คุณรู้อะไรเกี่ยวกับเซ็นเซอร์ไฟฟ้าเคมี ประเทศไทย

เซ็นเซอร์ไฟฟ้าเคมีเป็นเซ็นเซอร์ประเภทหนึ่งที่ต้องอาศัยคุณสมบัติทางเคมีไฟฟ้าของสารวิเคราะห์เพื่อแปลงปริมาณสารเคมีเป็นปริมาณทางไฟฟ้าสำหรับการตรวจจับและตรวจจับ

เซ็นเซอร์ไฟฟ้าเคมีที่เก่าแก่ที่สุดมีอายุย้อนกลับไปในทศวรรษ 1950 เมื่อถูกนำมาใช้เพื่อตรวจติดตามออกซิเจน และในช่วงทศวรรษ 1980 เมื่อมีการใช้ก๊าซพิษในการตรวจสอบก๊าซพิษหลายชนิด และแสดงความไวและการคัดเลือกที่ดี

Ⅰ. หลักการทำงานของเซนเซอร์ไฟฟ้าเคมี

 เซ็นเซอร์ไฟฟ้าเคมีทำงานโดยทำปฏิกิริยาทางเคมีกับก๊าซที่กำลังตรวจวัด และสร้างสัญญาณไฟฟ้าตามสัดส่วนของความเข้มข้นของก๊าซ เซ็นเซอร์ก๊าซเคมีไฟฟ้าส่วนใหญ่จะสร้างกระแสไฟฟ้าที่เป็นสัดส่วนเชิงเส้นตรงกับความเข้มข้นของก๊าซ

 เซ็นเซอร์ก๊าซไฟฟ้าเคมีทำงานดังนี้: โมเลกุลของก๊าซเป้าหมายที่สัมผัสกับเซ็นเซอร์จะผ่านไดอะแฟรมก่อนซึ่งป้องกันการควบแน่น และยังทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันฝุ่นอีกด้วย จากนั้นโมเลกุลของก๊าซจะกระจายผ่านท่อคาปิลลารี ซึ่งอาจผ่านตัวกรองในภายหลัง และจากนั้นผ่านเมมเบรนที่ไม่ชอบน้ำไปยังพื้นผิวของอิเล็กโทรดตรวจจับ โมเลกุลจะถูกออกซิไดซ์หรือรีดิวซ์ทันที ซึ่งทำให้เกิดหรือใช้อิเล็กตรอนเพื่อสร้างกระแสไฟฟ้า

 สิ่งสำคัญคือต้องทราบว่าปริมาณของโมเลกุลก๊าซที่เข้าสู่เซนเซอร์ในลักษณะนี้ถูกจำกัดด้วยการแพร่กระจายผ่านเส้นเลือดฝอย การปรับเส้นทางให้เหมาะสมจะทำให้ได้สัญญาณไฟฟ้าที่เหมาะสมตามช่วงการวัดที่ต้องการ การออกแบบอิเล็กโทรดตรวจจับถือเป็นสิ่งสำคัญเพื่อให้เกิดการตอบสนองต่อก๊าซเป้าหมายในระดับสูง และระงับการตอบสนองที่ไม่พึงประสงค์ต่อก๊าซที่รบกวน โดยเกี่ยวข้องกับระบบสามขั้นตอนสำหรับของแข็ง ของเหลว และก๊าซ และทั้งหมดเกี่ยวข้องกับการระบุทางเคมีของก๊าซที่วิเคราะห์ เซลล์ไฟฟ้าเคมีเสร็จสมบูรณ์ด้วยอิเล็กโทรดเคาน์เตอร์ที่เรียกว่าอิเล็กโทรด Cont ซึ่งปรับสมดุลปฏิกิริยาที่อิเล็กโทรดตรวจจับ กระแสไอออนิกระหว่างอิเล็กโทรด Cont และอิเล็กโทรด Sen จะถูกส่งผ่านโดยอิเล็กโทรไลต์ภายในตัวเซ็นเซอร์ ในขณะที่เส้นทางกระแสไฟฟ้าจะถูกส่งผ่านสายไฟที่สิ้นสุดด้วยขั้วต่อแบบพิน โดยทั่วไปอิเล็กโทรดที่สามจะรวมอยู่ในเซ็นเซอร์ไฟฟ้าเคมี (เซ็นเซอร์ 3 อิเล็กโทรด) อิเล็กโทรดอ้างอิงที่เรียกว่าใช้เพื่อรักษาศักยภาพของอิเล็กโทรดตรวจจับที่ค่าคงที่ เพื่อจุดประสงค์นี้และโดยปกติสำหรับการทำงานของเซ็นเซอร์ไฟฟ้าเคมี จำเป็นต้องมีวงจรศักย์ไฟฟ้าคงที่

Ⅱ. ส่วนประกอบของเซนเซอร์ไฟฟ้าเคมี

เซ็นเซอร์ไฟฟ้าเคมีประกอบด้วยองค์ประกอบหลักสี่ส่วนต่อไปนี้:

1. เยื่อระบายอากาศ (หรือที่เรียกว่าเยื่อที่ไม่ชอบน้ำ): เยื่อเหล่านี้ทำหน้าที่ปกคลุมอิเล็กโทรดตรวจจับ (ตัวเร่งปฏิกิริยา) และในบางกรณี จะควบคุมน้ำหนักโมเลกุลของก๊าซที่ไปถึงพื้นผิวอิเล็กโทรด โดยทั่วไปแล้ว เมมเบรนเหล่านี้ผลิตจากฟิล์มเทฟลอนที่มีความพรุนต่ำ เมื่อใช้เมมเบรนเหล่านี้เพื่อปกปิดอิเล็กโทรด เซ็นเซอร์จะเรียกว่าเซ็นเซอร์แบบเคลือบ อีกทางหนึ่ง สามารถใช้ฟิล์มเทฟลอนที่มีรูพรุนสูงร่วมกับเส้นเลือดฝอย เพื่อควบคุมน้ำหนักโมเลกุลของก๊าซที่ไปถึงพื้นผิวของอิเล็กโทรด การกำหนดค่านี้เรียกว่าเซ็นเซอร์ประเภทคาปิลลารี นอกจากจะให้การปกป้องทางกลไกสำหรับเซนเซอร์แล้ว ฟิล์มยังทำหน้าที่เป็นตัวกรองเพื่อกำจัดอนุภาคที่ไม่ต้องการอีกด้วย เพื่อให้แน่ใจว่าน้ำหนักโมเลกุลที่เหมาะสมของก๊าซจะได้รับอนุญาตให้ผ่านได้ การเลือกขนาดรูรับแสงที่เหมาะสมสำหรับทั้งเมมเบรนและคาปิลลารีจึงเป็นสิ่งสำคัญ ขนาดรูรับแสงต้องยอมให้โมเลกุลของก๊าซเพียงพอเข้าถึงอิเล็กโทรดตรวจจับ พร้อมทั้งป้องกันการรั่วซึมหรือการทำให้อิเล็กโทรไลต์ของเหลวแห้งอย่างรวดเร็ว

2. อิเล็กโทรด: การเลือกวัสดุอิเล็กโทรดอย่างระมัดระวังเป็นสิ่งสำคัญ วัสดุควรเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาซึ่งสามารถทำปฏิกิริยากึ่งอิเล็กโทรไลต์ได้เป็นระยะเวลานาน โดยทั่วไป อิเล็กโทรดถูกสร้างขึ้นจากโลหะมีค่า เช่น แพลทินัมหรือทอง ซึ่งทำปฏิกิริยากับโมเลกุลของก๊าซได้อย่างมีประสิทธิภาพผ่านการเร่งปฏิกิริยา อิเล็กโทรดทั้งสามอาจถูกสร้างขึ้นจากวัสดุที่แตกต่างกัน ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับการออกแบบของเซ็นเซอร์ เพื่ออำนวยความสะดวกในปฏิกิริยาอิเล็กโทรลิซิส

3. อิเล็กโทรไลต์: อิเล็กโทรไลต์จะต้องสามารถอำนวยความสะดวกในปฏิกิริยาอิเล็กโทรไลต์และถ่ายโอนประจุไอออนิกไปยังอิเล็กโทรดได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ยังต้องสร้างศักย์ไฟฟ้าอ้างอิงที่มั่นคงด้วยอิเล็กโทรดอ้างอิง และต้องเข้ากันได้กับวัสดุที่ใช้ภายในเซนเซอร์ นอกจากนี้ การระเหยอย่างรวดเร็วของอิเล็กโทรไลต์อาจทำให้สัญญาณเซ็นเซอร์อ่อนลง และอาจส่งผลต่อความแม่นยำและความน่าเชื่อถือของสัญญาณ

