Τι γνωρίζετε για τους ηλεκτροχημικούς αισθητήρες Ελλάδα

Ο ηλεκτροχημικός αισθητήρας είναι ένας τύπος αισθητήρα που βασίζεται στις ηλεκτροχημικές ιδιότητες της αναλυόμενης ουσίας για τη μετατροπή της χημικής ποσότητας σε ηλεκτρική ποσότητα για ανίχνευση και ανίχνευση.

Οι πρώτοι ηλεκτροχημικοί αισθητήρες χρονολογούνται από τη δεκαετία του 1950, όταν χρησιμοποιήθηκαν για την παρακολούθηση του οξυγόνου. Και μέχρι τη δεκαετία του 1980, όταν χρησιμοποιήθηκαν για την παρακολούθηση ενός ευρέος φάσματος τοξικών αερίων και έδειξαν καλή ευαισθησία και επιλεκτικότητα.

Ⅰ. Αρχή λειτουργίας ηλεκτροχημικού αισθητήρα

 Οι ηλεκτροχημικοί αισθητήρες λειτουργούν αντιδρώντας χημικά με το αέριο που μετράται και παράγοντας ένα ηλεκτρικό σήμα ανάλογο με τη συγκέντρωση του αερίου. Οι περισσότεροι ηλεκτροχημικοί αισθητήρες αερίων παράγουν ρεύμα που είναι γραμμικά ανάλογο με τη συγκέντρωση του αερίου.

 Ένας ηλεκτροχημικός αισθητήρας αερίου λειτουργεί ως εξής: Τα μόρια αερίου στόχου που έρχονται σε επαφή με τον αισθητήρα πρώτα περνούν μέσα από ένα διάφραγμα που αποτρέπει τη συμπύκνωση και επίσης λειτουργεί ως φράγμα σκόνης. Στη συνέχεια, τα μόρια του αερίου διαχέονται μέσω ενός τριχοειδούς σωλήνα, πιθανώς μέσω ενός επόμενου φίλτρου, και στη συνέχεια μέσω μιας υδρόφοβης μεμβράνης στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου αίσθησης. Εκεί τα μόρια οξειδώνονται ή ανάγεται αμέσως, δημιουργώντας ή καταναλώνοντας ηλεκτρόνια, δημιουργώντας έτσι ηλεκτρικό ρεύμα.

 Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η ποσότητα των μορίων αερίου που εισέρχονται στον αισθητήρα με αυτόν τον τρόπο περιορίζεται από τη διάχυση μέσω του τριχοειδούς. Με τη βελτιστοποίηση της διαδρομής, λαμβάνεται ένα κατάλληλο ηλεκτρικό σήμα σύμφωνα με το επιθυμητό εύρος μέτρησης. Ο σχεδιασμός του ηλεκτροδίου ανίχνευσης είναι απαραίτητος για την επίτευξη υψηλής απόκρισης στο αέριο στόχο και για την καταστολή ανεπιθύμητων αποκρίσεων στα παρεμβαλλόμενα αέρια. Περιλαμβάνει ένα σύστημα τριών σταδίων για στερεά, υγρά και αέρια, και όλα περιλαμβάνουν χημική ταυτοποίηση του αναλυόμενου αερίου. Το ηλεκτροχημικό στοιχείο συμπληρώνεται από το λεγόμενο αντίθετο ηλεκτρόδιο, το ηλεκτρόδιο Cont, το οποίο εξισορροπεί την αντίδραση στο ηλεκτρόδιο ανίχνευσης. Το ιοντικό ρεύμα μεταξύ του ηλεκτροδίου Cont και του ηλεκτροδίου Sen μεταφέρεται από τον ηλεκτρολύτη μέσα στο σώμα του αισθητήρα, ενώ η διαδρομή ρεύματος παρέχεται μέσω ενός καλωδίου που τερματίζεται από έναν ακροδέκτη. Ένα τρίτο ηλεκτρόδιο περιλαμβάνεται συνήθως στους ηλεκτροχημικούς αισθητήρες (αισθητήρες 3 ηλεκτροδίων). Ένα λεγόμενο ηλεκτρόδιο αναφοράς χρησιμοποιείται για τη διατήρηση του δυναμικού του ηλεκτροδίου αίσθησης σε μια σταθερή τιμή. Για το σκοπό αυτό και συνήθως για τη λειτουργία ηλεκτροχημικών αισθητήρων απαιτείται κύκλωμα σταθερού δυναμικού.

