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科普|电化学传感器基础知识

最早的电化学传感器可以追溯到20世纪50年代,当时用于氧气监测。到了20世纪80年代中期,小型电化学传感器开始用于检测PEL范围内的多种不同有毒气体,并显示出了良好的敏感性与选择性。

电化学传感器通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工作。

(电化学传感器结构图)

  电化学传感器的分类  

1、原电池型气体传感器

示例:ME2-CO传感器

工作电极和对电极由电解液隔开并经由一个很小的电阻与外电路连通,当气体进入传感器后,在工作电极表面进行氧化或者还原反应,产生电流通过外电路流经两个电极。电流的大小与气体浓度成正比,可通过电路中的负载电阻予以测量。

若使反应能够发生,工作电极的电位必须维持在一定范围内。随着气体浓度的增大,反应产生的电流增大,对电极极化程度增强,电位增加,导致工作电极电位升高。

工作电极:2CO+2H2O→2CO2+4H++4e-

对电极:O2+4H + →2H2O-4e-

总反应:CO+O2 →CO

 

2、定电位电解型气体传感器

定电位电解型传感器又分为无偏压传感器(零偏压传感器)和带偏压传感器

◆ 无偏压传感器

由于原电池型传感器工作电极易随对电极极化而极化,故引入了参比电极,通过外电路维持工作电极和参比电极之间电势恒定,参比电极无电流流过,克服了原电池型传感器线性范围窄等缺点。

示例:ME3-CO

工作电极:2CO+2H2O→2CO2+4H++4e-

对电极:O2+4H + →2H2O-4e-

总反应:CO+O2 →CO2

遇到还原性气体(如硫化氢、二氧化硫等)时,反应信号为正

遇到氧化性气体(如氯、二氧化氮、臭氧)时,反应信号为负

 

◆ 带偏压传感器

示例:ME3-ETO

工作电极:C2H4O+2H2O→C2H4O3+4H++4e-

对电极:O2+4H + →2H2O+4e-

总反应:C2H4O+O2→C2H4O3

 

二者区别

1)无偏压传感器工作电极与参比电极之间偏压为0mv;

2)带偏压传感器工作电极与参比电极之间偏压为300mv;

所以,在储存时,无偏压传感器工作电极与参比电极需短路储存,而带偏压传感器三个电极之间不短路

3、浓差电池型气体传感器

浓差电池型传感器是基于固体电解质两边氧分压的差异而产生浓差电势的原理制成的气体传感器。通过浓差电势的大小反应氧气浓度。

 

  电化学传感器主要性能与影响因素  

● 灵敏度

影响灵敏度因素主要有:催化剂活性、进气量、电解液导电能力、环境温度等

● 响应恢复

影响响应恢复速度的因素主要有:催化剂活性、电解液导电能力、气室结构、气体特性等

● 选择性/交叉干扰

影响选择性的因素有:催化剂种类、电解液、偏置电压、过滤器等

● 重复性/长期稳定性

影响重复性的因素有:电极结构稳定性、电解液稳定性、气路稳定性等

● 高低温性能

影响高低温稳定性的因素有:催化剂活性、电极结构稳定性、气体特性

 

  电化学传感器应用领域  

为保护人身安全起见,各种电化学传感器广泛应用于许多静态与移动应用场合。

电化学传感器广泛应用于工业和民用领域的气体检测,可检测臭氧、甲醛、一氧化碳、氨气、硫化氢、二氧化硫、二氧化氮、氧气等多种气体,常用于便携式仪表和气体在线监测仪表中。

 

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