電化學(xué)氣體傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)圖

　　目前，氣體傳感器的應(yīng)用日趨廣泛，在物聯(lián)網(wǎng)等泛在應(yīng)用的推動下，其技術(shù)發(fā)展方向開始向小型化、集成化、模塊化、智能化方向發(fā)展。其中工業(yè)領(lǐng)域就是氣體傳感器一個應(yīng)用領(lǐng)域，用以使人員和設(shè)備免受危險氣體導(dǎo)致的直接和間接威脅。無論是使用便攜式氣體報警器還是固定式氣體檢測儀，對于確保設(shè)備在其使用年限內(nèi)安全運(yùn)轉(zhuǎn)有可能造成的巨大成本問題，用戶必然有著深切體會。而在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較多的是電化學(xué)氣體傳感器。下面小編就簡單介紹一下電化學(xué)氣體傳感器的相關(guān)知識。

　　電化學(xué)氣體傳感器的工作原理

　　小小的傳感器中，是被水性凝膠電解質(zhì)（一般是硫酸：H2SO4）浸濕的電極，當(dāng)所探測的氣體（比如一氧化碳：CO，或者硫化氫：H2S）進(jìn)入傳感器內(nèi)與電解質(zhì)發(fā)生氧化或者濃度變化時，工作電極在催化劑作用下產(chǎn)生微弱電流。電流經(jīng)過與傳感器相連接的放大器放大，從而顯示目標(biāo)區(qū)域的氣體濃度。

　　電化學(xué)傳感器典型結(jié)構(gòu)圖

　　大多數(shù)電化學(xué)氣體傳感器應(yīng)用于擴(kuò)散模式，在這種模式下，周圍環(huán)境中的氣體樣本通過傳感器正面的小孔進(jìn)入傳感器（通過氣體分子自然流動）。而有些設(shè)備通過一個抽氣泵將空氣/氣體樣本抽進(jìn)傳感器內(nèi)。在氣孔部位安裝有聚四氟乙烯薄膜來阻擋水或油進(jìn)入傳感器內(nèi)。傳感器的測量范圍和靈敏度可以通過在設(shè)計時調(diào)整進(jìn)氣孔尺寸隨之變化。大一些的進(jìn)氣孔可以提高設(shè)備的靈敏度和分辨率，而小一些的進(jìn)氣孔雖然降低了靈敏度和分辨率，但是可增大測量范圍。

　　氧氣傳感器的工作原理與之前所描述的電化學(xué)氧氣傳感器工作原理類似，但是，氧氣傳感器的使用年限是可預(yù)測的，所以，更換周期也可以進(jìn)行預(yù)設(shè)——一般為2~3年。與有毒氣體傳感器不同，氧氣傳感器長期持續(xù)暴露在目標(biāo)氣體中。在通常的耗氧監(jiān)測應(yīng)用中，傳感器工作環(huán)境的氧氣濃度為20.9%，這就會在鉛陽極上引起化學(xué)反應(yīng)，從而造成陽極的逐漸消耗。所以，傳感器通過與氧氣反應(yīng)持續(xù)產(chǎn)生電流的能力取決于電解質(zhì)中鉛的含量。

　　通過增加“溫度補(bǔ)償”這一關(guān)鍵機(jī)制，氣體探測設(shè)備制造商確保了傳感器的性能。氣體靈敏度（以及零基線信號）常常隨著溫度有所變化，所以當(dāng)溫度升降時，氣體靈敏度呈非線性變化。

　　在研發(fā)氣體探測設(shè)備的過程中，人們用了大量時間將相同的氣體傳感器放置于不同溫度和不同濃度氣體中（溫度在-30℃~+50℃之間）。所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后生成了一個為氣體探測器所用的溫度補(bǔ)償算法，以確保傳感器讀數(shù)在整個操作量程內(nèi)保持一致。

　　“常規(guī)”使用年限

　　檢測一氧化碳或硫化氫等普通氣體的電化學(xué)傳感器的使用年限通常為2~3年。而一些特殊氣體，如氟化氫氣體的傳感器的使用年限僅僅只有12~18個月。具體使用視環(huán)境會有相應(yīng)的延長和縮短。

　　在理想情況下，即溫度和濕度分別保持在20℃和60%RH左右，同時沒有污染物的侵入時，已知有的電化學(xué)傳感器工作超過11年！周期性地暴露在目標(biāo)氣體環(huán)境中并不會限制傳感器的使用年限，優(yōu)質(zhì)的傳感器通常都裝備充足的催化劑和結(jié)實(shí)耐用的導(dǎo)體，這些材料并不會因為化學(xué)反應(yīng)而輕易消耗殆盡。