Ⅱ. Συστατικά ενός ηλεκτροχημικού αισθητήρα

Ο ηλεκτροχημικός αισθητήρας περιλαμβάνει τα ακόλουθα τέσσερα βασικά στοιχεία:

1. Αναπνεύσιμες μεμβράνες (γνωστές και ως υδρόφοβες μεμβράνες): Αυτές οι μεμβράνες χρησιμεύουν για να καλύπτουν τα αισθητήρια (καταλυτικά) ηλεκτρόδια και, σε ορισμένες περιπτώσεις, ρυθμίζουν το μοριακό βάρος των αερίων που φτάνουν στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου. Συνήθως, αυτές οι μεμβράνες κατασκευάζονται από μεμβράνες τεφλόν με χαμηλό πορώδες. Όταν αυτές οι μεμβράνες χρησιμοποιούνται για την κάλυψη των ηλεκτροδίων, οι αισθητήρες αναφέρονται ως επικαλυμμένοι αισθητήρες. Εναλλακτικά, μια μεμβράνη τεφλόν υψηλού πορώδους μπορεί να χρησιμοποιηθεί, μαζί με ένα τριχοειδές, για τον έλεγχο του μοριακού βάρους του αερίου που φτάνει στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου. Αυτή η διαμόρφωση είναι γνωστή ως αισθητήρας τριχοειδούς τύπου. Εκτός από την παροχή μηχανικής προστασίας για τον αισθητήρα, το φιλμ λειτουργεί και ως φίλτρο, εξαλείφοντας τα ανεπιθύμητα σωματίδια. Για να διασφαλιστεί ότι επιτρέπεται να περάσει το κατάλληλο μοριακό βάρος του αερίου, είναι σημαντικό να επιλέξετε το κατάλληλο μέγεθος ανοίγματος τόσο για τη μεμβράνη όσο και για το τριχοειδές. Το μέγεθος του ανοίγματος πρέπει να επιτρέπει σε επαρκή μόρια αερίου να φτάσουν στο ηλεκτρόδιο αίσθησης, αποτρέποντας ταυτόχρονα τη διαρροή ή το γρήγορο στέγνωμα του υγρού ηλεκτρολύτη.

2. Ηλεκτρόδιο: Είναι σημαντικό να επιλέξετε προσεκτικά το υλικό του ηλεκτροδίου. Το υλικό πρέπει να είναι καταλυτικό, ικανό να εκτελεί μια ημιηλεκτρολυτική αντίδραση για παρατεταμένη περίοδο. Συνήθως, τα ηλεκτρόδια κατασκευάζονται από πολύτιμα μέταλλα, όπως η πλατίνα ή ο χρυσός, τα οποία αντιδρούν αποτελεσματικά με μόρια αερίου μέσω της κατάλυσης. Ανάλογα με το σχεδιασμό του αισθητήρα, τα τρία ηλεκτρόδια μπορούν να κατασκευαστούν από διαφορετικά υλικά για να διευκολύνουν την αντίδραση ηλεκτρόλυσης.

3. Ηλεκτρολύτης: Ο ηλεκτρολύτης πρέπει να είναι ικανός να διευκολύνει τις ηλεκτρολυτικές αντιδράσεις και να μεταφέρει αποτελεσματικά το ιοντικό φορτίο στο ηλεκτρόδιο. Πρέπει επίσης να σχηματίζει ένα σταθερό δυναμικό αναφοράς με το ηλεκτρόδιο αναφοράς και να είναι συμβατό με τα υλικά που χρησιμοποιούνται στον αισθητήρα. Επιπλέον, η ταχεία εξάτμιση του ηλεκτρολύτη μπορεί να οδηγήσει σε εξασθένηση του σήματος του αισθητήρα, δυνητικά υπονομεύοντας την ακρίβεια και την αξιοπιστία του.

