電化學(xué)氣體傳感器的結構及分類(lèi)

最早的電化學(xué)氣體傳感器能夠追溯到20世紀50年代，當時(shí)是用于檢測氧氣濃度。到了20世紀80年代中期，小型電化學(xué)氣體傳感器開(kāi)始用于檢測PEL范圍內的多種不同的有毒氣體，并顯示出了良好的敏感性與選擇性。隨著(zhù)科技的快速發(fā)展，氣體傳感器的應用也日趨廣泛，并開(kāi)始向小型化、集成化、模塊化、智能化方向發(fā)展。其中電化學(xué)氣體傳感器由于具備線(xiàn)性輸出、低功耗和較好的分辨率等優(yōu)點(diǎn)，在很多氣體檢測領(lǐng)域中較為普及。相較于其他氣體傳感器，電化學(xué)氣體傳感器擁有較好的測量重復性和精度。經(jīng)過(guò)數十年來(lái)技術(shù)的發(fā)展，電化學(xué)氣體傳感器對特定氣體監測有著(zhù)不可低估顯著(zhù)優(yōu)勢。

電化學(xué)氣體傳感器的結構

電化學(xué)氣體傳感器有兩電極和三電極結構，主要區別在于有無(wú)參比電極。兩電極CO傳感器沒(méi)有參比電極，結構簡(jiǎn)單，易于設計和制造，成本較低適用于低濃度CO的檢測和報警;三電極CO傳感器引入參比電極，使傳感器具有較大的量程和良好的精度，但參比電極的引入增加了制造工序和材料成本，所以三電極CO傳感器的價(jià)格高于兩電極CO傳感器，主要用于工業(yè)領(lǐng)域。兩電極電化學(xué)CO傳感器主要由電極、電解液、電解液的保持材料、除去干涉氣體的過(guò)濾材料、管腳等零部件組成。

電化學(xué)氣體傳感器的分類(lèi)

電化學(xué)氣體傳感器是一種化學(xué)傳感器，通過(guò)與被測氣體發(fā)生反應并產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電信號來(lái)工作。按照工作原理一般分為原電池式、可控電位電解式、電量式和離子電極式四種類(lèi)型。

恒電位電解式氣體傳感器

恒電位電解式氣體傳感器的原理是：使電極與電解質(zhì)溶液的界面保持一定電位進(jìn)行電解，通過(guò)改變其設定電位，有選擇的使氣體進(jìn)行氧化或還原，從而能定量檢測各種氣體。對于特定氣體來(lái)說(shuō)，設定電位由其固有的氧化還原電位決定，但又隨電解時(shí)作用電極的材質(zhì)、電解質(zhì)的種類(lèi)不同而變化。電解電流和氣體濃度之間的關(guān)系如下式表示：

I=(nfADC)/σ 式中：I-電解電流;n-1mol氣體產(chǎn)生的電子數;f-法拉第常數;A-氣體擴散面積;D-擴散系數;C-電解質(zhì)溶液中電解的氣體濃度;σ-擴散層的厚度。在統一傳感器中，n、f、A、D及σ是一定的，電解電流與氣體濃度成正比。

自20世紀50年代出現CIDK電極以來(lái)，控制電位電化學(xué)氣體傳感器在結構、性能和用途等方面都得到了很大的發(fā)展。20世紀70年代初，市場(chǎng)上就有了31檢測器。先后出現了CO、NxOy(氮氧化物)、H2S檢測儀器等產(chǎn)品。這些氣體傳感器靈敏度是不同的，一般是H2S>NO>NOb>Sq>CO，響應時(shí)間一般為幾秒至幾十秒，大多數小于1min;他們的壽命相差很大，短的只有半年，有的CO監測儀實(shí)際壽命已近10年。影響這類(lèi)傳感器壽命的主要因素為：電極受淹、電解質(zhì)干枯、電極催化劑晶體長(cháng)大、催化劑中毒和傳感器使用方法等。

以一氧化碳傳感器為例來(lái)說(shuō)明這種傳感器隔膜工作電極對比電極的結構和工作原理。在容器內的相對兩壁，安置工作電極和對比電極，其內充滿(mǎn)電解質(zhì)溶液構成一密封結構。工作電極和對比電極之間的電流是I，恒電位電解式氣體傳感器的基本構造根據此電流值就可知CO氣體的濃度。這種方式的傳感器可用于檢測各種可燃性氣體和毒氣，如CO、H2S、NO、NO2、SO2、HCl、Cl2、PH3、O2等，還能檢測血液中的氧濃度。

離子電極式氣體傳感器

離子電極式氣體傳感器的工作原理是：氣態(tài)物質(zhì)溶解于電解質(zhì)溶液并離解，離解生成的離子作用于離子電極產(chǎn)生電動(dòng)勢，將此電動(dòng)勢取出以代表氣體濃度。這種方式的傳感器是有工作電極、對比電極、電解液和隔膜等構成的。

現以檢測NH3傳感器為例說(shuō)明這種氣體傳感器的工作原理。作用電極是可測定pH的玻璃電極，參比電極是A8電極，內部溶液是NIkCE溶液。NEACt離解，產(chǎn)生銨離子NH4+，同時(shí)水也微弱離解，生成氫離子H+，而NH4+與H+保持平衡。將傳感器侵入NH3中，NH3將通過(guò)隔膜向內部滲透，NH3增加，而H+減少，即pH增加。通過(guò)玻璃電極檢測此PH的變化，就能知道NH3濃度。除NH3外，這種傳感器還能檢測HCN(氰化氫)、H2S、Sq、CO2等氣體。

離子電極式氣體傳感器出現得較早，通過(guò)檢測離子極化電流來(lái)檢測氣體的體積分數，電化學(xué)式氣體傳感器主要檢測氣體的靈敏度高、選擇性好。

電量式氣體傳感器

電量式氣體傳感器的原理是：被測氣體與電解質(zhì)溶液反應生成電解電流，將此電流作為傳感器輸出，來(lái)檢測氣體濃度，其工作電極、對比電極都是Pt電極。

現以檢測Cl2為例來(lái)說(shuō)明這種傳感器的工作原理。將溴化物MBr(M是一價(jià)金屬)水溶液介于兩個(gè)鉑電極之間，其離解成比Br-，同時(shí)水也離解成H+，在兩鉑電極間加上適當電壓，電流開(kāi)始流動(dòng)，后因H+反應產(chǎn)生了H2，電極間發(fā)生極化，電流停止流動(dòng)。此時(shí)若將傳感器與CI2接觸，Br-被氧化成Br2。而B(niǎo)r2與極化產(chǎn)生的H2發(fā)生反應，其結果，電極部分的H2被極化解除，從而產(chǎn)生電流。該電流與Cl2濃度成正比，所以檢測該電流就能檢測Cl2濃度。除Cl2外，這種方式的傳感器還可以檢測H2S、NH3等氣體。

原電池型氣體傳感器

也被稱(chēng)為加伏尼電池型氣體傳感器，或燃料電池型氣體傳感器、自發(fā)電池型氣體傳感器。他們原理與我們日常使用的干電池相同，只不過(guò)電池碳錳電極被氣體電極替代了。以氧氣傳感器為例，氧陰極被還原，電子電流表流到陽(yáng)極，那里鉛金屬被氧化。因此電流大小與氧氣濃度直接相關(guān)。這種傳感器可以有效檢測氧氣、二氧化硫、氯氣等氣體。

文章來(lái)源于網(wǎng)絡(luò )，若有侵權，請聯(lián)系我們刪除。