有害氣體傳感器

電化學(xué)有害氣體傳感器是一種微燃料電池元件，不必保養(yǎng)而可以有長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。它是在原有的氧氣傳感器的基礎(chǔ)上改進(jìn)而得，它可以直接反映出氣體濃度而不必通過(guò)分壓來(lái)反映。

又由一個(gè)低阻抗外部電路連通。擴(kuò)散進(jìn)入傳感器的氣體在感應(yīng)電極表面發(fā)生氧化或還原反應(yīng)，在兩電極間產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)部電流，電流值對(duì)應(yīng)于氧氣濃度，在外部電路中接入一只負(fù)載電阻就可以對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)了。

從電化學(xué)概念上來(lái)說(shuō)，傳感器包括兩個(gè)電極—感應(yīng)電極和負(fù)電極，它們被一層電解質(zhì)薄膜分離開(kāi)來(lái)，它們被一個(gè)塑料殼密封起來(lái)，只留有一個(gè)小孔允許氣體進(jìn)入感應(yīng)電極，傳感器內(nèi)的電極通過(guò)引腳被連接到所應(yīng)用的設(shè)備上。引腳還可以與外部的電阻電路相連，這樣當(dāng)有電流通過(guò)是就可以測(cè)出電勢(shì)差（圖1）。擴(kuò)散進(jìn)入傳感器的氣體在感應(yīng)電極表面發(fā)生氧化或還原反應(yīng)，在另一電極發(fā)生與之相對(duì)的逆反應(yīng)，在外部電路上形成電流。由于氣體進(jìn)入傳感器的速度由柵孔控制，所以產(chǎn)生的電流與傳感器外氣體濃度成比例，就可以直接測(cè)量當(dāng)前有害氣體含量了。

Figure 1 - Toxic Gas Sensor

其主要特征設(shè)計(jì)部件是氣體擴(kuò)散柵欄，它可以限制進(jìn)入感應(yīng)電極的氣流，使所有目標(biāo)氣體都可以到達(dá)電極表面與之反應(yīng)，并且具有持續(xù)的化學(xué)活性，使得傳感器具有長(zhǎng)使用壽命和良好的溫度穩(wěn)定性。

一氧化碳傳感器的電極發(fā)上發(fā)生的反應(yīng)是:

感應(yīng)電極: CO + H₂O  CO₂ + 2H⁺ + 2e^-

逆電極: ½O₂ + 2H⁺ + 2e^-  H₂O

總反應(yīng)方程式: CO + ½O₂  CO₂

類(lèi)似的反應(yīng)也發(fā)生在能被氧化或還原的所有其它有害氣體。

逆電極發(fā)生的反應(yīng)來(lái)看，氧氣顯然是當(dāng)前反應(yīng)發(fā)生的必需氣體，這些氧氣通常由被空氣混合傳輸至傳感器的前部或通過(guò)傳感器兩側(cè)的樣品氣體提供（通常幾千ppm已經(jīng)足夠了）。但是，持續(xù)暴露在無(wú)氧氣體樣品中可能導(dǎo)致信號(hào)漂移，我們建議不要將有害氣體傳感器與樹(shù)脂一起放置或*地浸沒(méi)在絕氧氣體混合物中。

在特定情況下，如果傳感器必須經(jīng)常地暴露于高濃度電解質(zhì)中，例如廢氣分析，也許應(yīng)當(dāng)保證氧氣從另外的通道進(jìn)入逆電極。CiTiceL?5系列產(chǎn)品中恰恰滿(mǎn)足了這個(gè)需要。

能量?jī)?chǔ)備

設(shè)計(jì)任何電化學(xué)傳感器時(shí)都應(yīng)通過(guò)柵板（薄膜或細(xì)孔）來(lái)限制氣體通過(guò)速率，而其它各階段速率都明顯的快得多。所以，為保證電化學(xué)反應(yīng)速度，必須使用具有高催化活性的電極材料。

