气体电化学传感器原理.pdf-资料库

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电化学传感器（1）——原理 2019 年 01 月 03 日 19:22:31 Miss_畅阅读数 940 本文转载自：https://blog.csdn.net/y511374875/article/category/6514030) 以瑞士 Membrapor 气体传感器为例子，介绍电化学传感器。目前了解到的，有毒气体电化学传感器，英国阿尔法公司、瑞士 Membrapor 公司，国内也有做标定好的模组的，比如郑州炜盛科技、深圳深国安、深圳圣凯安 1.电化学气体传感器电化学传感器通过与分析物反应并产生电信号进行操作。大多数电化学气体传感器是电流传感器，产生与气体浓度成线性比例的电流。电流测量传感器的原理是测量未建立平衡的电化学电池中的电流 - 电势关系。电流与通常使用另一个电极（所谓的参考电极）保持恒定电位的感测电极（也称为工作电极）的电解过程的速率定量相关 2.工作原理一个电化学气体传感器的工作原理如下：与传感器接触的目标气体分子首先通过一个防止冷凝的隔膜，它也起到防尘的作用。那么气体分子通过毛细管扩散，可能通过随后的过滤器，然后通过疏水膜到达感测电极的表面。在那里分子立即被氧化或还原，从而产生或消耗电子，从而产生电流。重要的是要注意，用这种方法进入传感器的气体分子的量受到通过毛细管扩散的限制。通过优化路径，根据期望的测量范围，获得适当的电信号。感测电极的设计对于实现对目标气体的高反应性并抑制对干扰气体的不希望响应是至关重要的。它涉及固体，液体和气体三个阶段的系统，并且都涉及分析物气体的化学识别。致力于量身定制该系统并获得高性能的气体传感器。电化学电池通过平衡感测电极处的反应的所谓反电极--Cont 电极完成。Cont 电极与 Sen 电极之间的离子电

流由传感器主体内的电解质传送，而电流路径通过以销连接器终止的导线提供。通常在电化学传感器（3 电极传感器）中包含第三电极。所谓的参考电极用于将感测电极的电势保持在固定值。为此并且通常用于电化学传感器的操作，需要恒电位电路。 3.传感器信号传感器信号一个气体传感器的输出信号对应于气体的浓度而不是其分压。因此，可以在不同高度甚至地下使用一个传感器，而不管在哪个大气压力下校准装置。电化学传感器（2）---设计恒电位电路三电极电化学恒电位电路这是在瑞士 Membrapor 气体传感器官网找到的技术文档 4. 3 电极传感器 - 设计恒电位电路为了操作电化学传感器，需要控制电路，称为恒电位电路。对于 3 电极传感器，主要目的是维持参比电极（ref）和感测电极（sens，也称为工作电极）之间的电压，以控制电化学反应并输出与产生的电流成比例的输出信号由传感器。

传感器响应目标气体，氧化或还原气体，产生与气体浓度成比例的电流。这个电流必须通过反电极（cnt）提供给传感器。在 cnt 发生相反的氧化还原反应，用 sens 完成电路。允许 cnt 的潜力浮动。当检测到气体时，电池电流上升，并且 cnt 相对于参考极化。cnt 的电位并不重要，只要电路能提供足够的电压和电流来维持 sens 的正确电位即可。电化学传感器的测量电路是跨阻抗结构的单级运算放大器 ic1。传感器电流在 rgain 上反射，产生相对于虚拟地 gnd 的输出电压。c2 降低高频噪音。负载电阻 rload 是最快响应时间和最佳信噪比之间的折衷。推荐值在传感器数据表中给出。控制运算放大器 ic2 向 cnt 提供电流以平衡 sens 所需的电流。ic2 的反相输入连接到参考电压，不能从电流中得到任何显着的电流。当断开电路电源时，jfet 将引脚短接到公共电路。这确保了 sens 的维持在与 ref 相同的潜力。这种无偏压传感器的状态确保传感器在开机时立即就绪。需要偏置电压的传感器不能被短路。相反，建议始终保持电压（大部分为 300 mv）。这可以通过关闭电源时的按钮单元来实现。

