Электрохимический датчик газа

Электрохимические датчики газа — это детекторы газа , которые измеряют концентрацию целевого газа путем окисления или восстановления целевого газа на электроде и измерения результирующего тока.

История

Начав свои исследования в 1962 году, г-н Наёши Тагути стал первым человеком в мире, разработавшим полупроводниковое устройство, которое могло обнаруживать низкие концентрации горючих и восстановительных газов при использовании простой электрической цепи. Устройства, основанные на этой технологии, часто называют «TGS» (датчики газа Тагучи). ^[1]

Строительство

Датчики содержат два или три электрода, иногда четыре, контактирующих с электролитом . Электроды обычно изготавливаются путем прикрепления драгоценного металла с большой площадью поверхности к пористой гидрофобной мембране. Рабочий электрод контактирует как с электролитом, так и с контролируемым окружающим воздухом, обычно через пористую мембрану. В качестве электролита чаще всего используется минеральная кислота , но в некоторых датчиках также используются органические электролиты. Электроды и корпус обычно находятся в пластиковом корпусе, который содержит отверстие для входа газа для газовых и электрических контактов.

Теория работы

Газ диффундирует в датчик через заднюю часть пористой мембраны к рабочему электроду, где окисляется или восстанавливается. В результате этой электрохимической реакции возникает электрический ток, который проходит через внешнюю цепь. Помимо измерения, усиления и выполнения других функций обработки сигнала, внешняя цепь поддерживает напряжение на датчике между рабочим и противоэлектродом для двухэлектродного датчика или между рабочим и электродом сравнения для трехэлектродной ячейки. На противоэлектроде происходит равная и противоположная реакция, так что если на рабочем электроде происходит окисление, то на противоэлектроде происходит восстановление.

Реакция, контролируемая диффузией

Величина тока контролируется тем, какая часть целевого газа окисляется на рабочем электроде. Датчики обычно конструируются таким образом, что подача газа ограничивается диффузией , и, таким образом, выходной сигнал датчика линейно газа пропорционален концентрации . Этот линейный выходной сигнал является одним из преимуществ электрохимических датчиков перед другими сенсорными технологиями (например, инфракрасными), выходной сигнал которых необходимо линеаризовать, прежде чем их можно будет использовать. Линейный выходной сигнал позволяет более точно измерять низкие концентрации и значительно упрощает калибровку (нужны только базовая линия и одна точка).

Контроль диффузии дает еще одно преимущество. Изменение диффузионного барьера позволяет производителю датчика адаптировать датчик к конкретному диапазону концентрации целевого газа. Кроме того, поскольку диффузионный барьер в основном является механическим, калибровка электрохимических датчиков имеет тенденцию быть более стабильной с течением времени, и поэтому инструменты на основе электрохимических датчиков требуют гораздо меньшего обслуживания, чем некоторые другие технологии обнаружения. В принципе, чувствительность можно рассчитать на основе диффузионных свойств пути газа в датчик, хотя экспериментальные ошибки в измерении диффузионных свойств делают расчет менее точным, чем при калибровке с помощью эталонного газа. ^[2]

Перекрестная чувствительность

Для некоторых газов, таких как оксид этилена , перекрестная чувствительность может быть проблемой, поскольку оксид этилена требует очень активного рабочего электрода- катализатора и высокого рабочего потенциала для его окисления. Следовательно, газы, которые легче окисляются, такие как спирты и окись углерода, также дадут ответ. Проблемы перекрестной чувствительности можно устранить за счет использования химического фильтра, например фильтров, которые позволяют целевому газу проходить беспрепятственно, но реагируют и устраняют обычные помехи.

Хотя электрохимические датчики обладают множеством преимуществ, они подходят не для каждого газа. Поскольку механизм обнаружения включает окисление или восстановление газа, электрохимические датчики обычно подходят только для электрохимически активных газов, хотя можно косвенно обнаруживать электрохимически инертные газы, если газ взаимодействует с другим веществом в датчике, что затем вызывает ответ. ^[3] Датчики углекислого газа являются примером такого подхода и уже несколько лет коммерчески доступны.

Перекрестная чувствительность электронных химических датчиков также может быть использована для разработки матриц химических датчиков , в которых используются различные специальные датчики, обладающие перекрестной реактивностью, для обнаружения отпечатков пальцев целевых газов в сложных смесях.

См. также

Ссылки

^ US 3695848 Устройство обнаружения газа
^ Уорбертон, PR; Пагано, член парламента; Гувер, Р.; Логман, М.; Критцер, К.; Уорбертон, YJ (1998). «Время срабатывания амперометрического датчика газа». Аналитическая химия . 70 (5): 998–1006. дои : 10.1021/ac970644y . ПМИД 21644629 .
^ Д. Плетчер, Дж. Эванс, П. Р. Уорбертон, Т. К. Гиббс, Патент США 5 071 526 , 10 декабря 1991 г., «Датчики кислого газа и метод их использования»

[1] US 3695848 Устройство обнаружения газа

[2] Уорбертон, PR; Пагано, член парламента; Гувер, Р.; Логман, М.; Критцер, К.; Уорбертон, YJ (1998). «Время срабатывания амперометрического датчика газа». Аналитическая химия . 70 (5): 998–1006. дои : 10.1021/ac970644y . ПМИД 21644629 .

[3] Д. Плетчер, Дж. Эванс, П. Р. Уорбертон, Т. К. Гиббс, Патент США 5 071 526 , 10 декабря 1991 г., «Датчики кислого газа и метод их использования»

[1]

[2]

[3]