Compensarea sensibilității încrucișate în senzorii electrochimici.
Introducere
Fiabilitatea și precizia tehnicii de măsurare a emisiilor de la Testo i-a adus o foarte bună reputație în rândul clienților din întreaga lume. Aplicațiile tipice sunt reglarea și monitorizarea sistemelor de încălzire, precum și măsurătorile la centrale de cogenerare, motoare sau turbine. În funcție de tipul de combustibil și de setările instalației, matricea de gaze din aceste aplicații este destul de bine cunoscută.
Cu toate acestea, instrumentele de măsurare a emisiilor de la Testo se folosesc pentru monitorizarea celor mai diverse procese în care compoziția gazelor poate varia considerabil. Această broșură informativă tratează problematica posibilei sensibilități încrucișate a gazelor și modul de abordare a acesteia.
Sensibilități încrucișate în senzorii de gaz
ermenul de sensibilitate încrucișată descrie faptul că un senzor reacționează nu doar la parametrul țintă ci și la alți parametrii. Altfel spus: Un senzor cu sensibilitate încrucișată nu posedă selectivitate perfectă. Acest fapt este deosebit de provocator pentru senzorii de gaz, deoarece măsurarea concentrației unui anumit gaz ar trebui, la modul ideal, să se poată face într-o matrice de gaze de orice complexitate - cu sute de gaze și vapori ce pot eventual interfera cu selectivitatea. Nu este, așadar, surprinzător că aproape toate principiile de măsurare folosite în senzorii de gaze arată o sensibilitate încrucișată la gazele însoțitoare. De exemplu, instrumentele de măsurare paramagnetice pentru oxigen reacționează și la dioxidul de azot iar amoniacul și dioxidul de carbon acționează ca parametri de interferență în metodele cu chimiluminescență pentru determinarea oxizilor de azot. Senzorii de gaz electrochimici așa cum sunt cei folosiți în instrumentele de măsurare Testo nu sunt nici ei liberi de sensibilități încrucișate.
Fig. 1: Electrochemical gas sensors in the measuring instrument testo 340
Sensibilități încrucișate în senzorii electrochimici și strategii de compensare
Principiul de funcționare al unui senzor de gaz electrochimic este explicat în diagrama din Fig. 2.
Gazul de măsurat, de exemplu monoxidul de carbon (CO), trebuie să treacă printr-o barieră de difuzie (un capilar sau o membrană), iar în cazul anumitor tipuri de senzori printr-un filtru chimic, ajungând apoi la așa-numitul electrod de lucru. Acesta „plutește” într-un electrolit, adică într-o soluție apoasă acidă sau alcalină. Molecula de gaz declanșează o reacție chimică la electrodul de lucru și se formează ioni, de exemplu protoni (H+), care ajung la contra-electrod unde reacționează cu oxigenul prezent ca o soluție în electrolit. În același timp, se creează un curent electric care este direcționat spre un circuit extern și servește drept măsură a concentrației de gaz prezente. Al treilea electrod (electrodul de referință) se utilizează pentru a stabiliza semnalul senzorului.
Pentru ca aceste reacții chimice să aibă loc la electrozi, aceștia trebuie să conțină un metal nobil (ex. platină) drept catalizator. Alegerea materialelor catalizatoare adecvate pentru electrozi este limitată, iar materialele corespunzătoare își demonstrează efectele catalizatoare cu diferite gaze. Prin amestecarea diferiților catalizatori, se poate crește selectivitatea pentru un anumit gaz. Cu toate acestea, sensibilitatea încrucișată a senzorilor de gaze electrochimici nu este total inevitabilă. Un electrod de platină, de exemplu, posedă o intensă activitate catalizatoare și într-un senzor de gaz pentru CO, umplut cu acid sulfuric apos diluat, va demonstra gazele încrucișate NO, NO₂, SO₂ și H₂.
În aceste condiții, cum se pot reduce la minim aceste sensibilități încrucișate nedorite în senzorii de gaz, pentru a obține o valoare fiabilă și precisă a concentrației de gaz chiar și în amestecuri necunoscute și complexe? Există diferite strategii:
Fig. 2: Electrochemical sensor for CO and other gases (schematic representation)
Materialele catalizatoare
Cea mai importantă abordare este, după cum s-a menționat deja, o selecție țintită de materiale și amestecuri catalizatoare pentru electrod și de un electrolit adecvat corespunzător. Cert este că tehnologia din senzorii de gaze electrochimici comercializați a atins un nivel ridicat de dezvoltare. În fapt, există loc pentru progres. De exemplu, un senzor nou disponibil pentru SO₂ insensibil la CO este descris la pagina 5.
Tensiunea de polarizare
Alegerea tensiunii de polarizare adecvate pentru electrodul de lucru poate îmbunătăți selectivitatea. Această metodă se folosește, de exemplu, în senzorii NO. Electrodul de lucru folosește grafitul ca material catalizator și o tensiune de polarizare adițională de 300 mV peste electrodul de referință, care este, de asemenea, integrat în senzor. Și aici se folosește acidul sulfuric în stare apoasă ca electrolit. Potențialul electrochimic al acestui sistem îi permite să demonstreze NO - însă gazele prezente NO₂ și CO nu sunt sau sunt greu demonstrabile, ceea ce conferă senzorilor electrochimici un nivel relativ ridicat de selectivitate.
Filtrele
Mulți senzori de gaze electrochimici utilizează filtre chimice împotriva influențelor încrucișate. Pentru a îndeplini funcția de filtrare, materialul filtrului trebuie să rețină gazele interferente în timp ce permite gazului vizat să treacă fără probleme. Acest lucru se poate obține când gazul vizat tinde să reacționeze încet și gazele interferente prezente tind să fie reactive.
Acesta a fost doar un scurt fragment. Doriți să aflați mai multe? Descărcați acum materialul complet. Iataă ce puteți afla din materialul nostru:
Cuprins
- Senzorul de CO cu compensare H₂
- Compensarea sensibilităților încrucișate
- Particularitățile instrumentelor de măsurare a gazelor și senzorilor de gaz de la Testo
- Limitările compensării sensibilităților încrucișate
- Succes în dezvoltarea continuă a senzorului SO₂
- Concluzie