4. ตัวกรอง: ในบางครั้ง ตัวกรองเครื่องฟอกจะอยู่ด้านหน้าเซ็นเซอร์เพื่อกำจัดก๊าซที่ไม่ต้องการ การเลือกตัวกรองมีจำกัด โดยแต่ละประเภทจะแสดงระดับประสิทธิภาพที่แตกต่างกัน ถ่านกัมมันต์ถือเป็นวัสดุกรองที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย โดยกรองสารเคมีส่วนใหญ่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ยกเว้นคาร์บอนมอนอกไซด์ ด้วยการเลือกสื่อกรองที่เหมาะสมอย่างรอบคอบ เซ็นเซอร์ไฟฟ้าเคมีจึงสามารถเลือกก๊าซที่ต้องการได้มากขึ้น

Ⅲ. การจำแนกประเภทของเซนเซอร์ไฟฟ้าเคมี

มีหลายวิธีในการจำแนกประเภทเซ็นเซอร์ไฟฟ้าเคมี ขึ้นอยู่กับสัญญาณเอาท์พุตที่แตกต่างกัน เซ็นเซอร์สามารถแบ่งออกเป็นเซ็นเซอร์โพเทนชิโอเมตริก เซ็นเซอร์แอมเพอโรเมตริก และเซ็นเซอร์สื่อไฟฟ้า

ตามสารที่ตรวจพบโดยเซ็นเซอร์ไฟฟ้าเคมี เซ็นเซอร์ไฟฟ้าเคมีสามารถแบ่งออกเป็นเซ็นเซอร์ไอออน เซ็นเซอร์ก๊าซ และไบโอเซนเซอร์เป็นหลัก

Ⅳ. คุณสมบัติหลักและปัจจัยที่มีอิทธิพล

1. ความไว

ปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อความไว ได้แก่ กิจกรรมของตัวเร่งปฏิกิริยา ปริมาณอากาศ การนำไฟฟ้าของอิเล็กโทรไลต์ และอุณหภูมิโดยรอบ

2. การกู้คืนการตอบสนอง

ปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อความเร็วในการฟื้นตัวของการตอบสนอง ได้แก่ กิจกรรมของตัวเร่งปฏิกิริยา สภาพการนำไฟฟ้าของอิเล็กโทรไลต์ โครงสร้างห้องแก๊ส คุณสมบัติของก๊าซ ฯลฯ

3. หัวกะทิ/การแทรกแซงข้าม

ปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อการเลือก ได้แก่ ประเภทของตัวเร่งปฏิกิริยา อิเล็กโทรไลต์ แรงดันไบแอส ตัวกรอง ฯลฯ

4. การทำซ้ำ/ความมั่นคงในระยะยาว

ปัจจัยที่ส่งผลต่อความสามารถในการทำซ้ำ ได้แก่: ความเสถียรของโครงสร้างอิเล็กโทรด ความเสถียรของอิเล็กโทรไลต์ ความเสถียรของวงจรแก๊ส ฯลฯ

5、 ประสิทธิภาพอุณหภูมิสูงและต่ำ

ปัจจัยที่ส่งผลต่อความเสถียรของอุณหภูมิสูงและต่ำ ได้แก่ กิจกรรมของตัวเร่งปฏิกิริยา ความเสถียรของโครงสร้างอิเล็กโทรด และคุณลักษณะของก๊าซ

V. การใช้งานเซนเซอร์ไฟฟ้าเคมีที่สำคัญสี่ประการ

เซ็นเซอร์ไฟฟ้าเคมีใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมและพลเรือนในการตรวจจับก๊าซ สามารถตรวจจับโอโซน ฟอร์มาลดีไฮด์ คาร์บอนมอนอกไซด์ แอมโมเนีย ไฮโดรเจนซัลไฟด์ ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ ไนโตรเจนไดออกไซด์ ออกซิเจน และก๊าซอื่น ๆ ที่ใช้กันทั่วไปในเครื่องมือแบบพกพาและเครื่องมือตรวจสอบก๊าซออนไลน์

