Estratto: compensazione delle sensibilità incrociate nei sensori elettrochimici per i gas.

Introduzione

Grazie all’affidabilità e alla precisione della sua tecnologia di misura delle emissioni, Testo gode di un’ottima reputazione tra i clienti in ogni parte del mondo. Applicazioni tipiche sono la regolazione e il monitoraggio degli impianti di riscaldamento nonché le misure su centrali combinate termoelettriche, motori o turbine. In base al combustibile e alle impostazioni dell’impianto, la matrice di gas in queste applicazioni è ben nota.

Gli strumenti di misura delle emissioni di Testo sono però usati anche per monitorare i processi più diversi in cui la composizione dei gas può variare notevolmente. Questo White Paper si occupa della problematica della possibile sensibilità incrociata ai gas che si manifesta in tali circostanze e di come affrontarla.

Strumenti per la misura delle emissioni

Sensibilità incrociate nei sensori per i gas

Il termine sensibilità incrociata descrive la reazione di un sensore non solo al parametro target, ma anche ad altri parametri di influenza. In altre parole: un sensore con sensibilità incrociata non ha una selettività perfetta. Tale sfida è particolarmente impegnativa nel caso dei sensori per i gas, in quanto idealmente dovrebbe essere possibile misurare una specifica concentrazione di gas in matrici di gas di qualsiasi complessità – con centinaia di gas e vapori che interferiscono potenzialmente con la selettività. Non sorprende quindi che quasi tutti i principi di misura usati nei sensori per i gas mostrino una sensibilità incrociata ai gas associati. Per esempio, gli strumenti di misura paramagnetici per l’ossigeno reagiscono anche al diossido di azoto, mentre l’ammoniaca e l’anidride carbonica agiscono come parametri di interferenza nei metodi di chemiluminescenza per la determinazione degli ossidi di azoto. Neppure i sensori elettrochimici per i gas usati negli strumenti di misura di Testo sono esenti dalle sensibilità incrociate.
Measurement technology emission Testo
Fig. 1: Sensori elettrochimici per i gas nello strumento di misura testo 340

Sensibilità incrociate nei sensori elettrochimici per i gas e strategie di compensazione

Il principio di funzionamento di un sensore elettrochimico per i gas è spiegato nel digramma nella figura 2.

Il gas da misurare, per esempio il monossido di carbonio (CO), deve passare attraverso una barriera a diffusione (un tubo capillare o una membrana), e nel caso di alcuni tipi di sensore un filtro chimico, e raggiunge quindi il cosiddetto elettrodo di lavoro. Questo “galleggia” in un elettrolita, ossia in una soluzione acquosa, acida o alcalina. La molecola di gas innesca una reazione chimica in corrispondenza dell’elettrodo di lavoro e si formano degli ioni, per esempio protoni (H+), che raggiungono il controelettrodo, dove reagiscono con l’ossigeno presente come soluzione nell’elettrolita. Nel contempo viene generata una corrente elettrica che è deviata a un circuito esterno e che serve come misura della concentrazione di gas presente. Il terzo elettrodo (elettrodo di riferimento) è usato per stabilizzare il segnale del sensore.

Perché queste reazioni chimiche possano avere luogo in corrispondenza degli elettrodi, questi devono contenere un metallo nobile (ad es. platino) come catalizzatore. La scelta dei materiali catalizzatori idonei per gli elettrodi è limitata e i materiali corrispondenti mostrano il loro effetto catalitico con gas differenti. Mischiando catalizzatori diversi si può aumentare la selettività rispetto a un gas specifico. Tuttavia, è inevitabile che i sensori elettrochimici per i gas mostrino delle sensibilità incrociate. Un elettrodo di platino, per esempio, possiede un’elevata attività catalitica e in un sensore del gas per CO riempito di acido solforico diluito e acquoso dimostrerà la presenza anche dei gas incrociati NO, NO₂, SO₂ e H₂.

Ma allora in che modo si possono minimizzare queste sensibilità incrociate indesiderate nei sensori per i gas e negli strumenti di misura dei gas, in modo da ottenere una visualizzazione affidabile e precisa della concentrazione di gas anche in miscele di gas sconosciute e complesse? Qui entrano in gioco diverse strategie:

Diagramma sensori gas
Fig. 2: Sensore elettrochimico per CO e altri gas (rappresentazione schematica)

Materiali catalizzatori

L’approccio più importante è, come già detto, una selezione mirata di materiali catalizzatori e miscele catalizzatrici per l’elettrodo e del corrispondente elettrolita idoneo. Tutto sommato, la tecnologia nei sensori elettrochimici per i gas disponibili in commercio ha raggiunto un buon livello di sviluppo. Nel dettaglio, però, si possono ancora compiere ulteriori progressi. Per esempio, a pagina 5 è descritto un sensore SO₂ insensibile a SO da poco disponibile SO₂.

Tensione di polarizzazione

Anche la selezione di una tensione di polarizzazione idonea per l’elettrodo di lavoro può determinare un miglioramento della selettività. Questo metodo è usato, per esempio, nei sensori NO. L’elettrodo di lavoro utilizza la grafite come materiale catalizzatore e una tensione di polarizzazione aggiuntiva di 300 mV rispetto all’elettrodo di riferimento anch’esso integrato nel sensore. Anche in questo caso, come elettrolita si usa acido solforico acquoso. Il potenziale elettrochimico di questo sistema permette di dimostrare la presenza di NO – ma non, o almeno solo difficilmente, dei gas associati NO₂ e CO, il che conferisce ai sensori elettrochimici per i gas un livello relativamente elevato di selettività.

Filtri

Molti sensori elettrochimici per i gas usano filtri chimici contro gli influssi incrociati. Per poter soddisfare la funzione di filtro, il materiale del filtro deve trattenere i gas interferenti associati, consentendo al contempo al gas target di passare liberamente.

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Gli argomenti trattati sono i seguenti:

  • Sensore CO con compensazione H₂
  • Compensazione delle sensibilità incrociate
  • Peculiarità degli strumenti di misura e dei sensori gas Testo 
  • Limiti alla compensazione delle sensibilità incrociate
  • Successo nell’ulteriore sviluppo del sensore SO₂
  • Conclusioni
White paper compensazione delle sensibilità incrociate