摘錄:德圖專用電化學氣體傳感器中的交叉干擾補償

簡介

德圖煙氣排放測量技術,因其可靠性和準確性在全球客戶中擁有良好的聲譽。

該技術的典型應用為供熱系統的調整和監控,以及在熱電機組、發動機或渦輪機上進行測量。根據燃料和燃燒器的設置,在以上應用中的氣體基質可以被很好地掌握。

然而,除此之外,德圖的煙氣分析儀還被用於檢測氣體組分濃度可能會大幅變化的各種過程。本文旨在說明在此過程中可能出現的氣體交叉干擾問題,以及如何處理。

Measurement technology emission

傳感器存在的交叉干擾問題

 交叉干擾是指傳感器不僅會對目標測量氣體做出響應,而且還會對其他影響氣體也做出響應。

換言之,交叉干擾問題會導致傳感器無法完全地做出選擇性響應。在理想情況下,即使是在復雜的氣體組成中(數百種氣體和水蒸氣(氣態H2O)),特定氣體的濃度依舊可以被準確地測量出來。但在實際情況中,幾乎所有測量原理的氣體傳感器在測量時都表現出受到某種或某類氣體的交叉干擾影響。

例如,用於測量氧含量的順磁式氧分析儀也會對二氧化氮和氨氣做出反應;用於測定氮氧化物的化學發光方法中,二氧化碳是干擾氣體。

德圖煙氣分析儀中使用的電化學氣體傳感器也存在交叉干擾問題。

Measurement technology emission Testo
圖1:testo 340的電化學氣體傳感器

電化學氣體傳感器中的交叉干擾與補償策略

電化學氣體傳感器的工作原理如圖2所示。被測氣體,例如壹氧化碳(CO),必須通過擴散屏障(毛細管或薄膜),並且對於某些類型的傳感器來說,必須先通過過濾器,然後到達所謂的工作電極(感應電極)。該電極“漂浮”在電解液中,即酸性或堿性水溶液中。氣體分子在工作電極上觸發化學反應並形成離子,例如質子 (H+),它們將會到達反電極,並在這裏與氧發生反應,成為電解質中的溶劑。與此同時,將會產生電流,並被導向外部電路,作為氣體濃度的度量。第三個電極(參比電極)用於穩定傳感器信號。

為了讓這些化學反應在電極上發生,它們必須包含貴金屬(例如鉑)來作為催化劑。 能被用於電極上的合適的催化劑材料有限,並且它們對於不同氣體的催化作用也不相同。通過混合不同的催化劑,可以提高對特定氣體的選擇性。但是,電化學氣體傳感器不可避免地會顯示出交叉干擾。例如,具有很高催化活性的鉑電極,在充滿稀硫酸水溶液的CO氣體傳感器中,也顯示出會受到NO、NO₂、SO₂ 和 H₂ 氣體的交叉干擾影響。

那麽,如何才能盡可能降低氣體傳感器和氣體分析儀中這些不希望存在的交叉干擾,以便即使在未知的和復雜的混合氣體中也能可靠、準確地測量氣體濃度?有多種策略可以在這方面發揮作用:

Gas sensor diagram
圖2:測量CO或其他氣體的電化學傳感器示意

催化劑材料

如前所述,最重要的方法之壹是針對性地為電極選擇適當的催化劑材料和混合物以及適當的電解質。總的來說,盡管市面上出售的電化學氣體傳感器所使用的技術已經達到相當成熟的水平,但是從細節來說,仍有可改進之處。


偏壓

為工作電極選擇適當的偏置電壓也可以提高選擇性。例如,這種方法被用於NO傳感器。工作電極使用特殊催化劑材料,以及在參比電極上施加壹定的偏置電壓,該偏置電壓集成在傳感器中。該系統內電化學反應產生的電勢能反映出NO 氣體濃度,但是不會或者很難受到伴隨氣體NO₂ 和CO的干擾,這使得該電化學氣體傳感器具有相對較高的選擇性。

過濾器

許多電化學氣體傳感器使用化學過濾器來防止交叉干擾影響。為了實現過濾功能,過濾材料必須吸收干擾性的伴隨氣體,同時允許目標氣體無阻礙地滲透。當目標氣體與過濾器產生反應較慢,並且干擾性伴隨氣體反應較快時,可以實現此過濾目的。


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  • 交叉干擾補償
  • 德圖煙氣分析儀和氣體傳感器的特殊性
  • 交叉干擾補償的限制
  • 在進壹步開發SO₂ 傳感器方面取得的成功
  • 總結
White paper cross-sensitivity compensation