4. Φίλτρα: Περιστασιακά, τοποθετούνται φίλτρα καθαρισμού μπροστά από τον αισθητήρα για την εξάλειψη των ανεπιθύμητων αερίων. Η επιλογή των φίλτρων είναι περιορισμένη, με κάθε τύπο να παρουσιάζει ένα ξεχωριστό επίπεδο απόδοσης. Ο ενεργός άνθρακας αποτελεί το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο υλικό φίλτρου, φιλτράροντας αποτελεσματικά τις περισσότερες χημικές ουσίες, εξαιρουμένου του μονοξειδίου του άνθρακα. Επιλέγοντας προσεκτικά τα κατάλληλα μέσα φίλτρου, οι ηλεκτροχημικοί αισθητήρες επιτυγχάνουν αυξημένη επιλεκτικότητα προς τα προβλεπόμενα αέρια.

Ⅲ. Ταξινόμηση Ηλεκτροχημικού Αισθητήρα

Υπάρχουν πολλοί τρόποι ταξινόμησης των ηλεκτροχημικών αισθητήρων. Ανάλογα με τα ποικίλα σήματα εξόδου τους, μπορούν να χωριστούν σε ποτενσιομετρικούς αισθητήρες, αμπερομετρικούς αισθητήρες και αγωγομετρικούς αισθητήρες.

Σύμφωνα με τις ουσίες που ανιχνεύονται από τους ηλεκτροχημικούς αισθητήρες, οι ηλεκτροχημικοί αισθητήρες μπορούν να ταξινομηθούν κυρίως σε αισθητήρες ιόντων, αισθητήρες αερίων και βιοαισθητήρες.

Ⅳ. Κύριες Ιδιότητες και Παράγοντες Επιρροής

1. Ευαισθησία

Οι κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν την ευαισθησία περιλαμβάνουν: τη δραστηριότητα του καταλύτη, την εισαγωγή αέρα, την αγωγιμότητα των ηλεκτρολυτών και τη θερμοκρασία περιβάλλοντος.

2. Ανάκτηση απόκρισης

Οι κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα ανάκτησης απόκρισης είναι η δραστηριότητα του καταλύτη, η αγωγιμότητα του ηλεκτρολύτη, η δομή του θαλάμου αερίων, οι ιδιότητες αερίων κ.λπ.

3. Επιλεκτικότητα/Διασταυρούμενη παρεμβολή

Οι κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν την επιλεκτικότητα περιλαμβάνουν τον τύπο του καταλύτη, τον ηλεκτρολύτη, την τάση πόλωσης, το φίλτρο κ.λπ.

4. Επαναληψιμότητα/Μακροπρόθεσμη σταθερότητα

Οι παράγοντες που επηρεάζουν την επαναληψιμότητα περιλαμβάνουν: σταθερότητα δομής ηλεκτροδίων, σταθερότητα ηλεκτρολυτών, σταθερότητα κυκλώματος αερίου κ.λπ.

5, Απόδοση υψηλής και χαμηλής θερμοκρασίας

Οι παράγοντες που επηρεάζουν τη σταθερότητα σε υψηλές και χαμηλές θερμοκρασίες περιλαμβάνουν: τη δραστηριότητα του καταλύτη, τη σταθερότητα της δομής του ηλεκτροδίου και τα χαρακτηριστικά αερίου.

V. Τέσσερις κύριες εφαρμογές ηλεκτροχημικών αισθητήρων

Οι ηλεκτροχημικοί αισθητήρες χρησιμοποιούνται ευρέως σε βιομηχανικούς και μη στρατιωτικούς χώρους ανίχνευσης αερίων, μπορούν να ανιχνεύσουν όζον, φορμαλδεΰδη, μονοξείδιο του άνθρακα, αμμωνία, υδρόθειο, διοξείδιο του θείου, διοξείδιο του αζώτου, οξυγόνο και άλλα αέρια, που χρησιμοποιούνται συνήθως σε φορητά όργανα και όργανα online παρακολούθησης αερίου.

