Elektrokémiai mérőcellák keresztérzékenységének kompenzációja

Bevezetés

A Testo emissziós méréstechnológiája a megbízhatósága és pontossága révén világszerte jó hírnévnek örved. A gyakran előforduló feladatok közé tartozik a fűtésrendszerek beszabályozása és felügyelete, valamint a kapcsolt erőműveken, motorokon és turbinákon végzett mérés. A tüzelőanyag és az égő beállításától függően ezeknél a feladatoknál a gázkeverék általában már ismert.

Ezek mellett azonban a Testo emisszió mérőműszereit a legkülönfélébb folyamatok felügyelete során is alkalmazzák, melyeknél a gázkoncentrációk jelentősen fluktuálhatnak. Jelen tanulmány a szenzorok más gázokra lehetséges keresztérzékenységével, illetve annak kiküszöbölésével foglalkozik.

A mérőcellák keresztérzékenysége

A keresztérzékenység fogalom azt jelenti, hogy egy adott érzékelő nem csak a célparaméterre reagál, hanem más befolyásoló paraméterekre is. Másképpen megfogalmazva: egy keresztérzékeny érzékelő nem rendelkezik tökéletes szelektivitással. Ez különösen nagy kihívást jelent a gázelemző mérőcellák tekintetében, mivel egy adott gáz koncentrációjának mérése lehetséges kell, hogy legyen bármilyen gázkeverékben – függetlenül attól, hogy több száz gáz és gőz befolyásolhatja a cella szelektivitását. Nem meglepő, hogy szinte minden mérési módszer mutat keresztérzékenységet egyes gázokra. Például az oxigén mérésére alkalmazott paramágneses műszerek nitrogén-dioxidra is reagálnak, ezen felül ammóniára és szén-dioxidra is a nitrogén-oxidok kemolumineszcenciai módszerrel történő mérése során. A Testo mérőműszerek elektrokémiai mérőcellái szintén keresztérzékenyek egyes gázokra.

1. ábra: Elektrokémiai mérőcellák a testo 340 mérőműszerben

Elektrokémiai mérőcellák keresztérzékenysége és a kompenzációs stratégiák

Az elektrokémiai mérőcellák működési elve a 2. ábrán látható. A mérendő gáz, pl. szén-monoxid (CO) áthalad egy diffúziós gáton (kapilláris vagy membrán), illetve egyes érzékelő típusoknál egy kémiai szűrőn is. A gáz ezután eléri a munkaelektródát. Az elektróda egy elektrolitban "lebeg", pl. savas vagy bázis, vizes oldatban. A gázmolekula elindít egy kémiai reakciót az elektródánál, így ionok, pl. protonok (H+) jönnek létre. Ezek az ionok elérik az ellenelektródát, ahol kölcsönhatásba lépnek az oldatban jelen lévő oxigénnel. Ezzel egy időben elektromos áram generálódik, mely áthalad egy külső áramkörön. Az áthaladó áram mérésével kiszámítható a gázkoncentráció. A harmadik elektróda (referencia elektróda) a mérőcella jelének stabilizálására szolgál.

Az elektródáknál létrejövő kémiai reakciókhoz nélkülözhetetlen egy nemesfém katalizátor használata (pl. platina). A választható katalizátorok száma azonban korlátolt, az adott anyagok különbözőképpen működnek a különböző gázoknál. A különböző katalizátorok keverésével növelhető a mérőcellák szelektivitása egy bizonyos gázra. Ugyanakkor a keresztérzékenység teljes kizárása nem lehetséges. Egy platina elektróda nagy katalitikus aktivitással rendelkezik, egy vizes, hígított kénsavas elektrolittal töltött CO mérőcellában így NO, NO2, SO, SO2 és H2 gázokra is érzékeny lesz.

Hogyan lehet minimalizálni a műszerek, mérőcellák nem kívánt keresztérzékenységét annak érdekében, hogy megbízható gázkoncentrációkat jelezzen a műszer, még teljesen ismeretlen gázkeverékeknél is? Számos stratégia jöhet szóba:

2. ábra: Elektrokémiai elven működő mérőcellák CO és más gázok mérésére (vázlatos ábrázolás)

Katalitikus anyagok

A legfontosabb megközelítés a már korábban említett katalizátorok és keverékek célzott használata az elektródához, valamint a cella megfelelő elektrolittal való feltöltése. A kereskedelemben elérhető elektrokémiai mérőcella technológia már jelentős fejlődésen ment keresztül. Azonban mindig van hely további fejlesztésre. Ennek példája az 5. oldalon található az új, CO-ra nem érzékeny SO2 mérőcella.

Előfeszültség

A megfelelő előfeszültség kiválasztása a munkaelektródához további javulást eredményezhet a szelektivitásban. Ez a módszer elterjedt pl. NO mérőcellákban. A munkaelektróda grafitot használ katalizátorként, ezen felül pedig 300 mV-os előfeszültséggel rendelkezik a referenciával szemben (ami szintén a mérőcella része). Ennél a cellánál is vizes, hígított kénsav az elektrolit. A rendszer elektrokémiai potenciálja révén képes NO mérésére. Ezzel szemben az NO2-vel, illetve CO-val szemben viszonylag magas szelektivitással rendelkezik a mérőcella.

Szűrők

Számos elektrokémiai gázelemző cellában található szűrő a keresztérzékenység megelőzése céljából. Ahhoz, hogy a szűrő anyaga megfelelő legyen, a célgázt át kell engednie, miközben a további gázokat megállítja.

Ez csak egy rövid részlet volt. Szeretne többet megtudni?
Igényelje meg a teljes tanulmányt most.

A szakmai tanulmány tartalma

CO mérőcella H₂ kompenzációval
Keresztérzékenységek kompenzációja
A Testo mérőműszerek és mérőcellák sajátosságai
A keresztérzékenységek kompenzációjának határai
Az SO2 mérőcellák továbbfejlesztésében elért sikerek
Összegzés

White paper cross-sensitivity compensation