1. เซ็นเซอร์ความชื้น

ความชื้นเป็นตัวบ่งชี้ที่สำคัญของสภาพแวดล้อมในอากาศ ความชื้นในอากาศและร่างกายมนุษย์มีความสัมพันธ์ใกล้ชิดระหว่างความร้อนของการระเหย อุณหภูมิสูง และความชื้นสูง เนื่องจากปัญหาการระเหยของน้ำในร่างกายมนุษย์และรู้สึกอับชื้น อุณหภูมิต่ำและ ความชื้นสูง กระบวนการกระจายความร้อนในร่างกายมนุษย์มีความเข้มข้น ทำให้เกิดหวัดและอาการบวมเป็นน้ำเหลืองได้ง่าย อุณหภูมิที่เหมาะสมที่สุดสำหรับร่างกายมนุษย์คือ 18~22℃ ความชื้นสัมพัทธ์คือ 35%~65% RH ในการตรวจสอบสภาพแวดล้อมและสุขภาพ มักใช้ในเทอร์โมไฮโกรมิเตอร์กระเปาะเปียก ไฮโกรมิเตอร์แบบมือหมุนและไฮโกรมิเตอร์การระบายอากาศ และเครื่องมืออื่น ๆ เพื่อตรวจสอบความชื้นในอากาศ

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีรายงานวรรณกรรมจำนวนมากเกี่ยวกับการใช้เซ็นเซอร์เพื่อกำหนดความชื้นในอากาศ ผลึกเพียโซอิเล็กทริกควอตซ์แบบเคลือบที่ใช้สำหรับการวัดความชื้นสัมพัทธ์ถูกทำให้เป็นผลึกเพียโซอิเล็กทริกควอทซ์ขนาดเล็กโดยเทคนิคการพิมพ์หินด้วยแสงและการกัดด้วยสารเคมี และมีสารสี่ชนิดถูกเคลือบบนผลึกควอตซ์ AT-cut 10 MHz ซึ่งมีความไวต่อมวลสูงต่อความชื้น คริสตัลเป็นตัวสะท้อนเสียงในวงจรการสั่นซึ่งมีความถี่แปรผันตามมวล และเมื่อเลือกการเคลือบที่เหมาะสม เซ็นเซอร์ก็สามารถใช้เพื่อกำหนดความชื้นสัมพัทธ์ของก๊าซต่างๆ ได้ ความไว ความเป็นเส้นตรงของการตอบสนอง เวลาตอบสนอง ความสามารถในการคัดเลือก ฮิสเทรีซิส และอายุการใช้งานของเซ็นเซอร์ขึ้นอยู่กับลักษณะของสารเคมีในการเคลือบ

2、เซ็นเซอร์ไนโตรเจนออกไซด์

ไนโตรเจนออกไซด์คือออกไซด์ของไนโตรเจนหลายชนิดที่ประกอบด้วยส่วนผสมของก๊าซ ซึ่งมักแสดงเป็น NOX ในไนโตรเจนออกไซด์ ความเสถียรทางเคมีของไนโตรเจนออกไซด์ในรูปแบบต่างๆ จะแตกต่างกัน อากาศมักจะถูกแบ่งออกเป็นคุณสมบัติทางเคมีที่ค่อนข้างเสถียรของไนโตรเจนมอนอกไซด์และไนโตรเจนไดออกไซด์ ความสำคัญในด้านสุขอนามัยดูเหมือนจะมีความสำคัญมากกว่าไนโตรเจนออกไซด์ในรูปแบบอื่น

ในการวิเคราะห์สิ่งแวดล้อม ไนโตรเจนออกไซด์โดยทั่วไปหมายถึงไนโตรเจนไดออกไซด์ วิธีการมาตรฐานของจีนในการตรวจสอบไนโตรเจนออกไซด์คือวิธีการวัดสีของแนฟทาลีนเอทิลีนไดเอมีนไฮโดรคลอไรด์ ความไวของวิธีการคือ 0.25ug/5 มล. วิธีการสัมประสิทธิ์การแปลงได้รับผลกระทบจากองค์ประกอบของสารละลายดูดซับ ความเข้มข้นของไนโตรเจนไดออกไซด์ ความเร็ว การสะสมก๊าซ โครงสร้างของท่อดูดซับ การอยู่ร่วมกันของไอออนและอุณหภูมิ และปัจจัยอื่นๆ อีกมากมายที่ยังไม่รวมกันเป็นหนึ่งเดียวอย่างสมบูรณ์ การตรวจวัดเซ็นเซอร์เป็นวิธีการใหม่ที่พัฒนาขึ้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา

3、เซ็นเซอร์ก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์

ไฮโดรเจนซัลไฟด์เป็นก๊าซไม่มีสี ติดไฟได้ มีกลิ่นไข่เน่าเป็นพิเศษ ซึ่งทำให้ระคายเคืองและหายใจไม่ออก และเป็นอันตรายต่อร่างกายมนุษย์ วิธีการส่วนใหญ่ใช้การวัดความร้อนและแก๊สโครมาโทกราฟีเพื่อระบุไฮโดรเจนซัลไฟด์ในอากาศ การตรวจวัดมลพิษทางอากาศซึ่งมีปริมาณต่ำถึงระดับ mg/m3 เป็นหนึ่งในการใช้งานหลักของเซ็นเซอร์ก๊าซ แต่เซ็นเซอร์ก๊าซเซมิคอนดักเตอร์ไม่สามารถตอบสนองข้อกำหนดด้านความไวและความสามารถในการเลือกสรรสำหรับการตรวจสอบก๊าซมลพิษบางชนิดในระยะเวลาอันสั้น ของเวลา

ชุดเซ็นเซอร์ฟิล์มบางเจือเงินประกอบด้วยเซ็นเซอร์สี่ตัวที่บันทึกความเข้มข้นของซัลเฟอร์ไดออกไซด์และไฮโดรเจนซัลไฟด์พร้อมกัน โดยใช้เครื่องวิเคราะห์อเนกประสงค์ที่อิงตามการไทเทรตแบบคูลอมเมตริกและสัญญาณจากชุดเซ็นเซอร์ก๊าซเซมิคอนดักเตอร์ การปฏิบัติแสดงให้เห็นว่าเซ็นเซอร์ฟิล์มบางเจือเงินซึ่งใช้ที่อุณหภูมิ 150 °C ในลักษณะอุณหภูมิคงที่มีประสิทธิภาพในการตรวจสอบปริมาณไฮโดรเจนซัลไฟด์ในอากาศในเมือง

4. เซ็นเซอร์ซัลเฟอร์ไดออกไซด์

ซัลเฟอร์ไดออกไซด์เป็นหนึ่งในสารหลักที่ก่อให้เกิดมลภาวะในอากาศ และการตรวจจับซัลเฟอร์ไดออกไซด์ในอากาศก็เป็นส่วนหนึ่งของการทดสอบอากาศเป็นประจำ การใช้เซ็นเซอร์ในการตรวจสอบซัลเฟอร์ไดออกไซด์แสดงให้เห็นความเหนือกว่าอย่างมาก ตั้งแต่การลดระยะเวลาการตรวจจับไปจนถึงการลดขีดจำกัดการตรวจจับ โพลีเมอร์ที่เป็นของแข็งถูกใช้เป็นเมมเบรนแลกเปลี่ยนไอออน โดยด้านหนึ่งของเมมเบรนมีอิเล็กโทรไลต์ภายในสำหรับอิเล็กโทรดตัวนับและอิเล็กโทรดอ้างอิง และอิเล็กโทรดแพลทินัมที่สอดเข้าไปในอีกด้านหนึ่งเพื่อสร้างเซ็นเซอร์ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ เซ็นเซอร์ติดตั้งอยู่ในโฟลว์เซลล์และออกซิไดซ์ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ที่แรงดันไฟฟ้า 0.65V จากนั้นจึงระบุปริมาณซัลเฟอร์ไดออกไซด์ อุปกรณ์ตรวจจับมีความไวกระแสสูง เวลาตอบสนองสั้น ความเสถียรที่ดี สัญญาณรบกวนพื้นหลังต่ำ ช่วงเชิงเส้น 0.2 มิลลิโมล/ลิตร ขีดจำกัดการตรวจจับ 8*10-6 มิลลิโมล/ลิตร และอัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวน จาก 3

เซ็นเซอร์ไม่เพียงตรวจจับซัลเฟอร์ไดออกไซด์ในอากาศเท่านั้น แต่ยังใช้ในการตรวจจับซัลเฟอร์ไดออกไซด์ในของเหลวที่มีค่าการนำไฟฟ้าต่ำอีกด้วย การเคลือบที่ไวต่อก๊าซของเซ็นเซอร์ก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ฟิล์มบางซิลิเกตดัดแปลงแบบออร์แกนิกถูกสร้างขึ้นโดยใช้กระบวนการโซลเจลและเทคโนโลยีการหมุน สารเคลือบนี้แสดงความสามารถในการทำซ้ำและการผันกลับได้ดีเยี่ยมในการกำหนดปริมาณซัลเฟอร์ไดออกไซด์ โดยมีเวลาตอบสนองที่รวดเร็วน้อยกว่า 20 วินาที นอกจากนี้ ยังแสดงปฏิกิริยาโต้ตอบกับก๊าซอื่นๆ น้อยที่สุด และได้รับอิทธิพลจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและความชื้นน้อยที่สุด