1. Αισθητήρας υγρασίας

Η υγρασία είναι ένας σημαντικός δείκτης του ατμοσφαιρικού περιβάλλοντος, η υγρασία του αέρα και του ανθρώπινου σώματος έχει μια στενή σχέση μεταξύ της θερμότητας της εξάτμισης, της υψηλής θερμοκρασίας και της υψηλής υγρασίας, λόγω των δυσκολιών εξάτμισης του νερού και της αίσθησης πνιγμού, χαμηλής θερμοκρασίας και υψηλή υγρασία, η διαδικασία απαγωγής της θερμότητας του ανθρώπινου σώματος είναι έντονη, μπορεί εύκολα να προκαλέσει κρυολογήματα και κρυοπαγήματα. Η πιο κατάλληλη θερμοκρασία για το ανθρώπινο σώμα είναι 18~22℃, η σχετική υγρασία είναι 35%~65% RH. Στην παρακολούθηση του περιβάλλοντος και της υγείας, χρησιμοποιείται συνήθως σε θερμόμετρο υγρού λαμπτήρα, υγρόμετρο με χειροκίνητο και υγρόμετρο εξαερισμού και άλλα όργανα για τον προσδιορισμό της υγρασίας του αέρα.

Τα τελευταία χρόνια, ένας μεγάλος αριθμός βιβλιογραφίας αναφέρει τη χρήση αισθητήρων για τον προσδιορισμό της υγρασίας του αέρα. Οι επικαλυμμένοι πιεζοηλεκτρικοί κρύσταλλοι χαλαζία που χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό της σχετικής υγρασίας μετατρέπονται σε μικρούς πιεζοηλεκτρικούς κρυστάλλους χαλαζία με τεχνικές φωτολιθογραφίας και χημικής χάραξης, και τέσσερις ουσίες επικαλύπτονται στους κρυστάλλους χαλαζία AT-cut 10 MHz, οι οποίοι έχουν υψηλή ευαισθησία μάζας στο χουμί. Ο κρύσταλλος είναι ένας συντονιστής σε ένα κύκλωμα ταλάντωσης του οποίου η συχνότητα ποικίλλει ανάλογα με τη μάζα και επιλέγοντας την κατάλληλη επίστρωση, ο αισθητήρας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό της σχετικής υγρασίας διαφορετικών αερίων. Η ευαισθησία, η γραμμικότητα απόκρισης, ο χρόνος απόκρισης, η επιλεκτικότητα, η υστέρηση και η διάρκεια ζωής του αισθητήρα εξαρτώνται από τη φύση των χημικών επικαλύψεων.

2, Αισθητήρας οξειδίου του αζώτου

Το οξείδιο του αζώτου είναι μια ποικιλία οξειδίων του αζώτου που αποτελείται από ένα μείγμα αερίων, που συχνά εκφράζεται ως NOX. Στο οξείδιο του αζώτου, διαφορετικές μορφές χημικής σταθερότητας οξειδίου του αζώτου είναι διαφορετική, ο αέρας συχνά χωρίζεται σε σχετικά σταθερές χημικές ιδιότητες του μονοξειδίου του αζώτου και του διοξειδίου του αζώτου, η σημασία τους στην υγιεινή φαίνεται να είναι πιο σημαντική από άλλες μορφές οξειδίου του αζώτου.

Στην περιβαλλοντική ανάλυση, το οξείδιο του αζώτου αναφέρεται γενικά στο διοξείδιο του αζώτου. Η τυπική μέθοδος της Κίνας για την παρακολούθηση των οξειδίων του αζώτου είναι η χρωματομετρική μέθοδος υδροχλωρικής ναφθαλίνης αιθυλενοδιαμίνης, η ευαισθησία της μεθόδου είναι 0.25 ug/5 ml, η μέθοδος του συντελεστή μετατροπής επηρεάζεται από τη σύνθεση του απορροφητικού διαλύματος, τη συγκέντρωση διοξειδίου του αζώτου, την ταχύτητα της συλλογής αερίων, η δομή του απορροφητικού σωλήνα, η συνύπαρξη ιόντων και θερμοκρασίας και πολλοί άλλοι παράγοντες, μη πλήρως ενοποιημένοι. Ο προσδιορισμός αισθητήρα είναι μια νέα μέθοδος που αναπτύχθηκε τα τελευταία χρόνια.

