Fragment: kruisgevoeligheid-compensatie bij elektrochemische gassensoren.

Inleiding

Vanwege zijn betrouwbaarheid en de nauwkeurigheid van de weergegeven waarden geniet emissie-meettechniek van Testo bij klanten wereldwijd een uitstekende reputatie. Typische toepassingen zijn het instellen en bewaken van verwarmingsinstallaties en metingen aan warmtekrachtkoppelingen, motoren of turbines. Al naargelang de brandstof en de instelling van de installatie is de gasmatrix bij dit soort taken tamelijk precies bekend.

Daarnaast worden emissie-meetinstrumenten van Testo echter ook gebruikt voor het bewaken van allerlei processen waarbij de gassamenstelling sterk kan variëren. Om de hierbij optredende thematiek omtrent de kruiselingse beïnvloeding van gassen en hoe daarmee omgegaan dient te worden gaat het in dit whitepaper.

Kruisgevoeligheden bij gassensoren

Het begrip kruisgevoeligheid beschrijft het feit dat een sensor niet uitsluitend reageert op de beoogde meetgrootheid, maar ook op andere invloeden. Anders gezegd: een sensor met kruisgevoeligheid heeft geen perfecte selectiviteit. Voor gassensoren vormt dit een extra grote uitdaging, omdat de meting van een specifieke gasconcentratie idealiter mogelijk moet zijn in een gasmatrix van een willekeurige complexiteit – met honderden gassen en dampen als potentiële storingsfactoren van de selectiviteit. Het is niet zo verbazingwekkend dat vrijwel alle bij gassensoren toegepaste meetprincipes een kruisgevoeligheid voor een begeleidend gas vertonen. Paramagnetische meetinstrumenten voor zuurstof reageren ook op stikstofdioxide, en bij chemiluminescentie-methodes ter bepaling van stikstofdioxides werken ammoniak en kooldioxide als storende factoren. Ook de bij Testo-meetinstrument bij voorkeur gebruikte elektrochemische gassensoren zijn niet vrij van kruisgevoeligheden.

Afbeelding 1: Elektrochemische gassensoren in het meetinstrument testo 340

Kruisgevoeligheden bij elektrochemische gassensoren en strategieën ter compensatie

Allereerst dient het werkingsprincipe van een elektrochemische gassensor aan de hand van het schema in afbeelding 2 te worden uitgelegd. Het te meten gas, bijvoorbeeld koolstofmonoxide (CO), moet een diffusiebarrière (een capillair of een membraan) en bij sommige sensortypes een chemisch filter passeren en komt dan bij de zogenaamde werk-elektrode. Deze ‘drijft’ in een elektrolyt, d.w.z. in een waterige, zuur of alkalisch werkende oplossing. Het gasmolecuul veroorzaakt bij de werk-elektrode een chemische reactie, er worden ionen gevormd, bijvoorbeeld protonen (H+), die naar de tegenelektrode gaan, waar ze reageren met zuurstof, die in het elektrolyt in opgeloste vorm aanwezig is. Daarbij ontstaat tevens een elektrische stroom die wordt afgevoerd naar een uitwendige stroomkring en die als maat voor de voorhanden gasconcentratie dient. De derde elektrode (referentie-elektrode) dient ter stabilisatie van het sensorsignaal.

Om ervoor te zorgen dat deze chemische reacties bij de elektroden kunnen plaatsvinden, moeten deze een edelmetaal (bijv. platina) als katalysator bevatten. De keuze aan geschikte katalysatormaterialen voor elektroden is beperkt en de betreffende materialen vertonen hun katalytische werking bij verschillende gassen. Door verschillende katalysatoren te mengen kan de selectiviteit voor een specifiek gas worden verhoogd. Toch is het onvermijdelijk dat elektrochemische gassensoren kruisgevoeligheden vertonen. Een platina-elektrode kent bijvoorbeeld een hoge katalytische activiteit en zal in een met waterig, verdund zwavelzuur gevulde gassensor voor CO ook de kruisgassen NO, NO₂, SO₂ en H₂ omzetten.

Hoe kunnen deze ongewenste kruisgevoeligheden nu in gassensoren resp. in gasmeetinstrumenten geminimaliseerd worden, om ook in onbekende en complexe gasmengsels een betrouwbare en nauwkeurige indicatie van de concentratie te verkrijgen? Hierbij komen verschillende strategieën om de hoek kijken:

Fig. 2: Electrochemical sensor for CO and other gases (schematic representation)

Katalysatormaterialen

Als belangrijkste is er om te beginnen de reeds vermelde doelgerichte selectie van katalysatormaterialen resp. katalysatormengsels voor de elektrode en het bijpassende elektrolyt. De techniek bij commercieel beschikbare elektrochemische sensoren is wat dat betreft grotendeels uitgerijpt. Wat de details betreft kan er echter nog vooruitgang worden geboekt. Als voorbeeld wordt op pagina 5 een nieuw beschikbare CO-ongevoelige SO₂-sensor beschreven.

Voorspanning

Door een geschikte voorspanning te kiezen voor de werk-elektrode kan de selectiviteit eveneens worden verbeterd. Deze methode wordt bijvoorbeeld toegepast bij NO-sensoren. De werk-elektrode maakt gebruik van grafiet als katalysatormateriaal en van een extra voorspanning van 300 mV voor de eveneens in de sensor ingebouwde referentie-elektrode. Als elektrolyt wordt ook hier waterig zwavelzuur ingezet. Het elektrochemische potentieel van dit systeem maakt het weliswaar mogelijk om NO om te zetten, maar niet of nauwelijks de vaak begeleidende gassen NO₂ en CO, wat elektrochemische NO-sensoren een naar verhouding hoge selectiviteit verleent.

Filters

Veel elektrochemische gassensoren gebruiken chemische filters voor kruisgevoeligheden. Om als filter te kunnen fungeren moet het filtermateriaal de storende begeleidende gassen tegenhouden, maar het doelgas ongehinderd laten passeren.

Dit was slechts een kort fragment. Wilt u meer te weten komen? Vraag meteen de hele whitepaper aan. Daarin staat u verder het volgende te wachten: