Co wiesz o czujnikach elektrochemicznych Polska

Czujnik elektrochemiczny to rodzaj czujnika, który opiera się na właściwościach elektrochemicznych analitu w celu przekształcenia ilości chemicznej w wielkość elektryczną na potrzeby wykrywania i wykrywania.

Najwcześniejsze czujniki elektrochemiczne pochodzą z lat 1950. XX wieku, kiedy to były używane do monitorowania tlenu. I z lat 1980. XX wieku, kiedy były używane do monitorowania szerokiej gamy gazów toksycznych i wykazywały dobrą czułość i selektywność.

I. Zasada działania czujnika elektrochemicznego

 Czujniki elektrochemiczne działają poprzez reakcję chemiczną z mierzonym gazem i wytwarzanie sygnału elektrycznego proporcjonalnego do stężenia gazu. Większość czujników elektrochemicznych gazu generuje prąd liniowo proporcjonalny do stężenia gazu.

 Elektrochemiczny czujnik gazu działa w następujący sposób: cząsteczki gazu docelowego w kontakcie z czujnikiem najpierw przechodzą przez przeponę, która zapobiega kondensacji i działa również jako bariera przeciwpyłowa. Następnie cząsteczki gazu dyfundują przez rurkę kapilarną, ewentualnie przez kolejny filtr, a następnie przez membranę hydrofobową do powierzchni elektrody pomiarowej. Tam cząsteczki są natychmiast utleniane lub redukowane, generując lub zużywając elektrony, generując w ten sposób prąd elektryczny.

 Ważne jest, aby zauważyć, że ilość cząsteczek gazu wchodzących w ten sposób do czujnika jest ograniczona przez dyfuzję przez kapilarę. Poprzez optymalizację ścieżki uzyskuje się odpowiedni sygnał elektryczny zgodnie z pożądanym zakresem pomiaru. Konstrukcja elektrody czujnikowej jest niezbędna do uzyskania wysokiej reakcji na gaz docelowy i tłumienia niepożądanych reakcji na gazy zakłócające. Obejmuje ona trzystopniowy system dla ciał stałych, cieczy i gazów, a wszystkie obejmują identyfikację chemiczną gazu analitu. Komórka elektrochemiczna jest uzupełniona o tzw. elektrodę przeciwną, elektrodę Cont, która równoważy reakcję na elektrodzie czujnikowej. Prąd jonowy między elektrodą Cont a elektrodą Sen jest transportowany przez elektrolit wewnątrz korpusu czujnika, podczas gdy ścieżka prądu jest dostarczana przez przewód zakończony złączem pinowym. Trzecia elektroda jest zwykle zawarta w czujnikach elektrochemicznych (czujniki 3-elektrodowe). Tak zwana elektroda odniesienia jest używana do utrzymywania potencjału elektrody czujnikowej na stałej wartości. W tym celu, a z reguły także do działania czujników elektrochemicznych, konieczny jest obwód o stałym potencjale.

II. Elementy czujnika elektrochemicznego

Czujnik elektrochemiczny składa się z czterech głównych komponentów:

1. Membrany oddychające (znane również jako membrany hydrofobowe): Membrany te służą do pokrywania elektrod czujnikowych (katalitycznych) i w niektórych przypadkach regulują masę cząsteczkową gazów docierających do powierzchni elektrody. Zazwyczaj membrany te są wytwarzane z folii teflonowych o niskiej porowatości. Gdy membrany te są stosowane do pokrywania elektrod, czujniki są określane jako czujniki powlekane. Alternatywnie, folia teflonowa o wysokiej porowatości może być wykorzystana wraz z kapilarą, aby kontrolować masę cząsteczkową gazu docierającego do powierzchni elektrody. Ta konfiguracja jest znana jako czujnik typu kapilarnego. Oprócz zapewniania ochrony mechanicznej dla czujnika, folia działa również jako filtr, eliminując niepożądane cząsteczki. Aby zapewnić odpowiednią masę cząsteczkową gazu, kluczowe jest wybranie odpowiedniego rozmiaru otworu zarówno dla membrany, jak i kapilary. Rozmiar otworu musi umożliwiać dotarcie wystarczającej liczby cząsteczek gazu do elektrody czujnikowej, zapobiegając jednocześnie wyciekom lub szybkiemu wysychaniu ciekłego elektrolitu.

2. Elektroda: Bardzo ważne jest staranne wybranie materiału elektrody. Materiał powinien być katalityczny, zdolny do przeprowadzania półelektrolitycznej reakcji przez dłuższy czas. Zazwyczaj elektrody są wykonane z metali szlachetnych, takich jak platyna lub złoto, które reagują wydajnie z cząsteczkami gazu poprzez katalizę. W zależności od konstrukcji czujnika, trzy elektrody mogą być wykonane z różnych materiałów, aby ułatwić reakcję elektrolizy.

