для чего применяют электрохимический сенсор

Академия газоанализа Dräger. Выпуск №3: портативные газоанализаторы. Сенсоры

В двух ближайших выпусках Академии газоанализа Dräger речь пойдет о портативных газоанализаторах.

Гетсиз.ру и компания Dräger представляют совместный проект, посвященный портативному газоанализу в промышленности. В серии ежемесячных публикации мы расскажем, как анализ воздуха помогает обеспечить безопасность на предприятии, представим мировые достижения в этой области и дадим рекомендации по подбору оптимальных решений для разных условий.

В двух ближайших выпусках Академии газоанализа Dräger речь пойдет о портативных газоанализаторах. Они, как правило, в первую очередь ассоциируются с контролем воздуха рабочей зоны. Портативный газоанализатор представляет собой небольшой носимый прибор для определения опасных газов. Газоанализатор имеет источник питания и, в отличие от индикаторных трубок, контролирует состояние атмосферы непрерывно в течение рабочей смены, отслеживая одновременно нескольких веществ.

Основной элемент газоанализатора, определяющий с каким газом/ми работает прибор, – это сенсор. Миниатюрное устройство весом в несколько граммов представляет собой микролабораторию, причем автоматическую; все измерения проводятся без участия человека. В газоанализатор устанавливается от одного до пяти сменных сенсоров (газовых ячеек), что позволяет измерять до семи газов одновременно. По принципу действия сенсоры делятся на четыре основных типа: термокаталитические, электрохимические, инфракрасные и фотоионизационные.

Термокаталитические сенсоры

Как это работает? В термокаталитическом сенсоре содержаться так называемые пеллИсторы – крошечные пористые керамические бусины диаметром примерно 1 мм, в которые погружена платиновая спираль. По ней проходит электрический ток, нагревающий пеллистор до нескольких сотен градусов Цельсия. Керамическая бусина покрыта катализатором, который реагирует с горючим газом. Температура пеллистора повышается, а сопротивление платиновой спирали, соотвественно, увеличивается.

У сенсора, кроме активного измерительного элемента, есть неактивный компенсационный. Оба являются частями измерительной схемы – моста Уитстона, при помощи которой искомая величина сравнивается с эталонной, что позволяет оценить концентрацию требуемого газа.

Пример использования. Термокаталитические сенсоры – недорогие и популярные, к тому же решают отдельные задачи эффективнее, чем более дорогостоящие «коллеги». Так, термокаталитические сенсоры в отличие от инфракрасных способны определять водород.

Электрохимические сенсоры

Электрохимические сенсоры предназначены для измерения токсичных газов и кислорода. Многие из этих сенсоров отличаются высокой селективностью – избирательностью по отношению к измеряемому веществу.

Электрохимические сенсоры действуют в инертной среде, то есть среде с минимальными содержанием кислорода или его отсутствии.

Электрохимический сенсор – это аналог микрореактора, который в присутствии активных газов производит поток электронов, представляющий собой слабый, но измеримый электрический ток.

Как это работает? Электрохимический сенсор состоит как минимум из двух электродов – измерительного (1) и контрэлектрода (2), между которыми происходит электрический контакт: с одной стороны, через электропроводящую среду, электролит (вязкая жидкость для переноса ионов), с другой – через внешнюю электрическую токовую схему. Химическая реакция между электролитом и измеряемым веществом изменяет проводимость последнего.

Пример использования. Казалось бы, металлургические производства давно автоматизированы, однако по факту некоторые операции приходится выполнять вручную, например отбирать пробы из плавильной печи. В этой ситуации неизбежно столкновение с токсичными газами, в том числе с угарным – смертельным, не имеющим цвета и запаха. Из-за него происходит большинство несчастных случаев на металлургических заводах. При выбросе угарного газа его содержание в воздухе может в несколько раз превысить смертельную для человека дозу в 3000 мг/м³. При таких высоких концентрациях стандартные сенсоры на СО выходят из строя. Проблему решает созданный Dräger сенсор для металлургии, способный определять угарный газ в огромном диапазоне от 0 до 11500 мг/м³.

Инфракрасные сенсоры

Газы поглощают излучение в характерном для них спектре, некоторые даже в видимом (0,4-0,8 мкм). Поэтому мы видим хлор зелено-желтым, диоксид азота – коричнево-красными, а йод – фиолетовым. Углеводороды, к которым относят большинство горючих газов, поглощают электромагнитное излучение в инфракрасном диапазоне от 3,3 до 3,5 мкм, а кислород, азот и аргон нет. На этом свойстве веществ основан принцип действия инфракрасного сенсора.

Как это работает? Анализируемый воздух поступает в сенсор, в котором находится инфракрасный излучатель. Излучение проникает в кювету с пробой, много раз отражается, выходит через оптическую щель и попадает на два фильтра – измерительный и сравнительный. Измерительный воспринимает заданный диапазон спектра, сигнал сравнительного остается неизменным. Разница в данных, иначе говоря снижение интенсивности излучения и есть показатель концентрации газа.​

Пример использования. Инфракрасные сенсоры, в отличие от термокаталитических, определяют горючие газы без кислорода. Технология гарантирует безопасность тысячам людей, чья работа связана с замкнутыми пространствами: резервуарами, в том числе для нефтепродуктов, коллекторами, канализационными колодцами и т.д.

Компания Dräger внесла особый вклад в безопасность работ в замкнутых пространствах, разработав сенсор Dual IR-Ex / CO₂, способный отслеживать одновременно горючие газы и диоксид углерода. Сенсор устойчив к высоким концентрациям углеводородов вплоть до 100% об. и надежен даже в экстремальных условиях, например, в присутствии сероводорода.

Единицы измерения концентрации газов:

Фотоионизационные сенсоры

Многие органические вещества токсичны в концентрациях намного меньше нижнего предела взрываемости, по причине чего их сложно обнаружить термокаталитическими или инфракрасными сенсорами. Для таких случаев предназначены фотоионизационные сенсоры (анг. PID – photoionisation detector). Они определяют летучие органические соединения даже в минимальных концентрациях, что жизненно важно при работе в замкнутых пространствах, поиске утечек и т.д.

Как это работает? Когда воздух проходит через PID-сенсор, молекулы органических и неорганических веществ ионизируются под действием ультрафиолетового излучения специальной лампы. Свободные электроны и ионы создают ток, значение которого пропорционально содержанию в воздухе молекул анализируемого вещества. Ток преобразуется в электрический сигнал.

Пример использования. PID-сенсоры чаще используют для обнаружения углеводородов нефти и нефтепродуктов в низких концентрациях. К примеру, ПДК нефти составляет всего 300 мг/м³. Столь мизерную долю вещества способен выявить только фотоионизационный сенсор.

Особенности использования

Чтобы обнаружить и измерить определенные газы нужны соответствующие типы сенсоров. Так, термокаталитические и инфракрасные выявляют горючие газы, которые могут взорваться или загореться. При этом термокаталитический сенсор не работает без кислорода. Поэтому в условиях, где O₂ нет или очень мало (≤7%), выявить горючие газы таким сенсором невозможно.

Кроме того, существуют ограничения при измерении разных газов одним газоанализатором. В частности, при определении концентрации сернистого газа (SO₂) в присутствии оксида азота (NO₂), они одинаково влияют на сенсор, накладываясь друг на друга. Потому производители не рекомендуют совместно использовать сенсоры на эти вещества.

Другие сенсоры наоборот – дополняют друг друга, расширяя возможности газоанализатора. Так инфракрасный сенсор способен «почувствовать» до 100 % об. паров нефтепродуктов, но скромные 300 мг/м³ не заметит. Фотоионизационный, напротив, измерит мельчайшие концентрации, но с серьезными не справится. При одновременном применении этих сенсоров газоанализатор сможет определить концентрацию паров нефтепродуктов в большом диапазоне.

Сенсоры ведущих производителей, таких как Dräger, имеют еще одну отличительную черту – высокую селективность, способность обнаруживать и откликаться на те газы, которые интересуют пользователя. При этом сенсор не реагирует на другие вещества, которые содержаться в пробе. Тем не менее добиться 100% стойкости к перекрестной чувствительности не представляется возможным, поэтому при расшифровке результатов приходится учитывать ее возможность.

Срок службы и надежность

Гарантийный срок службы самых популярных сенсоров Dräger (O₂, H₂S, горючие газы) составляет не менее трёх лет, однако, как показывает практика, они остаются работоспособными еще как минимум два-три года. Для сравнения: средний по рынку гарантийный срок службы сенсора для определения кислорода составляет два года.

Прогнозируемое время работы электрохимического сенсора Dräger для измерения угарного газа составляет пять лет при ежедневном использовании, однако зафиксирован случай, когда датчик функционировал больше семи лет. Надежность этого сенсора доказывает и его стойкость к метану, аммиаку, хлору, хлористому водороду и диоксиду углерода.

