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电化学气体传感器工作原理及电路图.pdf

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电化学传感器工作指南及电路图 引言 本公司有毒气体检测传感器 的开发始于1981年,以一氧化碳传感器的研制为开端。之后对各式各样新传感器都进行了开发。直至最进开发的臭氧和氧化乙烯传感器,形成了系列的传感器产品,并以其可靠、稳定和耐用等特点斐声海内外。 此类传感器 系一微型燃料电池,设计成为免维护型并且能长时间稳定工作的产品。所采用的技术立足于己于人本公司早期氧传感器的工作基础,系直接响应气体的体积浓度变化,而不是响应其压力的变化。 该类传感器设计的最大特点是采用了气体的扩散势垒,该势垒能限制气体流向敏感电极的流星。敏感电极能与到达电极的电化学活性仍有余裕。这一高的电化学活性保证了传感器的长寿命和很好的温度稳定性。 两电极系统 基于电化学原理工作的传感器其最简单的一种型式就是两电极系统。其工作电极和对电极由一薄层电解液隔开并经由一个很小的电阻联通外电路。当气体扩散进入传感器后,在敏感电极 表面进行氧化或还原反应,产生电流并通过外电路流经两个电极。该电流的大小比例于气体的浓度,可通过外电路的负荷电阻予以测量。 为了让反应能够发生,敏感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,于是导致对电极 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,虽然敏感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,敏感电极的电位最终有可能移出其允许范围。至此传感器将不成线性,因此两电极气体传感器检测的上限浓度受到一定限制。 三电极系统 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,敏感电极曲线相对于参考电极保持一固定值。在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。 大部分有毒气体传感器(3/4/7系列)均属三电极系统。由于控制了敏感电极的电位,恒电位电路还能提高传感器的选择性和改进其响应性能。这一电路同时也用来测量流过敏感电极和对电极之间的电流。电路可以作成体积很小的低功耗装置。本章后部将提供一些与此有关的电路。 四电极系统 图1 三电极系统进一步发展导致了四电极系统传感器的产生(A3/A7系列)。这一类型的传感器增加了另一个工作电极,称之为辅助电极。辅助电极的讯号可以用来抵消温度变化的影响或者用来提高传感器的选择性。用了第四电极可以使传感器的讯号更稳定,对被测量气体有着特性的响应。 温度影响 即使不存在反应气体,传感器的敏感电极也会显示一个很小的讯号电流称之为“基线电流”。虽然在校准时可以调零调去,但极限电流随温度的变化呈指数变化。因此校准后大的温度改变将导致仪器的零点产生些许漂移。 在大多数情况下,尽管温度在较宽的范围内变化,仪器零点漂移仍是很小可以忽略不计。然而如果需要仪器有很高的分辨率,特别是检测气体浓度非常低的情况下,零点的漂移与可能严重影响测量值。在这种情况下采用四电极系统可以补偿任何基线的漂移。 四电极系统中,敏感电极和辅助电极的基线极为接近。由于环境状况对于两个电极都是一样的,敏感电极由于温度变化产生的基线漂移在辅助电极上也产生同样大小的漂移。 当敏感电极暴露在目标气体中时,将会产生一个增加的讯号,其大小与气体浓度成正比。所有目标气体都在敏感电极 上反应,因而辅助电极上信号保持不变(即处于其基线水平)。这样尽管基线与校准时的水平相比有所漂移,只要从讯号中减去这一基线信号值就可以得到补偿了基线的输出值,它完全是由暴露的气体产生的。 选择性 当一A3E/F一氧化碳传感器置于一氧化碳和氢的混合气体中时,二者均在敏感电极上发生反应。一氧化碳全部反应,而氢则只有部分反应,未反应的氢扩散到达辅助电极。这样一来敏感电极的讯号为这两种气体浓度的函数,而辅助电极的输出则主要是由氢产生的。和上述补偿基线漂移的道理一样,辅助电极的讯号可以用来补偿氢在敏感电极上的反应。 反应机理 气体扩散进入传感器就在敏感电极上发生反应,或则为氧化反应(大多数气体),或则为还原反应(二氧化氮、氯和臭氧)。每一反应均可用标准化学方程式的形式表示。例如,一氧化碳在敏感电极上的氧化可用方程式表示如下: CO+H2O→CO2+2H++2e-根据目标气体在敏感电极上反应的不同,对于其它气体也可以导出类似的方程式: 硫化(H2S): H2S+4H2O →H2SO4+8H++8e- 二氧化硫(SO2):SO2+2H2O →H2SO4+2H++2e 一氧化氮(NO): NO+2H2O→ HNO3+3H++3e 二氧化氮(NO2):NO2+2H++2e-→NO+H2O 氢(H2): H2 →2H++2e- 氯(CL2)
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