3. Elektrolit: Elektrolit musi być zdolny do ułatwiania reakcji elektrolitycznych i wydajnego przekazywania ładunku jonowego do elektrody. Musi również tworzyć stabilny potencjał odniesienia z elektrodą odniesienia i być kompatybilny z materiałami używanymi w czujniku. Ponadto szybkie parowanie elektrolitu może prowadzić do osłabienia sygnału czujnika, potencjalnie obniżając jego dokładność i niezawodność.

4. Filtry: Czasami filtry skrubera są umieszczane przed czujnikiem w celu wyeliminowania niepożądanych gazów. Wybór filtrów jest ograniczony, a każdy typ wykazuje odrębny poziom wydajności. Węgiel aktywowany jest najczęściej stosowanym materiałem filtracyjnym, skutecznie filtrującym większość substancji chemicznych, z wyłączeniem tlenku węgla. Poprzez staranny dobór odpowiednich mediów filtracyjnych czujniki elektrochemiczne osiągają zwiększoną selektywność w stosunku do zamierzonych gazów.

III. Klasyfikacja czujników elektrochemicznych

Istnieje wiele sposobów klasyfikacji czujników elektrochemicznych. W zależności od ich zmiennych sygnałów wyjściowych można je podzielić na czujniki potencjometryczne, czujniki amperometryczne i czujniki konduktometryczne.

Ze względu na substancje wykrywane przez czujniki elektrochemiczne, czujniki elektrochemiczne można podzielić głównie na czujniki jonowe, czujniki gazowe i czujniki biologiczne.

I. Główne właściwości i czynniki wpływające

1. Wrażliwość

Głównymi czynnikami wpływającymi na czułość są: aktywność katalizatora, pobór powietrza, przewodność elektrolitu i temperatura otoczenia.

2. Odzyskiwanie odpowiedzi

Głównymi czynnikami wpływającymi na szybkość odzyskiwania reakcji są aktywność katalizatora, przewodność elektrolitu, struktura komory gazowej, właściwości gazu itp.

3. Selektywność/interferencja krzyżowa

Głównymi czynnikami wpływającymi na selektywność są m.in. rodzaj katalizatora, elektrolitu, napięcia polaryzacji, filtra itp.

4. Powtarzalność/stabilność długoterminowa

Czynniki wpływające na powtarzalność obejmują: stabilność struktury elektrody, stabilność elektrolitu, stabilność obwodu gazowego itp.

5. Wydajność w wysokich i niskich temperaturach

Czynniki wpływające na stabilność w wysokich i niskich temperaturach obejmują: aktywność katalizatora, stabilność struktury elektrody i właściwości gazu.

V. Cztery główne zastosowania czujników elektrochemicznych

Czujniki elektrochemiczne są powszechnie stosowane w przemyśle i cywilnych zastosowaniach do wykrywania gazów. Mogą wykrywać ozon, formaldehyd, tlenek węgla, amoniak, siarkowodór, dwutlenek siarki, dwutlenek azotu, tlen i inne gazy. Są powszechnie stosowane w urządzeniach przenośnych i urządzeniach do monitorowania gazu online.

1. Czujnik wilgotności

Wilgotność jest ważnym wskaźnikiem środowiska powietrza, wilgotność powietrza i ciała człowieka ma ścisły związek między ciepłem parowania, wysoką temperaturą i wysoką wilgotnością, ze względu na trudności z parowaniem wody w ciele człowieka i uczucie duszności, niską temperaturę i wysoką wilgotność, proces rozpraszania ciepła przez ciało człowieka jest intensywny, łatwo o przeziębienia i odmrożenia. Najbardziej odpowiednia temperatura dla ciała człowieka wynosi 18~22℃, wilgotność względna wynosi 35%~65% RH. W monitorowaniu środowiska i zdrowia jest powszechnie stosowany w termohigrometrze z mokrą termometrem, higrometrze z korbką ręczną i higrometrze wentylacyjnym oraz innych instrumentach do określania wilgotności powietrza.

W ostatnich latach wiele publikacji donosi o wykorzystaniu czujników do określania wilgotności powietrza. Powlekane kryształy kwarcu piezoelektrycznego używane do określania wilgotności względnej są wytwarzane w postaci małych kryształów piezoelektrycznych kwarcu za pomocą fotolitografii i technik trawienia chemicznego, a cztery substancje są nakładane na kryształy kwarcu AT-cut 10 MHz, które mają wysoką czułość masową na wilgotność. Kryształ jest rezonatorem w obwodzie oscylacyjnym, którego częstotliwość zmienia się wraz z masą, a poprzez dobór odpowiedniej powłoki czujnik może być używany do określania wilgotności względnej różnych gazów. Czułość, liniowość odpowiedzi, czas odpowiedzi, selektywność, histereza i żywotność czujnika zależą od rodzaju chemikaliów powłoki.