Разработка и производство

Ведущие игроки рынка портативных газоанализаторов давно имеют собственные департаменты разработки сенсоров, однако Dräger является одним из пионеров в этой области. В лабораториях штаб-квартиры компании в Любеке ведутся научные исследования, которые вскоре становятся основой технологий, воплощенных в реальной продукции.

Dräger законно гордится своим портфолио по сенсорам. 36 сенсоров для определения 46 газов – от всем известного кислорода до гидразина, самовоспламеняющегося топлива (с сочетании с окислителем) для космических кораблей. Гидразин крайне токсичен даже в минимальных концентрациях. Выпускаемый Dräger особо чувствительный сенсор способен обнаружить гидразин в количестве 0,1 ppm.

Помимо разработки нишевых продуктов, Dräger постоянно ищет способы победить кросс-чувствительность и снизить пределы обнаружения опасных газов. Еще одна важная задача, стоящая перед инженерами, – экономическая, т.е. снижение затрат потребителей.

Представительства компании в разных странах, включая Россию, напрямую работают с пользователями. Полная информация о возможностях продукта позволяет использовать его с максимальной эффективностью.

Продолжим тему газоанализаторов в следующем выпуске Академии. Поговорим о видах этих приборов и задачах, которые они способны решать.

(4 оценок, среднее: 5,00 из 5)

⌛ Нет времени на web-сайты? Попробуйте наш Telegram и не забудьте про Instagram, Facebook, Вк и Twitter

Источник

Принципы работы электрохимических сенсоров. Потенциометрические сенсоры

15.4.4. Газочувствительные потенциометрические сенсоры

С помощью электрохимических сенсоров можно обнаруживать и определять не только концентрацию ионов в растворах. Косвенно, по изменению концентрации ионов, с их помощью можно обнаруживать присутствие и концентрацию в контролируемой среде также ряда нейтральных молекул. Одним из примеров являются так называемые » газочувствительные электроды «. Принцип их действия показан на рис. 15.4.

Важным структурным элементом потенциометрического газочувствительного сенсора является мембрана ГМ, отделяющая электролит «внешнего» полуэлемента от окружающей атмосферы. Мембрана эта является непроницаемой для электролита, но проницаемой для молекул контролируемых газов. Чем выше концентрация таких газов в окружающей атмосфере, тем больше их молекул проникают через мембрану ГМ в электролит и растворяются в нем. Если они вступают в химические реакции, то сдвигают динамическое равновесие в приэлектродной зоне, вследствие чего изменяется разность потенциалов между электродами.

( 15.5)

Такой же внутренний электрод используют, например, в электрохимических газовых сенсорах на (внешним электролитом в этом случае является , реакция при растворении: , в сенсорах на (внешним электролитом является , реакция при растворении: ) и в других.

В электрохимических газовых сенсорах на внутренним является фтор-селективный электрод, на – соответственно -селективный электрод и т.д.

Одним из примеров интеллектуальных электрохимических газовых сенсоров является персональный газоанализатор ПГА-300 ( рис. 15.5, а ), предназначенный для применения на химически опасных производствах с целью индивидуальной защиты персонала.

Для каждого из контролируемых газов устанавливается и сохраняется в памяти значение допустимой пороговой концентрации, при превышении которого выдается звуковая и/или световая сигнализация. Размеры этого интеллектуального сенсора 160x80x30 мм, масса (с аккумулятором и двумя датчиками) – до 0,3 кг.

15.4.5. Потенциометрические биосенсоры

Оказалось, что при соответствующей модификации электрода или перегородки между электролитами потенциометрические электрохимические сенсоры способны и на большее. С их помощью можно, например, обнаруживать присутствие в контролируемой жидкости и определять концентрацию не только ионов, но и органических молекул, вирусов, микробов. С этой целью для модификации используют природные ферменты – особые органические молекулы, синтезированные и отобранные в ходе биологической эволюции. Они эффективно «распознают» интересующую пользователя молекулу или тело-аналит и содействуют ее химическому взаимодействию с другими ионами или молекулами. Такие вещества, выступающие в роли специфического катализатора, называют еще «энзимами», а сенсоры, в которых используются такие вещества, – » биосенсорами » [ [ 182 ] ].