3, Αισθητήρας αερίου υδρόθειου

Το υδρόθειο είναι ένα άχρωμο, εύφλεκτο αέριο με ειδική μυρωδιά σάπιου αυγού, που είναι ερεθιστικό και ασφυξικό και επιβλαβές για τον ανθρώπινο οργανισμό. Οι περισσότερες μέθοδοι χρησιμοποιούν θερμιδομετρία και αέρια χρωματογραφία για τον προσδιορισμό του υδρόθειου στον αέρα. Ο προσδιορισμός ατμοσφαιρικών ρύπων των οποίων η περιεκτικότητα είναι συχνά τόσο χαμηλή όσο το επίπεδο mg/m3 είναι μία από τις κύριες εφαρμογές των αισθητήρων αερίων, αλλά οι αισθητήρες αερίων ημιαγωγών δεν είναι σε θέση να ικανοποιήσουν τις απαιτήσεις ευαισθησίας και επιλεκτικότητας για την παρακολούθηση ορισμένων ρυπογόνων αερίων σε σύντομο χρονικό διάστημα χρονικός.

Η συστοιχία αισθητήρων λεπτής μεμβράνης με άργυρο αποτελείται από τέσσερις αισθητήρες που καταγράφουν ταυτόχρονα τις συγκεντρώσεις διοξειδίου του θείου και υδρόθειου χρησιμοποιώντας έναν γενικό αναλυτή που βασίζεται στην κουλομετρική τιτλοδότηση και τα σήματα από τη διάταξη αισθητήρων αερίων ημιαγωγών. Η πρακτική έχει δείξει ότι οι αισθητήρες λεπτής μεμβράνης με άργυρο που χρησιμοποιούνται στους 150 °C με τρόπο σταθερής θερμοκρασίας είναι αποτελεσματικοί για την παρακολούθηση της περιεκτικότητας σε υδρόθειο στον αστικό αέρα.

4. Αισθητήρας διοξειδίου του θείου

Το διοξείδιο του θείου είναι μία από τις κύριες ουσίες που μολύνουν τον αέρα και η ανίχνευση του διοξειδίου του θείου στον αέρα αποτελεί τακτικό μέρος των δοκιμών του αέρα. Η εφαρμογή αισθητήρων στην παρακολούθηση του διοξειδίου του θείου έχει δείξει μεγάλη υπεροχή, από τη μείωση του χρόνου ανίχνευσης έως τη μείωση του ορίου ανίχνευσης. Τα στερεά πολυμερή χρησιμοποιούνται ως μεμβράνες ανταλλαγής ιόντων, με τη μία πλευρά της μεμβράνης να περιέχει εσωτερικούς ηλεκτρολύτες για τα ηλεκτρόδια μετρητή και αναφοράς και ένα ηλεκτρόδιο πλατίνας εισάγεται στην άλλη πλευρά για να σχηματίσει τον αισθητήρα διοξειδίου του θείου. Ο αισθητήρας είναι τοποθετημένος σε κυψέλη ροής και οξειδώνει το διοξείδιο του θείου σε τάση 0.65 V. Στη συνέχεια υποδεικνύεται η περιεκτικότητα σε διοξείδιο του θείου. Η συσκευή ανίχνευσης παρουσιάζει υψηλή ευαισθησία ρεύματος, σύντομο χρόνο απόκρισης, καλή σταθερότητα, χαμηλό θόρυβο φόντου, γραμμικό εύρος 0.2 mmol/L, όριο ανίχνευσης 8*10-6 mmol/L και αναλογία σήματος προς θόρυβο από 3.

Ο αισθητήρας όχι μόνο μπορεί να ανιχνεύσει διοξείδιο του θείου στον αέρα, αλλά και να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση διοξειδίου του θείου σε υγρό χαμηλής αγωγιμότητας. Η ευαίσθητη στα αέρια επίστρωση του οργανικά τροποποιημένου πυριτικού λεπτού φιλμ αισθητήρα αερίου διοξειδίου του θείου κατασκευάστηκε χρησιμοποιώντας τεχνολογία sol-gel και spin. Αυτή η επίστρωση παρουσιάζει εξαιρετική αναπαραγωγιμότητα και αναστρεψιμότητα στον προσδιορισμό του διοξειδίου του θείου, με γρήγορο χρόνο απόκρισης μικρότερο από 20 δευτερόλεπτα. Επιπλέον, παρουσιάζει ελάχιστη αλληλεπίδραση με άλλα αέρια και επηρεάζεται ελάχιστα από τις αλλαγές στη θερμοκρασία και την υγρασία.