы ў вадкасці з нізкай праводнасцю. Газаадчувальнае пакрыццё арганічна мадыфікаванага сілікатнага тонкаплёнкавага датчыка дыяксіду серы было выраблена з выкарыстаннем золь-гель працэсу і спінавай тэхналогіі. Гэта пакрыццё дэманструе выдатную ўзнаўляльнасць і зваротнасць пры вызначэнні дыяксіду серы з хуткім часам водгуку менш за 20 секунд. Акрамя таго, ён дэманструе мінімальнае ўзаемадзеянне з іншымі газамі і мінімальна паддаецца ўплыву змен тэмпературы і вільготнасці.