Одним из первых потенциометрических электрохимических биосенсоров был биосенсор на мочевину [ [ 339 ] ]. Для этого на мембрану электрода был осажден фермент уреаза, добываемый из черных бобов. Этот фермент является эффективным катализатором биохимической реакции гидролиза мочевины:

( 15.6)

Поэтому, если в контролируемом растворе присутствует мочевина, то при контакте с иммобилизованной на мембране уреазой она гидролизируется, и в растворе появляются дополнительные ионы и . Это приводит к изменению раствора, что и позволяет обнаруживать и измерять концентрацию мочевины.

Краткие итоги

Электрохимические сенсоры по изменению концентрации ионов могут обнаруживать присутствие и концентрацию в контролируемой среде также ряда нейтральных молекул. Одним из примеров являются » газочувствительные электроды «, имеющие непроницаемую для электролита, но проницаемую для молекул контролируемых газов мембрану. Проникая сквозь мембрану в электролит, молекулы газа сдвигают динамическое равновесие, вследствие чего изменяется разность потенциалов между электродами.

В потенциометрических биосенсорах для селективного обнаружения и измерения концентрации молекул и микробиологических объектов используют природные ферменты, которые и обеспечивают избирательную реакцию электрохимической ячейки на соответствующий аналит.

Источник

Для чего применяют электрохимический сенсор

При выборе того или иного газоанализатора можно опираться на различные критерии, но критически важно подобрать подходящий для поставленной задачи принцип измерения, руководствуясь типом измеряемого газа, средой, в которой выполняются измерения, и целью.

На сегодняшний день самыми востребованными типами датчиков являются:

• термокаталитический
• термокондуктивный
• полупроводниковый
• электрохимический
• гальванический
• инфракрасный (оптический)
• интерферометрический
• фотоионизационный (ФИД)
• пиролитический
• фотометрический

Самый распространенный и универсальный тип датчика, принцип работы которого основан на вычислении количества тепла, выделяемого при сгорании горючего газа или паров в катализаторе. Керамический принцип является разновидностью термокаталитического, однако в отличие от последнего использует другой тип катализатора – мелкодисперсный (керамический). Архитектурно датчик состоит из двух чувствительных элементов – рабочего и компенсирующего. Рабочий элемент представляет собой спираль из драгоценного металла (как правило, платины) и катализатора, чувствительного к горючим газам. Воздушная смесь, содержащая горючий газ, вступает в реакцию с катализатором, увеличивая температуру элемента, и, как следствие, приводит к изменению электрического сопротивления спирали в почти линейной зависимости от концентрации газа. Компенсирующий элемент состоит из платиновой спирали и стекла, которое не обладает чувствительностью к горючим газам, и предназначен для компенсации окружающих условий.

Полупроводниковый
В данном типе датчиков используется полупроводник с металлоксидным напылением, сопротивление которого меняется при контакте с газом. Датчик состоит из нагревательной спирали и проводника, нанесенного на трубку из глинозёма, а по краям трубки находятся контакты из драгоценного металла, предназначенные для измерения сопротивления. При попадании газа на поверхность датчика он окисляется, что приводит к уменьшению электрического сопротивления, которое преобразуется в концентрацию.

Преимущества: линейный выходной сигнал, высокая точность и хорошая воспроизводимость результатов.
Применение: измерение ПДК токсичных веществ.
Газоанализаторы: HS-03, CO-03, CX-5, GX-3R/Pro, GX-2012, GX-6000, GX-8000, RX-8500, RX-8700, SC-8000, TP-70D, SD-1EC, GD-70DПреимущества: простота, долговечность в сравнении с электрохимическим датчиком, не требует внешнего питания, линейная выходная характеристика, быстрый отклик и отсутствие зависимости от колебаний температуры/влажности.
Газоанализаторы: OX-03, GX-2012/GT, GX-6000, GX-8000, RX-8000, RX-8500, RX-8700, SD-1OX, GD-70D

Инфракрасный (оптический) Данный принцип измерения основан на известном факте о том, что многие газы поглощают инфракрасные лучи и каждый из этих газов имеет определенный спектр поглощения. Сенсор состоит из источника ИК-света и датчика, между которыми установлены оптический фильтр и измерительная ячейка. Поступая в измерительную ячейку, газ поглощает некоторое количество инфракрасного света, а датчик при этом фиксирует снижение интенсивности поступающего ИК-света и на базе известной зависимости (калибровочной кривой) генерирует выходной сигнал. Несмотря на то, что зависимость не линейная, она хороша известна производителям датчиков.

