Что вы знаете об электрохимических датчиках? Россия

Электрохимический датчик — это тип датчика, который основан на электрохимических свойствах аналита для преобразования химического количества в электрическое количество для измерения и обнаружения.

Самые ранние электрохимические датчики появились в 1950-х годах, когда они использовались для мониторинга кислорода. И до 1980-х годов, когда они использовались для мониторинга широкого спектра токсичных газов и показали хорошую чувствительность и избирательность.

Ⅰ. Принцип работы электрохимического датчика

 Электрохимические датчики работают путем химической реакции с измеряемым газом и вырабатывают электрический сигнал, пропорциональный концентрации газа. Большинство электрохимических датчиков газа генерируют ток, который линейно пропорционален концентрации газа.

 Электрохимический датчик газа работает следующим образом: молекулы целевого газа, контактирующие с датчиком, сначала проходят через диафрагму, которая предотвращает конденсацию, а также действует как пылезащитный барьер. Затем молекулы газа диффундируют по капиллярной трубке, возможно, через последующий фильтр, а затем через гидрофобную мембрану к поверхности чувствительного электрода. Там молекулы немедленно окисляются или восстанавливаются, генерируя или поглощая электроны, создавая тем самым электрический ток.

 Важно отметить, что количество молекул газа, попадающих в датчик таким способом, ограничивается диффузией через капилляр. Путем оптимизации пути получается соответствующий электрический сигнал в соответствии с желаемым диапазоном измерений. Конструкция чувствительного электрода важна для достижения высокой чувствительности к целевому газу и подавления нежелательной реакции на мешающие газы. Он включает в себя трехступенчатую систему для твердых веществ, жидкостей и газов, и все они включают химическую идентификацию аналитического газа. Электрохимическая ячейка завершается так называемым противоэлектродом Cont, который уравновешивает реакцию на чувствительном электроде. Ионный ток между электродом Cont и электродом Sen переносится электролитом внутри корпуса датчика, а путь тока обеспечивается через провод, заканчивающийся штыревым разъемом. Третий электрод обычно входит в состав электрохимических датчиков (3-электродных датчиков). Так называемый электрод сравнения 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 состоит из следующих четырех ключевых компонентов:

1. Дышащие мембраны (также известные как гидрофобные мембраны). Эти мембраны служат для покрытия чувствительных (каталитических) электродов и, в некоторых случаях, регулирования молекулярной массы газов, достигающих поверхности электрода. Обычно такие мембраны изготавливают из тефлоновых пленок с низкой пористостью. Когда эти мембраны используются для покрытия электродов, датчики называются датчиками с покрытием. В качестве альтернативы можно использовать тефлоновую пленку с высокой пористостью вместе с капилляром для контроля молекулярной массы газа, достигающего поверхности электрода. Эта конфигурация известна как датчик капиллярного типа. Помимо механической защиты датчика, пленка также выполняет функцию фильтра, удаляя нежелательные частицы. Чтобы обеспечить прохождение газа соответствующей молекулярной массы, крайне важно выбрать подходящий размер отверстия как для мембраны, так и для капилляра. Размер отверстия должен позволять достаточному количеству молекул газа достигать чувствительного электрода, предотвращая при этом утечку или быстрое высыхание жидкого электролита.

2. Электрод. Крайне важно тщательно выбирать материал электрода. Материал должен быть каталитическим, способным осуществлять полуэлектролитическую реакцию в течение длительного периода времени. Обычно электроды изготавливаются из драгоценных металлов, таких как платина или золото, которые эффективно реагируют с молекулами газа посредством катализа. В зависимости от конструкции датчика три электрода могут быть изготовлены из разных материалов, чтобы облегчить реакцию электролиза.

3. Электролит. Электролит должен быть способен облегчать электролитические реакции и эффективно передавать ионный заряд на электрод. Он также должен формировать стабильный опорный потенциал с эталонным электродом и быть совместим с материалами, используемыми внутри датчика. Кроме того, быстрое испарение электролита может привести к ослаблению сигнала датчика, потенциально ставя под угрозу его точность и надежность.

4. Фильтры. Иногда перед датчиком устанавливаются фильтры-скрубберы для удаления нежелательных газов. Выбор фильтров ограничен, каждый тип имеет свой уровень эффективности. Активированный уголь является наиболее широко используемым фильтрующим материалом, эффективно фильтруя большинство химических веществ, за исключением угарного газа. Тщательно выбирая подходящий фильтрующий материал, электрохимические датчики достигают повышенной селективности по отношению к предполагаемым газам.

Ⅲ. Классификация электрохимического датчика

Существует множество способов классификации электрохимических датчиков. В зависимости от различных выходных сигналов их можно разделить на потенциометрические датчики, амперометрические датчики и кондуктометрические датчики.

В зависимости от веществ, обнаруживаемых электрохимическими датчиками, электрохимические датчики в основном можно разделить на ионные датчики, газовые датчики и биосенсоры.

Ⅳ. Основные свойства и влияющие факторы

1. Чувствительность

К основным факторам, влияющим на чувствительность, относятся: активность катализатора, поступление воздуха, проводимость электролита и температура окружающей среды.

