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一文认识电化学气体传感器


  来源: 传感器前线 时间:2020-06-29 编辑:仪器仪表WXF
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目前,气体传感器的应用日趋广泛,在物联网等泛在应用的推动下,其技术发展方向开始向小型化、集成化、模块化、智能化方向发展。其中工业领域就是气体传感器一个应用领域,用以使人员和设备免受危险气体导致的直接和间接威胁。无论是使用便携式气体报警器还是固定式气体检测仪,对于确保设备在其使用年限内安全运转有可能造成的巨大成本问题,用户必然有着深切体会。而在工业领域应用较多的是电化学气体传感器。下面小编就简单介绍一下电化学气体传感器的相关知识。


电化学气体传感器


电化学气体传感器的工作原理


小小的传感器中,是被水性凝胶电解质(一般是硫酸:H2SO4)浸湿的电极,当所探测的气体(比如一氧化碳:CO,或者硫化氢:H2S)进入传感器内与电解质发生氧化或者浓度变化时,工作电极在催化剂作用下产生微弱电流。电流经过与传感器相连接的放大器放大,从而显示目标区域的气体浓度。


电化学传感器典型结构图

电化学传感器典型结构图


大多数电化学气体传感器应用于扩散模式,在这种模式下,周围环境中的气体样本通过传感器正面的小孔进入传感器(通过气体分子自然流动)。而有些设备通过一个抽气泵将空气/气体样本抽进传感器内。在气孔部位安装有聚四氟乙烯薄膜来阻挡水或油进入传感器内。传感器的测量范围和灵敏度可以通过在设计时调整进气孔尺寸随之变化。大一些的进气孔可以提高设备的灵敏度和分辨率,而小一些的进气孔虽然降低了灵敏度和分辨率,但是可增大测量范围。


氧气传感器的工作原理与之前所描述的电化学氧气传感器工作原理类似,但是,氧气传感器的使用年限是可预测的,所以,更换周期也可以进行预设——一般为2~3年。与有毒气体传感器不同,氧气传感器长期持续暴露在目标气体中。在通常的耗氧监测应用中,传感器工作环境的氧气浓度为20.9%,这就会在铅阳极上引起化学反应,从而造成阳极的逐渐消耗。所以,传感器通过与氧气反应持续产生电流的能力取决于电解质中铅的含量。


通过增加“温度补偿”这一关键机制,气体探测设备制造商确保了传感器的性能。气体灵敏度(以及零基线信号)常常随着温度有所变化,所以当温度升降时,气体灵敏度呈非线性变化。


在研发气体探测设备的过程中,人们用了大量时间将相同的气体传感器放置于不同温度和不同浓度气体中(温度在-30℃~+50℃之间)。所采集的数据经过处理后生成了一个为气体探测器所用的温度补偿算法,以确保传感器读数在整个操作量程内保持一致。


“常规”使用年限


检测一氧化碳或硫化氢等普通气体的电化学传感器的使用年限通常为2~3年。而一些特殊气体,如氟化氢气体的传感器的使用年限仅仅只有12~18个月。具体使用视环境会有相应的延长和缩短。


在理想情况下,即温度和湿度分别保持在20℃和60%RH左右,同时没有污染物的侵入时,已知有的电化学传感器工作超过11年!周期性地暴露在目标气体环境中并不会限制传感器的使用年限,优质的传感器通常都装备充足的催化剂和结实耐用的导体,这些材料并不会因为化学反应而轻易消耗殆尽。


传感器也有所谓的“库存期”或者“存贮周期”,这些时间可能会让用户,服务公司和制造商都感到困惑和沮丧。电化学传感器在生产后通常都有六个月的存贮周期(假定存贮条件为理想的20℃)。在超出这一周期后,传感器输出的信号就有可能变得不稳。这个周期中的一小部分时间不可避免地要用于生产和运输环节。所以,对传感器备件的采购进行详细计划就变得至关重要,其目标是尽量缩短备件在仓库中的存贮时间。


影响传感器寿命的因素


极端温度可以影响传感器寿命。通常,制造商所宣称的设备操作温度范围通常在-30℃到+50℃之间变化。然而,高质量的传感器能够在短时间内承受突破此范围的温度。比如,传感器(如H2S或CO)在短时间(1~2小时)暴露于60℃到65℃是没有问题的。但是,如果极端情况重复发生则会造成电解质挥发,也有可能造成零基线读数移动和反应迟缓等情况。


温度过低时,传感器的灵敏度会降低。也许传感器可以在-40℃的低温工作,但是对气体的灵敏度会大幅度下降(灵敏度甚至可能降低高达80%),而且反应时间也会延长许多,另外,当温度降到-35℃以下时,电解质还有结冰的危险。


关键词:电化学气体传感器 原理 影响    浏览量:252

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