Интерферометрический Принцип интерферометрии основан на измерении коэффициента рефракции газа. Архитектурно интерферометрический сенсор состоит из источника света и оптической системы из зеркал, линз, призмы и светочувствительного датчика. Свет от источника разделяется плоскопараллельным зеркалом на два луча (А и В) и отражается призмой. Луч А движется по круговому маршруту через камеру D, наполненную измеряемым газом, а луч В – через камеру E с референсным газом. После этого лучи А и В встречаются в точке С зеркала и, проходя через систему зеркал и линз, формируют на светочувствительном датчике картину интерференции. Данная картина сдвигается в пропорции к разнице в коэффициенте рефракции между измеряемым и референсным газами. Датчик измеряет сдвиг, чтобы измерить коэффициент рефракции, и преобразует его в концентрацию газа или количество тепла.

Преимущества: быстрый отклик, повторяемость, стабильность при изменении окружающих условий, отсутствие эффектов старения и отравления. Применение: измерение довзывоопасных концентраций (ДВК) горючих газов и паров в диапазоне от 0 до 100% НКПР, а также концентрации в диапазоне от 0 до 100% объема. Газоанализаторы: GX-3R Pro, GX-6000, RX-8000, RX-8500, RX-8700, SD-1RI

Преимущества: низкая погрешность измерений, долговременная стабильность, высокая линейность и быстрый отклик, отсутствие влияния изменений в температуре и давлении (за счет механизма коррекции). Применение: измерение концентраций горючих газов, углекислого газа и элегаза, а также калорийности природного газа. Газоанализаторы: FI-8000

Фотоионизационный (ФИД) В фотоионизационных датчиках измеряемый газ ионизируется с помощью ультрафиолетового света, а это, в свою очередь, приводит к возникновению электрического тока. Когда газ попадает в ионизационную камеру, он подвергается воздействию УФ-света, под воздействием которого газ начинает терять электроны и генерировать катионы (положительные ионы). Электроны и катионы, в свою очередь, притягиваются катодом и анодом, возбуждая электрический ток, который пропорционален значению концентрации. Для ионизации требуются фотоны с энергией выше энергии данного конкретного газа, поэтому в ФИД, как правило, используют УФ-лампы с энергией 10,6 эВ (изготовлены из фторида магния и наполнены криптоном) или 11,7 эВ (изготовлены из фторида лития и наполнены аргоном).

Пиролитический В основе этого принципа лежит процесс пиролиза измеряемого газа с образованием оксида, частицы которого измеряются датчиком. Пиролитический сенсор состоит из нагревателя, в центре которого находится кварцевая трубка с нагревательным элементом, и датчика частиц, содержащего две камеры – рабочую и компенсационную. Измеряемый газ (например, TEOS или NF3) под воздействием температуры окисляется и попадает в рабочую камеру датчика частиц с источником α-частиц, который используется для ионизации воздуха и возбуждения электрического тока. Как только частицы газа попадают в камеру, они начинают поглощать ионы, приводя к снижению тока ионизации. Это снижение выходного сигнала пропорционально концентрации измеряемого газа. Компенсационная камера позволяет компенсировать флуктуации температуры, влажности и давления окружающей среды.

Преимущества: чувствительность к низким концентрациям, широкий спектр измеряемых веществ. Применение: измерение крайне малых концентраций (на уровне ppm и ppb) летучих органических соединений. Газоанализаторы: GX-6000

Преимущества: непревзойденная стабильность показаний (благодаря использованию источника америция-241 с периодом полураспада около 400 лет), быстрый отклик, линейность выходного сигнала и устойчивость к изменениям в окружающих условиях. Применение: измерение ПДК высокотоксичных газов. Газоанализаторы: GD-70D

Читайте также

При выборе того или иного газоанализатора можно опираться на различные критерии, но критически важно подобрать подходящий для поставленной задачи принцип измерения, руководствуясь типом измеряемого газа, средой, в которой выполняются измерения, и целью.

В последние годы на металлургических предприятиях особое внимание уделяется вопросу безопасности. Это связано с участившимися случаями отправления угарным газом, нехватки кислорода, а также опасностью взрыва из-за утечек метана и водорода. Предлагаем вашему вниманию презентацию решений RIKEN для металлургического производства, призванных свести к минимуму риски взрыва и отравления.

В медицинских учреждениях широкое применение нашли технические и медицинские газы, например, жидкий азот (N2), который используется в трансплантации, криотерапии и криобиологии. Низкая температура (-196°C), при которой азот находится в жидком состоянии, обеспечивает длительное хранение донорской крови, плазмы, стволовых клеток, а также органов.

Источник