電化學(xué)氣體傳感器原理及在煙氣監(jiān)測中的應(yīng)用

 1 前言
煙氣分析儀是對鍋爐煙道有害氣體如SO2、CO2、NO2、CO 等以及煙氣中氧含量進(jìn)行檢 測的儀器。常用于燃煤鍋爐、燃 油鍋爐煙道 排 放氣 及污染源附近的環(huán)境監(jiān)測。氣體傳感器是煙氣分析儀的核心部 件，常用氣體傳感 器多為電化學(xué)傳感 器。電化學(xué)氣體傳感器性能比較穩(wěn)定，壽命較長，對氣體響應(yīng)快，不受濕度的影響，分辨率一般高達(dá)0.1μ mol/mol。其溫度 適應(yīng)性較寬（可以在-40~50℃間工作），很多儀器都有軟硬件的溫度補(bǔ)償處理。同時(shí)電化學(xué)式傳感器又具有體積小、操作簡單、攜帶方便、可用于現(xiàn)場監(jiān)測及成本低等優(yōu)點(diǎn)。所以，在目前各類氣體檢測設(shè)備中，電化學(xué)氣體傳感器占有很重要的地位。

2 電化學(xué)傳感器原理及結(jié)構(gòu)
按照檢測原理的不同，電化學(xué)氣體傳感 器主要分為催化燃燒式傳感器、定電位電解式傳感器、迦伐尼電池式氧氣傳感器、紅外式傳感器、PI D 光離子傳感器等。目前煙氣分析儀中使用較多的是定電位電解式傳感器、迦伐尼電池式氧氣傳感器。
   
2.1 定電位電解式傳感 器的工作原理
使電解池電解質(zhì)溶液的界面保持一定電位進(jìn)行電解，通過調(diào)整其設(shè)定電位，有選擇地使氣體進(jìn)行氧化或還原，從而能定量檢測各種氣體。
   
2.2 定電位電解式傳感 器的結(jié)構(gòu)
在一個(gè)塑料制成的筒 狀池體以內(nèi)安裝感應(yīng)電極、計(jì)數(shù)電極和參比電極，在電極之間充滿電解液，由多孔四氟乙烯做成的隔膜在頂部封裝。前置放大器與傳感器電極連接，在電極之間施加一定的電位，使傳感器處于工作狀態(tài)。氣體在電解質(zhì)內(nèi)的工作電極發(fā)生氧化或還原反應(yīng)，在對電極發(fā)生還原或氧化反應(yīng)，電極的平衡電位發(fā)生變化，變化值與氣體濃度成正比?？蓽y量SO 2、NO、NO 2、CO、H 2S 等 氣體。但 這 些 氣體傳感器靈敏度卻不相同，靈敏度從高到低的順序是H 2S、NO、NO2、SO2、CO，響應(yīng)時(shí)間一 般為幾秒至幾十秒，一般小于1min,其壽命短的只有半年，長則2~3年。
       
2.3 迦伐尼電池式氧氣傳感 器的工作原理
與定電位電解式一樣，通過測量電解電流來檢測氣體濃度。但由于傳感器本身就是電池，所以不需要由外界施加電壓。這種傳感器主要是用于O 2的檢測，檢測缺氧的儀器幾乎都使用這種傳感 器。
     
2.4 隔膜 迦伐尼電池式氧氣傳感 器的結(jié)構(gòu)
在塑料容器的一面裝有對氧氣透過性良好，厚10~30μ m的聚四氟乙烯透氣膜，在其容器內(nèi)側(cè)緊 粘著貴金屬（鉑、黃 金、銀）陰電極,在容 器 的另一面內(nèi)側(cè)或容 器的空余部分設(shè)置陽極（用鉛、鎘等離子化傾向大的金屬）。用KOH、KHCO3作電解液。氧氣在通過電解質(zhì)時(shí)在陰陽極發(fā) 生氧化還 原反 應(yīng)，使陽極 金屬離子化，釋放出電子，電流的大小與氧氣的多少成正比。由于整個(gè)反 應(yīng)中陽極金屬有消耗，所以傳感器需要定期更換。