所有CiTiceLs?產(chǎn)品都使用高活性電極，使傳感器具有高活性?xún)?chǔ)備，保證了傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和低漂移性。

三及四電極傳感器

雙電極傳感器是有害氣體傳感器的zui簡(jiǎn)單形式。但逆電極的極化限制了它的測(cè)量范圍。這時(shí)我們?cè)俳尤胍粋€(gè)外部穩(wěn)壓電路加入一個(gè)參考電極就可穩(wěn)定感應(yīng)電極電動(dòng)勢(shì)，且參考電極上無(wú)電流通過(guò)，保持了各自電壓的穩(wěn)定，這樣即使負(fù)電極持續(xù)極化下去也不會(huì)對(duì)感應(yīng)電極有任何影響。

三電極傳感器在電化學(xué)傳感器中被zui廣泛地應(yīng)用于有害氣體監(jiān)測(cè)。盡管如此，仍有一些應(yīng)用表明三電極設(shè)計(jì)并非*合理，例如交叉干擾氣體或溫度引起的零點(diǎn)偏移可能減弱其性能。以下介紹的第四種加入輔助電極的傳感器可以同時(shí)測(cè)量?jī)煞N氣體。

排除交叉干擾

第四種輔助電極能幫助排除其它氣體造成的干擾。通常，一氧化碳傳感器對(duì)氫氣有很大的反應(yīng)，所以當(dāng)存在氫氣時(shí)，就會(huì)對(duì)一氧化碳的測(cè)量造成困難。但是，如果使用一個(gè)有輔助電極的傳感器，就能使一氧化碳和氫氣在感應(yīng)電極發(fā)生反應(yīng)，不過(guò)一氧化碳反應(yīng)*而氫氣只部分反應(yīng)，剩余氫氣分流至輔助電極，這樣感應(yīng)電極上產(chǎn)生的信號(hào)反映得的是兩種氣體的濃度，而輔助電極上產(chǎn)生的信號(hào)只反映了氫氣的濃度，這樣將它們相減就可得出一氧化碳濃度。而這個(gè)過(guò)程是由一個(gè)模擬電路或一個(gè)微處理軟件來(lái)完成的。

排除溫度影響

大多數(shù)電化學(xué)傳感器在溫度變化時(shí)基線(xiàn)信號(hào)會(huì)成指數(shù)地上升，大約是溫度每上升10°C，信號(hào)翻一倍。多數(shù)情況下可以忽略，但如果該應(yīng)用涉及到濃度極低的氣體，譬如O3或監(jiān)測(cè)CO，任何一個(gè)因溫度引起的基線(xiàn)變化都可能?chē)?yán)重影響氣體測(cè)量的準(zhǔn)確性。溫度變化時(shí)，感應(yīng)電極和輔助電極的輸出信號(hào)會(huì)顯示出相應(yīng)的變化，但因?yàn)檩o助電極沒(méi)有暴露于反應(yīng)氣體中，它的輸出與感應(yīng)電極的輸出相減就可以排除溫度影響。這是通常用來(lái)計(jì)算因溫度變化而造成基線(xiàn)信號(hào)變化的有效方法。

廢氣傳感器

四電極技術(shù)使得我們能夠使用一個(gè)傳感器來(lái)測(cè)量一氧化碳和硫化氫。內(nèi)置便攜式的安全設(shè)備對(duì)儀器設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)是大好消息。四COSH傳感器與其它的傳感器運(yùn)作相同，除了它包括兩個(gè)傳感電極：一個(gè)一氧化碳的，一個(gè)硫化氫的。當(dāng)*個(gè)傳感電極*地將硫化氫氧化時(shí)一氧化碳擴(kuò)散進(jìn)來(lái)并被第二個(gè)電極氧化。這種四電極設(shè)計(jì)使得一個(gè)傳感器能夠同時(shí)測(cè)量?jī)煞N氣體并且輸出兩種不同的信號(hào)。