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电化学毒气传感器的工作原理

编辑:www.ozonemonitor.cn 发布时间:2022-04-12 17:01:21点击:
电化学毒气传感器的工作原理
电化学传感器是目前较为常见的有毒有害气体检测元件。与其他检测原理的气体传感器(半导体气体传感器、催化燃烧式气体传感器、红外气体传感器等)相比较而言,电化学传感器具有选择性好、灵敏度高、响应时间短、性能稳定、耗电低、线性和重复性较好等优点,在当前的气体快速检测领域被广泛应用。
 
一般说来,电化学气体传感器包括下面几部分:可以渗过气体但不能渗过液体的扩散式防水透气膜;酸性电解液(一般为硫酸或磷酸)槽;工作电极;对电极;参比电极(三电极设计);有些传感器还包括一个可以滤除干扰组份的滤膜。
扩散进入传感器的气体在工作电极表面发生氧化或还原反应,在对电极发生与之相应的逆反应,在外部电路上形成电流。由于气体进入传感器的速度由栅孔控制,所以产生的电流与传感器外气体浓度成比例,就可以直接测量当前毒气含量。
 
为了让反应能够发生,工作电极的电位必须保持在一个特定的范围内。但气体的浓度增加时,反应电流也增加,于导致对电极电位改变(极化)。由于两电极是通过一个简单的负荷电阻连接起来的,虽然工作电极的电位也会随着对电极的电位一起变化。如果气体的浓度不断地升高,工作电极的电位最终有可能移出其允许范围。至此传感器输出信号将不再呈线性,因此两电极气体传感器检测的上限浓度受到一定限制。
 
对电极的极化所受的限制可以用引进第三电极(参考电极)和利用一外部的恒电位工作电路来予以避免。在这样一种装置中,参考电极中无电流流过,因此这两个电极均维持在一恒定的电位。对电极则仍然可以进行极化,但对传感器而言已不产生任何限制作用。因此三电极传感器所能检测浓度范围要比两电极大得多。
 
下面以一氧化碳电化学传感器为例描述一下它的检测机理。
CO 在工作电极上的氧化:
CO + H2O → CO2 + 2H+ + 2e对电极通过将空气或水中的氧气还原对此进行平衡。
1/2 O2 + 2H+ +2 e- → H2O
传感器中总的反应就可写成:
2CO + O2 → 2CO2
 
在检测过程中消耗的物质仅仅是 CO 分子、电能和氧气,这也是非消耗型传感器寿命较长的原因。传感器的寿命同它所测量污染物无关,在检测过程中传感器本身没有任何的消耗,其它气体电化学传感器也同样是这种非消耗型设计,包括:氯气、氢气、硫化氢、二氧化氮、磷化氢和二氧化硫等等。有些有毒气体(如氨和氰化氢)的测定使用的是间接方法,它通过消耗传感器中的物质,比如金的传感电极,来建立某种测量关系。
 
2HCN + Au → HAu(CN)2 + H+ + e在这种情况下,由于测量会消耗电极材料,这类传感器的寿命同它所暴露的浓度有很大的关系,所以这一类传感器不适用于高浓度环境或者长时间暴露环境。
相关标签:电化学传感器
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