3 科學(xué)地延長電化學(xué)傳感器的使用壽命
電化學(xué)傳感 器大 都是以水溶液作為電 解質(zhì),電 解質(zhì)的蒸發(fā)與污染，常會導(dǎo)致傳感器的信號下降，縮短使用壽命；由于在空氣中有被測物質(zhì)存在，傳感器中的有效成分被消耗，因此傳感器一旦被啟封，就視為參加了使用，即使沒用于測量，其壽命也在縮短，電化學(xué)傳感器的壽命期 望值為2 年，若使用不當(dāng)其壽命可能更短，而傳感器更換的費(fèi)用較高。因此如何保證其使用壽命，傳感器的正確維護(hù)對煙氣分析儀的使用尤為重要。
（1）傳感器長時(shí)間暴露在煙氣中會極大影響使用壽 命，只有短時(shí)間與 被 測 對 象 接 觸，長期處于新鮮的空氣中 才可維 護(hù) 其正常使 用壽 命。因 此，儀器 開機(jī)時(shí)，一定要 在清潔的空氣中。測量完畢后不要立即關(guān)機(jī)，儀器必須在清潔空氣運(yùn)行5~10min，待 儀器氣體顯示值降至10單位以下，保持儀器內(nèi)部處于新鮮空氣的環(huán)境方可關(guān)機(jī)或停泵。否則，傳感器容易“中毒”并加速傳感器的損耗。
（2）對于 裝有粉塵 過 濾器 裝 置的儀器，要及時(shí)更換 過 濾 芯，避免粉塵進(jìn)入傳感器內(nèi)污染傳感器。對于便攜式儀器，不論儀器是否經(jīng)常使用，至少 每隔2~3周充電一次，且采樣時(shí)電池電量不應(yīng)低于30%。
（3）有些 廠家安裝了兩個(gè) 泵：抽氣泵和內(nèi)置的清洗泵，在儀器連續(xù)監(jiān)測一段時(shí)間后，抽氣泵會關(guān)閉，在儀器內(nèi)部的清洗泵會自動開啟，抽取儀器周圍的清潔空氣，使儀器 的傳感器得到充分的清洗，這樣也延長了傳感器的使用壽 命。
4 保證儀器的準(zhǔn)確性
為了保證 煙 氣 分析儀 的精度 和系 統(tǒng)的完 整 性，對儀器還需要進(jìn)行正常運(yùn)行性流量檢查及示值標(biāo)定。煙 氣 分析 儀 是 通 過 抽 取 煙 道 中氣體到 氣體傳感器。煙 道常采用負(fù) 壓，也就是說在煙道中如果儀器的泵抽力小，即泵的流量小，當(dāng)負(fù)壓超過儀器中泵的吸力時(shí)，會導(dǎo)致實(shí)際測量數(shù) 據(jù)偏低。因此，使用儀器時(shí)，既要根據(jù)測 試工況的負(fù)壓范 圍，選用相應(yīng)型號的儀器，還 要對儀器 的流 量進(jìn)行測 量，一 般儀器 的流 量 要保證在0.7L/min以 上，才有可能保證儀器 測量的準(zhǔn)確性。日常工作中，可以根據(jù)本身具備的環(huán)境和條件選用不同的方法進(jìn)行示值標(biāo)定，以保證儀器的正常運(yùn)行，但對外出具公證數(shù)據(jù)時(shí)，則一定要到計(jì)量檢定部門按周期檢定，以保證儀器的準(zhǔn)確性。
（1）選 擇潔凈的空氣，對儀器的零點(diǎn) 進(jìn)行標(biāo)定。此時(shí)有害氣體的含量應(yīng)為“ 零”，而氧的含量則為20.9%。
（2）選擇純氮，通入氮?dú)?，氧傳感器的顯示應(yīng)迅速下降為0.2mg /m 3以下，否則氣體傳感 器失效，而有害氣體的顯示應(yīng)為“零”。
（3）選擇一定濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行標(biāo)定，按照儀器使用說明書對每 個(gè)傳感 器 進(jìn)行 一 一標(biāo)定，如果發(fā)現(xiàn)示值誤 差 超 過說明書給出的技 術(shù)指標(biāo)，可通過校準(zhǔn)程序 或儀器內(nèi)部電位器 的調(diào) 整，對儀器進(jìn)行調(diào)整。如果在使 用中監(jiān)測的數(shù)據(jù)異常偏低，反應(yīng)非常慢，或在標(biāo)定過程中發(fā)現(xiàn)傳感 器反應(yīng)非常慢，線性誤差較大，無法調(diào)整；或 是剛剛整好，再進(jìn)行測量數(shù)值又發(fā)生了變化，則可以考慮更換傳感 器。在更換傳感器之后，也要對傳感器或儀器進(jìn)行及時(shí)反復(fù)的標(biāo)定，調(diào)整準(zhǔn)確后才能使用。

5 結(jié)束語
電化學(xué)氣體傳感器原理及在煙氣監(jiān)測中的應(yīng)用，通過對電化學(xué)氣體傳感器進(jìn)行科學(xué)合理的使用和維護(hù)，大大延長了電化學(xué)傳感器的使用壽命，保證了煙氣分析儀的測量準(zhǔn)確性。同時(shí)，電化學(xué)氣體傳感器穩(wěn)定運(yùn)行，也為煙氣的監(jiān)測提供了可靠保障，為企業(yè)節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境發(fā)揮重要作用。