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    4. 有毒氣體傳感器的原理
      來源:    發布時間: 2015-11-13 00:00   681 次瀏覽   大小:  16px  14px  12px
      ?毒氣傳感器?電化學毒氣傳感器是一種微燃料電池元件,不必保養而可以有長期的穩

      毒氣傳感器

       
      電化學毒氣傳感器是一種微燃料電池元件,不必保養而可以有長期的穩定性。它是在原有的氧氣傳感器的基礎上改進而得,它可以直接反映出氣體濃度而不必通過分壓來反映。
       
       
      又由一個低阻抗外部電路連通。擴散進入傳感器的氣體在感應電極表面發生氧化或還原反應,在兩電極間產生一個內部電流,電流值對應于氧氣濃度,在外部電路中接入一只負載電阻就可以對其進行檢測了。
       
      從電化學概念上來說,傳感器包括兩個電極—感應電極和負電極,它們被一層電解質薄膜分離開來,它們被一個塑料殼密封起來,只留有一個小孔允許氣體進入感應電極,傳感器內的電極通過引腳被連接到所應用的設備上。引腳還可以與外部的電阻電路相連,這樣當有電流通過是就可以測出電勢差(圖1)。擴散進入傳感器的氣體在感應電極表面發生氧化或還原反應,在另一電極發生與之相對的逆反應,在外部電路上形成電流。由于氣體進入傳感器的速度由柵孔控制,所以產生的電流與傳感器外氣體濃度成比例,就可以直接測量當前毒氣含量了。
      圖一    有毒氣體傳感器
       
       
      其主要特征設計部件是氣體擴散柵欄,它可以限制進入感應電極的氣流,使所有目標氣體都可以到達電極
      表面與之反應,并且具有持續的化學活性,使得傳感器具有長使用壽命和良好的溫度穩定性。
       
      一氧化碳傳感器的電極上發生的反應是:
       
        
       
      類似的反應也發生在能被氧化或還原的所有其它毒氣。
       
      逆電極發生的反應來看,氧氣顯然是當前反應發生的必需氣體,這些氧氣通常由被空氣混合傳輸至傳感器的前部或通過傳感器兩側的樣品氣體提供(通常幾千ppm已經足夠了)。但是,持續暴露在無氧氣體樣品中可能導致信號漂移,我們建議不要將毒氣傳感器與樹脂一起放置或完全地浸沒在絕氧氣體混合物中。
       
       
      在特定情況下,如果傳感器必須經常地暴露于高濃度電解質中,例如廢氣分析,也許應當保證氧氣從另外的通道進入逆電極。SGX-5系列產品中恰恰滿足了這個需要。
       
       
      能量儲備
       
      設計任何電化學傳感器時都應通過柵板(薄膜或細孔)來限制氣體通過速率,而其它各階段速率都明顯快得多。所以,為保證電化學反應速度,必須使用具有高催化活性的電極材料。
       
      所有電化學產品都使用高活性電極,使傳感器具有高活性儲備,保證了傳感器的長期穩定性和低漂移性。
       
       
      三及四電極傳感器
       
      雙電極傳感器是毒氣傳感器的最簡單形式。但逆電極的極化限制了它的測量范圍。這時我們再接入一個外部穩壓電路加入一個參考電極就可穩定感應電極電動勢,且參考電極上無電流通過,保持了各自電壓的穩定,這樣即使負電極持續極化下去也不會對感應電極有任何影響。
      三電極傳感器在電化學傳感器中被最廣泛地應用于毒氣監測。盡管如此,仍有一些應用表明三電極設計并非完全合理,例如交叉干擾氣體或溫度引起的零點偏移可能減弱其性能。以下介紹的第四種加入輔助電極的精準傳感器可以同時測量兩種氣體。
       
       
      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,一氧化碳傳感器對氫氣有很大的反應,所以當存在氫氣時,就會對一氧化碳的測量造成困難。但是,如果使用一個有輔助電極的傳感器,就能使一氧化碳和氫氣在感應電極發生反應,不過一氧化碳反應完全而氫氣只部分反應,剩余氫氣分流至輔助電極,這樣感應電極上產生的信號反映得的是兩種氣體的濃度,而輔助電極上產生的信號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。而這個過程是由一個模擬電路或一個微處理軟件來完成的。
      排除溫度影響
       
      大多數電化學傳感器在溫度變化時基線信號會成指數地上升,大約是溫度每上升10°C,信號翻一倍。多數情況下可以忽略,但如果該應用涉及到濃度極低的氣體,譬如O3或監測CO,任何一個因溫度引起的基線變化都可能嚴重影響氣體測量的準確性。溫度變化時,感應電極和輔助電極的輸出信號會顯示出相應的變化,但因為輔助電極沒有暴露于反應氣體中,它的輸出與感應電極的輸出相減就可以排除溫度影響。這是通常用來計算因溫度變化而造成基線信號變化的有效方法。
       
       
      廢氣傳感器
       
      四電極技術使得我們能夠使用一個傳感器來測量一氧化碳和硫化氫。內置便攜式的安全設備對儀器設計師來說是大好消息。四電極傳感器與其它的傳感器運作相同,除了它包括兩個傳感電極:一個一氧化碳的,一個硫化氫的。當第一個傳感電極完全地將硫化氫氧化時一氧化碳擴散進來并被第二個電極氧化。這種四電極設計使得一個傳感器能夠同時測量兩種氣體并且輸出兩種不同的信號。
       

       

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