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电化学气体传感器的工作原理和结构图

发布日期:2020-08-08 13:46

  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。

  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。

  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。

  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。

  潮湿是对传感器影响最大的因素。电化传感器的理想工作环境应当是20℃,60%RH(相对湿度)。当环境湿度超过60%RH时,电解质会因为吸收水分而稀释。在极端情况下,电解质体积会增加2~3倍,很有可能造成电解质从传感器设备体通过接口渗漏。而当湿度低于60%RH时,电解质则有可能脱水。随着电解质脱水,设备反应时间也会显著延长。

  通过对传感器进行称重,可以迅速简便地判断出电解质的稀释和脱水情况。与出厂重量相比,当传感器重量有250mg以上的变化时,则说明传感器的性能很有可能受到了影响。通过将传感器置于相反的极端湿度环境中,电解质原来的稀释或脱水情况都是可逆的。在5~25天的时间里,传感器的重量和电解质浓度都可以恢复到初始状态,性能也一并得到恢复。

  要提醒大家注意的是,传感器的灵敏度可能会随着周围环境的情况而变化。一个原本反应不灵敏、反应时间长的传感器可能会随着环境湿度的变化而有所改善。这种情况在四季气候变化鲜明的国家则更为突出。氢硫化物传感器的性能尤其与周边环境联系更为紧密。一台固定式探测器中的传感器的灵敏度和反应时间很有可能在按照当地的温度湿度调试稳定后的两三周内发生改变。当传感器在安装前存放在非常干燥的环境中时(比如带空调的办公室),这种情况尤为普遍。

  在有些传感器上安装有化学过滤器,以尽可能消除干扰气体,尤其是硫化物气体带来的影响。这些过滤器的使用年限有限,通常用ppm/小时来定义其对干扰气体的耐受水平。因为气体浓度有高低之分,所以ppm/小时这个度量单位也许会不太精确。在目标气体暴露时间减半的情况下,一个标称1000ppm/小时的过滤器也不一定能把使用时间延长两倍。

  电化学气体传感器使用年限的预测是一门非常不精确的科学,设备的使用年限、寿命会受到本文中所提及的种种因素影响,每种具体应用中的情况各有不同。在实际操作中,用户要么根据制造商的建议按照固定时间周期对传感器进行更换,或者根据历史数据进行更换(比如每两三年更换一次),抑或是发现传感器对测试气体没有足够反应的时候进行更换。在定期更换模式下,用户得到保证传感器总是“崭新的”,但恰恰是因为这样的一再保证,用户却多掏了保险费,因为被更换下来的传感器事实上还能正常工作相当长时间。只有在表现出灵敏度明显下降(或者反应时间过分延长)时,传感器才有可能在服务周期之间发生故障(一般仅为六个月)并进行更换。

  在过去的几十年里,人们在气体传感器上应用了若干种的专利和技术,虽然这些技术都宣称可以发现电化学传感器发生故障的情况,但是大多数的技术仅仅是推断传感器在某种电极刺激下工作,而且可能仅提供了一种虚假的安全感。展示传感器处于工作状态的唯一可靠方法就是使用测试气体并测量传感器的反应即快速测试或者全面校准。

  但是,气体探测仪器可以对那些有可能影响传感器性能的事件进行报告:智能气体探测器和变送器能够检测周围环境并在温度超出传感器上下阀值的时候发出报警。变送器也能够将需要测量气体的浓度与传感器最大允许值进行比较,一旦超出就发出警告。在这些例子中,用户应当采取的正确措施就是使用测试气体对传感器进行快速测试来验证传感器是否能正确反应。