　　傳感器也有所謂的“庫存期”或者“存貯周期”，這些時間可能會讓用戶，服務(wù)公司和制造商都感到困惑和沮喪。電化學(xué)傳感器在生產(chǎn)后通常都有六個月的存貯周期（假定存貯條件為理想的20℃）。在超出這一周期后，傳感器輸出的信號就有可能變得不穩(wěn)。這個周期中的一小部分時間不可避免地要用于生產(chǎn)和運(yùn)輸環(huán)節(jié)。所以，對傳感器備件的采購進(jìn)行詳細(xì)計劃就變得至關(guān)重要，其目標(biāo)是盡量縮短備件在倉庫中的存貯時間。

　　影響傳感器壽命的因素

　　極端溫度可以影響傳感器壽命。通常，制造商所宣稱的設(shè)備操作溫度范圍通常在-30℃到+50℃之間變化。然而，高質(zhì)量的傳感器能夠在短時間內(nèi)承受突破此范圍的溫度。比如，傳感器（如H2S或CO）在短時間（1~2小時）暴露于60℃到65℃是沒有問題的。但是，如果極端情況重復(fù)發(fā)生則會造成電解質(zhì)揮發(fā)，也有可能造成零基線讀數(shù)移動和反應(yīng)遲緩等情況。

　　溫度過低時，傳感器的靈敏度會降低。也許傳感器可以在-40℃的低溫工作，但是對氣體的靈敏度會大幅度下降（靈敏度甚至可能降低高達(dá)80%），而且反應(yīng)時間也會延長許多，另外，當(dāng)溫度降到-35℃以下時，電解質(zhì)還有結(jié)冰的危險。

　　當(dāng)氣體濃度過高時，也有可能造成傳感器性能下降。通常，電化傳感器在測試時，極限氣體濃度是其設(shè)計濃度的十倍。使用高質(zhì)量催化劑的傳感器應(yīng)該可以承受這樣的情況，并不會對其化學(xué)特性或長期性能造成損壞。而使用低質(zhì)量催化劑的傳感器則有可能造成損壞。

　　潮濕是對傳感器影響最大的因素。電化傳感器的理想工作環(huán)境應(yīng)當(dāng)是20℃，60%RH（相對濕度）。當(dāng)環(huán)境濕度超過60%RH時，電解質(zhì)會因為吸收水分而稀釋。在極端情況下，電解質(zhì)體積會增加2~3倍，很有可能造成電解質(zhì)從傳感器設(shè)備體通過接口滲漏。而當(dāng)濕度低于60%RH時，電解質(zhì)則有可能脫水。隨著電解質(zhì)脫水，設(shè)備反應(yīng)時間也會顯著延長。

　　通過對傳感器進(jìn)行稱重，可以迅速簡便地判斷出電解質(zhì)的稀釋和脫水情況。與出廠重量相比，當(dāng)傳感器重量有±250mg以上的變化時，則說明傳感器的性能很有可能受到了影響。通過將傳感器置于相反的極端濕度環(huán)境中，電解質(zhì)原來的稀釋或脫水情況都是可逆的。在5~25天的時間里，傳感器的重量和電解質(zhì)濃度都可以恢復(fù)到初始狀態(tài)，性能也一并得到恢復(fù)。

　　要提醒大家注意的是，傳感器的靈敏度可能會隨著周圍環(huán)境的情況而變化。一個原本反應(yīng)不靈敏、反應(yīng)時間長的傳感器可能會隨著環(huán)境濕度的變化而有所改善。這種情況在四季氣候變化鮮明的國家則更為突出。氫硫化物傳感器的性能尤其與周邊環(huán)境聯(lián)系更為緊密。一臺固定式探測器中的傳感器的靈敏度和反應(yīng)時間很有可能在按照當(dāng)?shù)氐臏囟葷穸日{(diào)試穩(wěn)定后的兩三周內(nèi)發(fā)生改變。當(dāng)傳感器在安裝前存放在非常干燥的環(huán)境中時（比如帶空調(diào)的辦公室），這種情況尤為普遍。

　　在特殊情況下，干擾氣體可能會因為被催化劑吸收或者與催化劑發(fā)生反應(yīng)生成副產(chǎn)品抑制催化劑，進(jìn)而破壞傳感器電極。

　　強(qiáng)烈的震動和機(jī)械沖擊也可能會損傷將鉑電極、連接條（某些傳感器中是金屬線）和接口連接在一起的焊點(diǎn)，從而損壞傳感器，但是這種情況對架構(gòu)牢固的傳感器來說并不多見。