2. Восстановление ответа

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

3. Селективность/перекрестные помехи

К основным факторам, влияющим на селективность, относятся тип катализатора, электролита, напряжение смещения, фильтра и т. д.

4. Повторяемость/долгосрочная стабильность

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

V. Четыре основных применения электрохимических датчиков

Электрохимические датчики широко используются в промышленных и гражданских областях обнаружения газа, могут обнаруживать озон, формальдегид, окись углерода, аммиак, сероводород, диоксид серы, диоксид азота, кислород и другие газы, обычно используемые в портативных приборах и приборах для онлайн-мониторинга газа.

1. Датчик влажности

Влажность является важным показателем воздушной среды, влажность воздуха и человеческого тела тесно связана между теплотой испарения, высокой температурой и высокой влажностью, из-за трудностей с испарением воды из человеческого тела и ощущения душности, низкой температуры и Высокая влажность, процесс рассеивания тепла человеческого тела является интенсивным, что легко может вызвать простуду и обморожение. Наиболее подходящая температура для человеческого тела — 18–22 ℃, относительная влажность — 35–65 % относительной влажности. При мониторинге окружающей среды и здоровья он обычно используется в термогигрометрах с мокрой колбой, ручных гигрометрах, вентиляционных гигрометрах и других приборах для определения влажности воздуха.

В последние годы в большом количестве литературы сообщается об использовании датчиков для определения влажности воздуха. Кристаллы пьезоэлектрического кварца с покрытием, используемые для определения относительной влажности, превращаются в небольшие пьезоэлектрические кристаллы кварца с помощью методов фотолитографии и химического травления, а на кристаллы кварца AT-среза с частотой 10 МГц, которые имеют высокую массовую чувствительность к влажности, наносятся четыре вещества. Кристалл представляет собой резонатор в колебательном контуре, частота которого меняется в зависимости от массы, а подбором соответствующего покрытия датчик можно использовать для определения относительной влажности различных газов. Чувствительность, линейность отклика, время отклика, селективность, гистерезис и срок службы датчика зависят от природы химических веществ покрытия.

2. Датчик оксида азота

Оксид азота — это разновидность оксидов азота, состоящих из смеси газов, часто обозначаемых как NOX. В оксиде азота разные формы химической стабильности оксида азота различны, воздух часто делится на относительно стабильные по химическим свойствам оксид азота и диоксид азота, их значение в гигиене оказывается более важным, чем другие формы оксида азота.

В анализе окружающей среды оксид азота обычно относится к диоксиду азота. Стандартным методом контроля оксидов азота в Китае является колориметрический метод гидрохлорида нафталина и этилендиамина, чувствительность метода составляет 0.25 мкг/5 мл, на коэффициент преобразования метода влияют состав абсорбирующего раствора, концентрация диоксида азота, скорость газосбора, структуры поглотительной трубки, сосуществования ионов и температуры и многих других факторов, не полностью унифицированных. Определение сенсора — это новый метод, разработанный в последние годы.

3. Датчик сероводорода.

Сероводород — бесцветный горючий газ со специфическим запахом тухлых яиц, раздражающим, удушающим и вредным для организма человека. Большинство методов используют калориметрию и газовую хроматографию для определения сероводорода в воздухе. Определение загрязнителей воздуха, содержание которых зачастую не превышает уровня мг/м3, является одним из основных применений газовых датчиков, но полупроводниковые газовые датчики не способны удовлетворить требования чувствительности и селективности для мониторинга некоторых загрязняющих газов за короткий период. времени.

Тонкопленочная сенсорная матрица, легированная серебром, состоит из четырех сенсоров, которые одновременно регистрируют концентрации диоксида серы и сероводорода с помощью универсального анализатора на основе кулонометрического титрования и сигналов полупроводниковой газовой сенсорной матрицы. Практика показала, что тонкопленочные датчики, легированные серебром, используемые при температуре 150 °C в режиме постоянной температуры, эффективны для контроля содержания сероводорода в городском воздухе.

4. Датчик диоксида серы.

Диоксид серы является одним 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 обнаружения до снижения предела обнаружения. Твердые полимеры используются в качестве ионообменных мембран, при этом одна сторона мембраны содержит внутренние электролиты для противоэлектрода и электрода сравнения, а с другой стороны вставлен платиновый электрод для формирования датчика диоксида серы. Датчик установлен в проточной ячейке и окисляет диоксид серы при напряжении 0.65В. Затем указывается содержание диоксида серы. Сенсорное устройство обладает высокой токовой чувствительностью, коротким временем отклика, хорошей стабильностью, низким фоновым шумом, линейным диапазоном 0.2 ммоль/л, пределом обнаружения 8*10-6 ммоль/л и соотношением сигнал/шум. из 3.

Датчик может не только обнаруживать диоксид серы в воздухе, но также использоваться для обнаружения диоксида серы в жидкостях с низкой проводимостью. Газочувствительное покрытие органически модифицированного силикатного тонкопленочного датчика газа диоксида серы было изготовлено с использованием золь-гель процесса и технологии центрифугирования. Это покрытие демонстрирует превосходную воспроизводимость и обратимость при определении диоксида серы с быстрым временем отклика менее 20 секунд. Кроме того, он демонстрирует минимальное взаимодействие с другими газами и минимально подвержен влиянию изменений температуры и влажности.