Elektrokjemisk gassensor - Electrochemical gas sensor

Elektrokjemiske gass-sensorer er gassdetektorer som måler konsentrasjonen av en mål- gass ved å oksydere eller redusere målverdien for gassen ved en elektrode og som måler den resulterende strøm.

Historie

Da han begynte med sin forskning i 1962, ble Naoyoshi Taguchi den første personen i verden som lyktes i utviklingen av en halvlederanordning som kunne oppdage lave konsentrasjoner av brennbare og reduserende gasser når den ble brukt med en enkel elektrisk krets. Enheter basert på denne teknologien kalles ofte "TGS" (Taguchi Gas Sensors).

Konstruksjon

Sensorene inneholder to eller tre elektroder, noen ganger fire, i kontakt med en elektrolytt . Elektrodene fremstilles vanligvis ved å feste edelt metall med høyt overflateareal på den porøse hydrofobe membranen. Arbeidselektroden kommer i kontakt med både elektrolytten og den omgivende luften som skal overvåkes, vanligvis via en porøs membran. Den mest brukte elektrolytten er en mineralsyre , men organiske elektrolytter brukes også til noen sensorer. Elektrodene og huset er vanligvis i et plasthus som inneholder et gassinngangshull for gass og elektriske kontakter.

Teori om drift

Gassen diffunderer inn i sensoren, gjennom baksiden av den porøse membranen til arbeidselektroden der den oksyderes eller reduseres. Denne elektrokjemiske reaksjonen resulterer i en elektrisk strøm som passerer gjennom den eksterne kretsen. I tillegg til å måle, forsterke og utføre andre signalbehandlingsfunksjoner, opprettholder den eksterne kretsen spenningen over sensoren mellom arbeids- og motelektrodene for en toelektrodesensor eller mellom arbeids- og referanseelektrodene for en treelektrodecelle. Ved motelektroden oppstår en like og motsatt reaksjon, slik at hvis arbeidselektroden er en oksidasjon, så er motelektroden en reduksjon.

Diffusjonskontrollert respons

Strømmen styres av hvor mye av målgassen som oksyderes ved arbeidselektroden. Sensorer er vanligvis konstruert slik at gasstilførselen er begrenset av diffusjon og således utgangssignalet fra føleren er lineært proporsjonal med gasskonsentrasjonen . Denne lineære utgangen er en av fordelene med elektrokjemiske sensorer fremfor andre sensorteknologier, (f.eks. Infrarød), hvis utgang må lineariseres før de kan brukes. En lineær utgang tillater mer presis måling av lave konsentrasjoner og mye enklere kalibrering (bare grunnlinje og ett punkt er nødvendig).

Diffusjonskontroll gir en annen fordel. Endring av diffusjonsbarrieren gjør at produsenten av sensoren kan skreddersy sensoren til et bestemt mål gasskonsentrasjonsområde. I tillegg, siden diffusjonsbarrieren primært er mekanisk, har kalibreringen av elektrokjemiske sensorer en tendens til å være mer stabil over tid, og derfor krever elektrokjemiske sensorbaserte instrumenter mye mindre vedlikehold enn noen andre deteksjonsteknologier. I prinsippet kan følsomheten beregnes ut fra diffusjonsegenskapene til gassbanen inn i sensoren, selv om eksperimentelle feil i målingen av diffusjonsegenskapene gjør beregningen mindre nøyaktig enn kalibrering med testgass.

Kryssfølsomhet

For visse gasser, slik som etylenoksid , kan kryssfølsomhet være et problem fordi etylenoksid krever en meget aktiv arbeidselektrode katalysator , og høye driftspotensial for oksydasjon. Derfor vil gasser som lettere oksideres, slik som alkoholer og karbonmonoksid , også gi et svar. Korsfølsomhetsproblemer kan elimineres ved bruk av et kjemisk filter, for eksempel filtre som lar målgassen passere uhindret, men som reagerer med og fjerner vanlige forstyrrelser.

Selv om elektrokjemiske sensorer gir mange fordeler, er de ikke egnet for hver gass. Siden deteksjonsmekanismen innebærer oksidasjon eller reduksjon av gassen, er elektrokjemiske sensorer vanligvis bare egnet for gasser som er elektrokjemisk aktive, selv om det er mulig å oppdage elektrokjemisk inerte gasser indirekte hvis gassen samhandler med en annen art i sensoren som deretter produserer en respons. Sensorer for karbondioksid er et eksempel på denne tilnærmingen, og de har vært kommersielt tilgjengelige i flere år.

Kryssfølsomhet til elektroniske kjemiske sensorer kan også brukes til å designe kjemiske sensorarrays , som bruker en rekke spesifikke sensorer som er kryssreaktive for deteksjon av fingeravtrykk av målgasser i komplekse blandinger.

Se også

Referanser