　　含過濾功能的氣體傳感器

　　在有些傳感器上安裝有化學(xué)過濾器，以盡可能消除干擾氣體，尤其是硫化物氣體帶來的影響。這些過濾器的使用年限有限，通常用ppm/小時來定義其對干擾氣體的耐受水平。因為氣體濃度有高低之分，所以ppm/小時這個度量單位也許會不太精確。在目標(biāo)氣體暴露時間減半的情況下，一個標(biāo)稱1000ppm/小時的過濾器也不一定能把使用時間延長兩倍。

　　當(dāng)過濾器飽和時，傳感器與干擾氣體產(chǎn)生交叉反應(yīng)的程度隨之加重（比如探測硫化氫氣體，H2S，或者二氧化硫，SO2的傳感器）。當(dāng)交叉反應(yīng)發(fā)生時，用戶當(dāng)然無法判斷他們所使用的傳感器到底是在與SO2還是H2S發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

　　有機(jī)過濾器（碳基）雖然非常高效，但是不可再生，而且在環(huán)境濕度超過50%RH時，過濾器會因為氣孔堵塞而飽和。所以，化學(xué)過濾器的功效會在高濕度環(huán)境下下降。

　　對氣體傳感器更換工作進(jìn)行計劃

　　儀器操作人員渴望通過預(yù)測傳感器使用年限對傳感器更換工作進(jìn)行提前計劃，這樣服務(wù)工程師在現(xiàn)場維修的時候就可以帶來新的傳感器，避免了設(shè)備停機(jī)或重復(fù)派人的問題。反言之，如果用戶能夠有把握將例行傳感器更換周期延長，那么他們也自然可以降低更換傳感器的成本。

　　電化學(xué)氣體傳感器使用年限的預(yù)測是一門非常不精確的科學(xué)，設(shè)備的使用年限、壽命會受到本文中所提及的種種因素影響，每種具體應(yīng)用中的情況各有不同。在實(shí)際操作中，用戶要么根據(jù)制造商的建議按照固定時間周期對傳感器進(jìn)行更換，或者根據(jù)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行更換（比如每兩三年更換一次），抑或是發(fā)現(xiàn)傳感器對測試氣體沒有足夠反應(yīng)的時候進(jìn)行更換。在定期更換模式下，用戶得到保證——傳感器總是“嶄新的”，但恰恰是因為這樣的一再保證，用戶卻多掏了保險費(fèi)，因為被更換下來的傳感器事實(shí)上還能正常工作相當(dāng)長時間。只有在表現(xiàn)出靈敏度明顯下降（或者反應(yīng)時間過分延長）時，傳感器才有可能在服務(wù)周期之間發(fā)生故障（一般僅為六個月）并進(jìn)行更換。

　　如何發(fā)現(xiàn)傳感器故障？

　　在過去的幾十年里，人們在氣體傳感器上應(yīng)用了若干種的專利和技術(shù)，雖然這些技術(shù)都宣稱可以發(fā)現(xiàn)電化學(xué)傳感器發(fā)生故障的情況，但是大多數(shù)的技術(shù)僅僅是推斷傳感器在某種電極刺激下工作，而且可能僅提供了一種虛假的安全感。展示傳感器處于工作狀態(tài)的唯一可靠方法就是使用測試氣體并測量傳感器的反應(yīng)——即快速測試或者全面校準(zhǔn)。

　　事實(shí)上，電化學(xué)傳感器并不具備自動防故障功能。在干凈的空氣中，它們輸出零信號電流，在它們報廢前，即便暴露在目標(biāo)氣體中，仍然輸出零電流。所以，我們無法保證一部氣體探測儀器對所發(fā)生的故障進(jìn)行自動識別。

　　但是，氣體探測儀器可以對那些有可能影響傳感器性能的事件進(jìn)行報告：智能氣體探測器和變送器能夠檢測周圍環(huán)境并在溫度超出傳感器上下閥值的時候發(fā)出報警。變送器也能夠?qū)⑿枰獪y量氣體的濃度與傳感器最大允許值進(jìn)行比較，一旦超出就發(fā)出警告。在這些例子中，用戶應(yīng)當(dāng)采取的正確措施就是使用測試氣體對傳感器進(jìn)行快速測試來驗證傳感器是否能正確反應(yīng)。