電化學氣體傳感器原理及在煙氣監測中的應用

 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 及污染源附近的環境監測。氣體傳感器是煙氣分析儀的核心部 件，常用氣體傳感 器多為電化學傳感 器。電化學氣體傳感器性能比較穩定，壽命較長，對氣體響應快，不受濕度的影響，分辨率一般高達0.1μ mol/mol。其溫度 適應性較寬（可以在-40~50℃間工作），很多儀器都有軟硬件的溫度補償處理。同時電化學式傳感器又具有體積小、操作簡單、攜帶方便、可用于現場監測及成本低等優點。所以，在目前各類氣體檢測設備中，電化學氣體傳感器占有很重要的地位。

2 電化學傳感器原理及結構
按照檢測原理的不同，電化學氣體傳感 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
使電解池電解質溶液的界面保持一定電位進行電解，通過調整其設定電位，有選擇地使氣體進行氧化或還原，從而能定量檢測各種氣體。
   
2.2 定電位電解式傳感 器的結構
在一個塑料制成的筒 狀池體以內安裝感應電極、計數電極和參比電極，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。氣體在電解質內的工作電極發生氧化或還原反應，在對電極發生還原或氧化反應，電極的平衡電位發生變化，變化值與氣體濃度成正比。可測量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，響應時間一 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 器的結構
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，在其容器內側緊 粘著貴金屬（鉑、黃 金、銀）陰電極,在容 器 的另一面內側或容 器的空余部分設置陽極（用鉛、鎘等離子化傾向大的金屬）。用KOH、KHCO3作電解液。氧氣在通過電解質時在陰陽極發 生氧化還 原反 應，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。由于整個反 應中陽極金屬有消耗，所以傳感器需要定期更換。

3 科學地延長電化學傳感器的使用壽命
電化學傳感 器大 都是以水溶液作為電 解質,電 解質的蒸發與污染，常會導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，電化學傳感器的壽命期 望值為2 年，若使用不當其壽命可能更短，而傳感器更換的費用較高。因此如何保證其使用壽命，傳感器的正確維護對煙氣分析儀的使用尤為重要。
（1）傳感器長時間暴露在煙氣中會極大影響使用壽 命，只有短時間與 被 測 對 象 接 觸，長期處于新鮮的空氣中 才可維 護 其正常使 用壽 命。因 此，儀器 開機時，一定要 在清潔的空氣中。測量完畢后不要立即關機，儀器必須在清潔空氣運行5~10min，待 儀器氣體顯示值降至10單位以下，保持儀器內部處于新鮮空氣的環境方可關機或停泵。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，要及時更換 過 濾 芯，避免粉塵進入傳感器內污染傳感器。對于便攜式儀器，不論儀器是否經常使用，至少 每隔2~3周充電一次，且采樣時電池電量不應低于30%。
（3）有些 廠家安裝了兩個 泵：抽氣泵和內置的清洗泵，在儀器連續監測一段時間后，抽氣泵會關閉，在儀器內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 保證儀器的準確性
為了保證 煙 氣 分析儀 的精度 和系 統的完 整 性，對儀器還需要進行正常運行性流量檢查及示值標定。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 壓，也就是說在煙道中如果儀器的泵抽力小，即泵的流量小，當負壓超過儀器中泵的吸力時，會導致實際測量數 據偏低。因此，使用儀器時，既要根據測 試工況的負壓范 圍，選用相應型號的儀器，還 要對儀器 的流 量進行測 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 測量的準確性。日常工作中，可以根據本身具備的環境和條件選用不同的方法進行示值標定，以保證儀器的正常運行，但對外出具公證數據時，則一定要到計量檢定部門按周期檢定，以保證儀器的準確性。
（1）選 擇潔凈的空氣，對儀器的零點 進行標定。此時有害氣體的含量應為“ 零”，而氧的含量則為20.9%。
（2）選擇純氮，通入氮氣，氧傳感器的顯示應迅速下降為0.2mg /m 3以下，否則氣體傳感 器失效，而有害氣體的顯示應為“零”。
（3）選擇一定濃度的標準氣體進行標定，按照儀器使用說明書對每 個傳感 器 進行 一 一標定，如果發現示值誤 差 超 過說明書給出的技 術指標，可通過校準程序 或儀器內部電位器 的調 整，對儀器進行調整。如果在使 用中監測的數據異常偏低，反應非常慢，或在標定過程中發現傳感 器反應非常慢，線性誤差較大，無法調整；或 是剛剛整好，再進行測量數值又發生了變化，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行及時反復的標定，調整準確后才能使用。

5 結束語
電化學氣體傳感器原理及在煙氣監測中的應用，通過對電化學氣體傳感器進行科學合理的使用和維護，大大延長了電化學傳感器的使用壽命，保證了煙氣分析儀的測量準確性。同時，電化學氣體傳感器穩定運行，也為煙氣的監測提供了可靠保障，為企業節能減排，保護環境發揮重要作用。