摘录:德图专用电化学气体传感器中的交叉干扰补偿

简介

德图烟气排放测量技术,因其可靠性和准确性在全球客户中拥有良好的声誉。
 
该技术的典型应用为供热系统的调整和监控,以及在热电机组、发动机或涡轮机上进行测量。根据燃料和燃烧器的设置,在以上应用中的气体基质可以被很好地掌握。
 
然而,除此之外,德图的烟气分析仪还被用于检测气体组分浓度可能会大幅变化的各种过程。本文旨在说明在此过程中可能出现的气体交叉干扰问题,以及如何处理。
 
Measurement technology emission

传感器存在的交叉干扰问题

 交叉干扰是指传感器不仅会对目标测量气体做出响应,而且还会对其他影响气体也做出响应。

换言之,交叉干扰问题会导致传感器无法完全地做出选择性响应。在理想情况下,即使是在复杂的气体组成中(数百种气体和水蒸气(气态H2O)),特定气体的浓度依旧可以被准确地测量出来。但在实际情况中,几乎所有测量原理的气体传感器在测量时都表现出受到某种或某类气体的交叉干扰影响。

例如,用于测量氧含量的顺磁式氧分析仪也会对二氧化氮和氨气做出反应;用于测定氮氧化物的化学发光方法中,二氧化碳是干扰气体。

德图烟气分析仪中使用的电化学气体传感器也存在交叉干扰问题。

Measurement technology emission Testo
图1:testo 340的电化学气体传感器

电化学气体传感器中的交叉干扰与补偿策略

 电化学气体传感器的工作原理如图2所示。被测气体,例如一氧化碳(CO),必须通过扩散屏障(毛细管或薄膜),并且对于某些类型的传感器来说,必须先通过过滤器,然后到达所谓的工作电极(感应电极)。该电极“漂浮”在电解液中,即酸性或碱性水溶液中。气体分子在工作电极上触发化学反应并形成离子,例如质子 (H+),它们将会到达反电极,并在这里与氧发生反应,成为电解质中的溶剂。与此同时,将会产生电流,并被导向外部电路,作为气体浓度的度量。第三个电极(参比电极)用于稳定传感器信号。

为了让这些化学反应在电极上发生,它们必须包含贵金属(例如铂)来作为催化剂。 能被用于电极上的合适的催化剂材料有限,并且它们对于不同气体的催化作用也不相同。通过混合不同的催化剂,可以提高对特定气体的选择性。但是,电化学气体传感器不可避免地会显示出交叉干扰。例如,具有很高催化活性的铂电极,在充满稀硫酸水溶液的CO气体传感器中,也显示出会受到NO、NO₂、SO₂ 和 H₂ 气体的交叉干扰影响。

那么,如何才能尽可能降低气体传感器和气体分析仪中这些不希望存在的交叉干扰,以便即使在未知的和复杂的混合气体中也能可靠、准确地测量气体浓度?有多种策略可以在这方面发挥作用:

Gas sensor diagram
图2:测量CO或其他气体的电化学传感器示意

催化剂材料

如前所述,最重要的方法之一是针对性地为电极选择适当的催化剂材料和混合物以及适当的电解质。总的来说,尽管市面上出售的电化学气体传感器所使用的技术已经达到相当成熟的水平,但是从细节来说,仍有可改进之处。


偏压

为工作电极选择适当的偏置电压也可以提高选择性。例如,这种方法被用于NO传感器。工作电极使用特殊催化剂材料,以及在参比电极上施加一定的偏置电压,该偏置电压集成在传感器中。该系统内电化学反应产生的电势能反映出NO 气体浓度,但是不会或者很难受到伴随气体NO₂ 和CO的干扰,这使得该电化学气体传感器具有相对较高的选择性。

过滤器

许多电化学气体传感器使用化学过滤器来防止交叉干扰影响。为了实现过滤功能,过滤材料必须吸收干扰性的伴随气体,同时允许目标气体无阻碍地渗透。当目标气体与过滤器产生反应较慢,并且干扰性伴随气体反应较快时,可以实现此过滤目的。


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  •  带H₂ 补偿的CO 传感器
  • 交叉干扰补偿
  • 德图烟气分析仪和气体传感器的特殊性
  • 交叉干扰补偿的限制
  • 在进一步开发SO₂ 传感器方面取得的成功
  • 总结
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