5. 2 电极传感器 2 电极传感器具有感测电极的电位可能偏移的缺点。这主要发生在暴露于目标气体时。因此建议不要使用双电极传感器进行连续测量。与 3 或 4 电极传感器相比，其他缺点是温度依赖性更强，信号输出更低。

6. 4 电极传感器 4 电极传感器是最复杂的电化学传感器。他们有一个额外的电极，即所谓的辅助电极（辅助），提供有关传感器的状态的附加信息。可以产生两种不同类型的 4 电极传感器： •氢补偿传感器 •低浓度的 l 型传感器这些传感器是完全不同类型的传感器，其中辅助设备采用不同的功能。然而，基本的恒压电路是一样的：

7. 4 电极传感器类型 7.1 氢补偿传感器这种类型的元件 4 电极传感器允许补偿不能用滤波器或其他技术进行区分的干扰气体。co / sf-4e-s 是烟气/烟道气体监测中非常受欢迎的气体传感器，也是氢气补偿一氧化碳（co）传感器的一个例子。尽管 co 和氢气（h2）的氧化都发生在感应电极上，但辅助电极处的信号几乎完全是由 h2 引起的。由两种气体引起的两种信号的浓度可以很容易地计算出来，因此，在 3-电极传感器失效的应用中可以获得高度精确的浓度。 7.2 L 型低浓度传感器与三电极传感器相比，这种类型的传感器可以降低检测限，提高分辨率。辅助电极的信号用于校正以下影响： •温度变化引起基线漂移 •干扰气体引起基线漂移不纠正的是由于干扰气体造成的交叉敏感性。电化学传感器（3）---气体采样系统 2018 年 01 月 17 日 22:52:29 y511374875 阅读数 1560 8. 气体采样系统 8.1 传感器的定位

元件传感器的方向对其操作没有影响。在配备有泵的装置中，优选地，传感器安装在泵的上游。这是为了最小化分析物气体的损失和由膜泵引起的冲击压力造成的影响。 8.2 流量当使用泵或质量流量控制器时，气体样品的流速必须足够高以避免分析物的消耗。如果观察到流量的依赖性，则必须增加流量或者减小传感器上方的横截面积。通常建议在传感器顶部以上具有较低的死体积。典型情况下，在发生损耗的情况下，测量二氧化碳气体，一般情况下使用高灵敏度传感器和低气体浓度。 8.3 氧气所有用于还原气体的气体传感器（co，h2，h2s，no ...）都需要氧气（o2）在反电极处提供反作用。但是在没有 O2 的气体样品中有几种可能的测量方法： 1. 短时间测量几分钟。在测量之前和之后，传感器暴露于环境空气中。这样就有足够的 o2 溶解在电解液中。 2. 紧凑型，薄型和标准尺寸的传感器在背面有一个小孔用于连接。这些类型可以用气流前端安装到管道上，并从背面的环境空气中获得 o2。 3. 不连续的测量。气体采样系统，具有周期性地在气体样本和周围空气之间切换的阀。对于超出指定范围的湿度的气体样品也可以采用相同的措施。 8.4 湿度大多数电化学气体传感器含有与周围空气的湿度含量平衡的液体电解质水溶液。在干燥条件下，电解质会失去水分并在高湿度下获得水分。大多数 MEMBRAPOR 传感器被指定为

在 15％至 90％RH 的湿度范围内运行。但是，传感器可以在短时间内使用在湿度范围之外操作。 l 传感器性能气敏元件的灵敏度与指定范围内的湿度无关。湿度的突然变化会对某些类型的传感器引起短暂的瞬态信号。这个效果在各自的数据表中都有记录。用干燥气体进行校准时，从环境空气中切换时，就是这种情况。从而传感器响应的第一秒是这个瞬态信号的叠加以及信号对气体浓度变化的响应。 l 环境空气监测在环境空气监测中，湿度可以达到极限值。这只要持续几天就不是问题。传感器电解质对气态水的吸收和解吸是一个缓慢的过程。需要 10- 30 天才能建立均衡。 l 工业气体监测在相对湿度大部分时间在 15％和 90％之间的情况下，可以进行连续的气体监测。表示为露点，如果工作温度为 20℃，则这些限制是-7℃和 18℃。工作温度是指气体样本的温度，应该等于传感器的温度。在下面的图表中，在整个温度范围内描绘了露点的界限。

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