2. Czujnik tlenku azotu

Tlenek azotu to odmiana tlenków azotu składająca się z mieszaniny gazów, często wyrażana jako NOX. W tlenku azotu różne formy tlenku azotu stabilność chemiczna jest różna, powietrze jest często dzielone na stosunkowo stabilne właściwości chemiczne tlenku azotu i dwutlenku azotu, ich znaczenie w higienie wydaje się być ważniejsze niż innych form tlenku azotu.

W analizie środowiskowej tlenek azotu odnosi się ogólnie do dwutlenku azotu. Standardową metodą monitorowania tlenków azotu w Chinach jest metoda kolorymetryczna chlorowodorku naftalenu etylenodiaminy, czułość metody wynosi 0.25 ug/5 ml, metoda współczynnika konwersji zależy od składu roztworu absorbującego, stężenia dwutlenku azotu, szybkości zbierania gazu, struktury rury absorbującej, współistnienia jonów i temperatury oraz wielu innych czynników, które nie są w pełni ujednolicone. Określanie czujnika to nowa metoda opracowana w ostatnich latach.

3. Czujnik gazu siarkowodoru

Siarkowodór jest bezbarwnym, palnym gazem o specyficznym zapachu zgniłych jaj, który jest drażniący i duszący oraz szkodliwy dla ludzkiego ciała. Większość metod wykorzystuje kalorymetrię i chromatografię gazową do określania zawartości siarkowodoru w powietrzu. Określanie zanieczyszczeń powietrza, których zawartość jest często tak niska, jak poziom mg/m3, jest jednym z głównych zastosowań czujników gazowych, ale półprzewodnikowe czujniki gazowe nie są w stanie spełnić wymagań czułości i selektywności w celu monitorowania niektórych gazów zanieczyszczających w krótkim okresie czasu.

Domieszkowana srebrem matryca czujników cienkowarstwowych składa się z czterech czujników, które jednocześnie rejestrują stężenia dwutlenku siarki i siarkowodoru za pomocą uniwersalnego analizatora opartego na miareczkowaniu kulometrycznym i sygnałach z matrycy czujników gazowych półprzewodników. Praktyka wykazała, że ​​domieszkowane srebrem czujniki cienkowarstwowe stosowane w temperaturze 150 °C w sposób zapewniający stałą temperaturę są skuteczne w monitorowaniu zawartości siarkowodoru w powietrzu miejskim.

4. Czujnik dwutlenku siarki

Dwutlenek siarki jest jedną z głównych substancji zanieczyszczających powietrze, a wykrywanie dwutlenku siarki w powietrzu jest regularną częścią badania powietrza. Zastosowanie czujników w monitorowaniu dwutlenku siarki wykazało dużą wyższość, od skrócenia czasu wykrywania do obniżenia granicy wykrywalności. Stałe polimery są używane jako membrany jonowymienne, przy czym jedna strona membrany zawiera wewnętrzne elektrolity dla elektrod przeciwnych i odniesienia, a elektroda platynowa jest wstawiona po drugiej stronie, aby utworzyć czujnik dwutlenku siarki. Czujnik jest zamontowany w komorze przepływowej i utlenia dwutlenek siarki przy napięciu 0.65 V. Następnie wskazywana jest zawartość dwutlenku siarki. Urządzenie wykrywające wykazuje wysoką czułość prądową, krótki czas reakcji, dobrą stabilność, niski poziom szumu tła, zakres liniowy 0.2 mmol/l, granicę wykrywalności 8*10-6 mmol/l i stosunek sygnału do szumu 3.

Czujnik może nie tylko wykrywać dwutlenek siarki w powietrzu, ale także może być używany do wykrywania dwutlenku siarki w cieczy o niskiej przewodności. Powłoka gazoczuła cienkowarstwowego czujnika dwutlenku siarki z modyfikowanego organicznie krzemianu została wykonana przy użyciu procesu sol-żel i technologii spinowej. Powłoka ta wykazuje doskonałą powtarzalność i odwracalność w określaniu dwutlenku siarki, z szybkim czasem reakcji poniżej 20 sekund. Ponadto wykazuje minimalną interakcję z innymi gazami i jest minimalnie podatna na zmiany temperatury i wilgotności.